半導體器件與工藝

1、雙極型晶體管雙極型晶體管哈爾濱工程大學哈爾濱工程大學微電子學微電子學半導體器件與工藝半導體器件與工藝雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的基本結構和分類雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的制造工藝和雜質分布雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的制造工藝和雜質分布雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的制造工藝和雜質分布雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的制造工藝和雜質分布雙極型晶體管雙極型晶體管n均勻基區(qū)晶體管和緩變基區(qū)晶體管 均勻基區(qū)晶體管的基區(qū)雜質是均勻分布的，載流子在基區(qū)內的傳輸主要靠擴散機理進行，又稱擴散型晶體管。 緩變基區(qū)晶體管的基區(qū)雜質是緩變的，載流子在基區(qū)內的傳輸除了靠擴散運動外，還存在漂移運動且

2、往往以漂移運動為主，又稱漂移型晶體管。雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管的電流放大原理假設條件： 發(fā)射區(qū)與集電區(qū)寬度遠大于少子擴散長度，基區(qū)寬度遠小于少子擴散長度。 發(fā)射區(qū)與集電區(qū)電阻率足夠低，外加電壓全部降落在勢壘區(qū)，勢壘區(qū)外無電場。 發(fā)射結和集電結空間電荷區(qū)寬度遠小于少子擴散長度，且不存在載流子的產生與復合。 各區(qū)雜質均勻分布，不考慮表面的影響，且載流子僅做一維傳輸。 小注入，即注入的非平衡少子濃度遠小于多子濃度。 發(fā)射結和集電結為理想突變結，且面積相等。雙極型晶體管雙極型晶體管n平衡晶體管的能帶和載流子的分布雙極型晶體管雙極型晶體管n非平衡晶體管的能帶和載流子的分布雙極型晶體管雙極型晶體管

3、n晶體管載流子的傳輸雙極型晶體管雙極型晶體管n晶體管載流子的傳輸n 發(fā)射結正向偏置發(fā)射電子n 載流子在基區(qū)的傳輸與復合n 集射結反向偏置收集電子BCEIII晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 n晶體管電流放大系數和電流放大能力（1）共基極直流電流放大系數 表征從發(fā)射極輸入的電流中有多大比例傳輸到集電極成為輸出電流，或者說由發(fā)射極發(fā)射的電子有多大比例傳輸到了集電極。共基極接法的晶體管不能放大電流，但由于集電極允許接入阻抗較大的負載，所以仍能夠獲得電壓放大和功率放大。 ECII0n晶體管電流放大系數和電流放大能力（2）共射極直流電流放大系數 共發(fā)射極電路是用 去控制 以實現電流放大的

4、。 BCII0BICI晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 n晶體管電流放大系數和電流放大能力（3） 與 的關系000001晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 n晶體管電流放大系數和電流放大能力（4）晶體管具有放大能力所滿足的條件（以NPN管為例） 發(fā)射區(qū)高摻雜，能發(fā)射大量電子； 基區(qū)低摻雜且基區(qū)寬度窄，減少電子的復合損失； 發(fā)射結正向偏置，發(fā)射電子； 集射結反向偏置，收集電子。晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數n均勻基區(qū)晶體管電流放大系數晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數n均勻基區(qū)晶體管電

5、流放大系數為什么 總是小于 ？ 主要原因在于發(fā)射極發(fā)射的電子在傳輸到集電極的過程中，有兩個階段電子會損失：一是發(fā)射區(qū)的電于與來自基區(qū)的少子空穴的復合損失，該復合形成了空穴電流；一是電子在穿越基區(qū)往集電結擴散的過程中，與基區(qū)中空穴的復合損失，形成體內復合電流。 CIEI晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數n均勻基區(qū)晶體管電流放大系數為了表征兩個階段電子損失的比例大小，再定義兩個參量： 發(fā)射效率：基區(qū)輸運系數：pebbeEnLWIXI11)(2022223*0211)()()(nbbnCnnLWXIIXIXI晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數n緩變基區(qū)晶體管電流放大系數發(fā)

6、射效率：基區(qū)輸運系數：pebbeLW11022*011nbbLWebbeWW110晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 1.在N型硅片上經硼擴散后，得到集電結結深 ，有源基區(qū)方塊電阻 ，再經磷擴散后，得發(fā)射結結深 ，發(fā)射區(qū)方塊電阻 。設基區(qū)少子壽命 ，基區(qū)少子擴散系數擴散系數 ，基區(qū)自建場因子 ，試求該晶體管的電流放大系數 與 分別為多少？mxjc1 . 2sqRSB/800mxje3 . 1sqRSE/10sB7101215scmDB8晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 2.在基區(qū)摻雜濃度隨距離按指數式變化的緩變基區(qū)晶體管中，基區(qū)自建電場強度為常數。如果基區(qū)寬度為0

7、.3 的晶體管中存在500 的均勻基區(qū)自建電場，基區(qū)中靠近發(fā)射結一側的摻雜濃度是 ，試問基區(qū)中靠近集電結一側的摻雜濃度為多少？m1cmV31710cm 提高發(fā)射區(qū)摻雜濃度，增大正向注入電流； 減小基區(qū)寬度，減少復合電流； 提高基區(qū)雜質分布梯度，以提高電場因子； 提高基區(qū)載流子壽命和遷移率，以增大載流子的擴散長度。晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數晶體管基區(qū)寬變效應晶體管基區(qū)寬變效應晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 習題1 在材料種類相同、摻雜濃度分布相同、基區(qū)寬度相同的條件下、PNP晶體管和NPN晶體管相比，哪種晶體管的發(fā)射結注入效率較大？哪種晶體管的基區(qū)輸運系數

8、較大？ 影響晶體管的直流電流放大系數的因素影響晶體管的直流電流放大系數的因素發(fā)射結空間電荷區(qū)復合對電流放大系數的影響影響晶體管的直流電流放大系數的因素影響晶體管的直流電流放大系數的因素發(fā)射區(qū)重摻雜對電流放大系數的影響影響晶體管的直流電流放大系數的因素影響晶體管的直流電流放大系數的因素基區(qū)寬變效應對電流放大系數的影響影響晶體管的直流電流放大系數的因素影響晶體管的直流電流放大系數的因素溫度對電流放大系數的影響晶體管的直流伏安特性曲線（共基極）晶體管的直流伏安特性曲線（共基極）晶體管的直流伏安特性曲線（共射極）晶體管的直流伏安特性曲線（共射極）兩種組態(tài)輸出特性曲線比較兩種組態(tài)輸出特性曲線比較n電流放

9、大系數的差別n 增大對電流放大系數的影響n 減小對輸出電流的影響CEUCEU晶體管的穿通電壓晶體管的穿通電壓 （基區(qū)穿通）（基區(qū)穿通）晶體管的穿通電壓晶體管的穿通電壓 （外延層穿通）（外延層穿通）外延層穿通所決定的擊穿電壓外延層厚度2ccCBOBmcmcWWBUUXXjcmcdXX 3.已知某硅NPN均勻基區(qū)晶體管的基區(qū)寬度 ，基區(qū)摻雜濃度 ，集電區(qū)摻雜濃度 ，試求當 、 時電流放大系數如何變化并計算厄爾利電壓。 mWB5 . 231710cmNB31610cmNCVVCB0VVCE10晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 4.某廠在試制晶體管時，由于不注意清潔衛(wèi)生，在高溫擴散時引

10、入了金、鎳等雜質，結果得到如圖所示的晶體管輸出特性曲線。你能否說明這個輸出特性曲線與標準輸出特性曲線的差別在哪里，原因是什么？ 晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 5.某廠在試制NPN平面管時，發(fā)現所得到的輸出特性曲線為“靠背椅”式，如圖所示。你能否用基區(qū)表面形成反省層（即所謂“溝道” ）來解釋這種輸出特性曲線？ 晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 6.某廠在試制某種晶體管時，發(fā)現輸出特性曲線“過度傾斜”，如圖所示。你能否用制造過程不當，使基區(qū)過薄來解釋此種現象？晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 7.某廠在試制某種晶體管時，發(fā)現輸出特性曲線如圖所示。

11、你能否用集電極有較大的串聯電阻（如歐姆接觸電阻之類）來解釋此種現象？如何改進工藝條件來避免此種現象？ 晶體管的直流電流放大系數晶體管的直流電流放大系數 8.某廠在試制某種晶體管時，發(fā)現輸出特性曲線如圖所示。你能否用集電結在表面處有很大的漏電流來解釋此種現象？ 晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數提高特征頻率的途徑提高特征頻率的途徑1、減小基區(qū)寬度，并采用擴散基區(qū)。2、盡量減小發(fā)射極面積。3、基區(qū)擴散的薄層電阻大些，即基區(qū)雜質濃度 稍

12、低些，也有利于提高特征頻率。4、減小集電結面積，適當降低集電區(qū)電阻率。 晶體管的噪聲晶體管的噪聲噪聲系數噪聲系數 采用信號噪聲比（即信號功率與噪聲功率之比，簡稱信噪比）來衡量噪聲的大小。常用晶體管的輸入信號噪聲比同輸出信號噪聲比的比值來標志晶體管的噪聲特性，這個比值就叫噪聲系數。晶體管的噪聲晶體管的噪聲 噪聲來源噪聲來源 （1）熱噪聲 雜亂無章的熱運動疊加在載流子的有規(guī)則的運動之上，就會引起電流的起伏，成為噪聲。 （2）散粒噪聲 半導體中載流子的產生、復合過程有漲有落，參加導電的載流 于數目將在其平均值 附近起伏，這種由載流子數目起伏而引起的噪聲。 （3） 噪聲 在半導體中還存在著一種影響很大

13、的噪聲，叫做噪聲，這種噪聲同頻率有關，頻率越低，噪聲越大。 f1晶體管的功率特性晶體管的功率特性 基區(qū)大注入效應基區(qū)大注入效應 （1）大注入基區(qū)電大調制效應和自建電場）大注入基區(qū)電大調制效應和自建電場 （2）大注入基區(qū)少子分布）大注入基區(qū)少子分布晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)擴展效應基區(qū)擴展效應晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)擴展效應基區(qū)擴展效應晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)擴展效應基區(qū)擴展效應晶體管的功率特性晶體管的功率特性 基區(qū)縱向擴展效應基區(qū)縱向擴展效應晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)橫向擴展效應基區(qū)橫向擴展效應晶體管的功率特性晶體管的功率特性基區(qū)擴展效應對電特性的影

14、響基區(qū)擴展效應對電特性的影響22012ebbbpenbWWLL012Tbff晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應發(fā)射極電流集邊效應晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應發(fā)射極電流集邊效應晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應發(fā)射極電流集邊效應晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應發(fā)射極電流集邊效應( )(0)(1)(0)BBBeffjxjejxS(1)(0)( )(0)BBBeffejjxxjS(1)(0)( )( )(0)BBBBeffejdIxjx ldxxjldxS晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應發(fā)射極電流集邊

15、效應20(1)(0)(1)(0)( )(0)(0)2xBBBBBeffeffejejxIxxjldxjlxSS( )( )BbbdxdU xIxW l2220(1)(0)(2)(0)1()( )(0)626effSBSbBSbeffeffSbBeffeffejRejRkTU SdU xSRjSSq晶體管的功率特性晶體管的功率特性 發(fā)射極電流集邊效應發(fā)射極電流集邊效應1/21/26/2(0)effSbBkT qSeRj1/21/206/2(1)(0)effSbEkT qSeRj1/21/21/200/61.862effSbEpSbEpkT qkT qeSeRjRj晶體管的功率特性晶體管的功率特性

16、 集電結最大耗散功率集電結最大耗散功率 集電結最大耗散功率是晶體管參數的變化不超過規(guī)定值時的最大集電結耗散功率。晶體管的功率特性晶體管的功率特性 集電結最大耗散功率相關因素集電結最大耗散功率相關因素 在晶體管的散熱情況和環(huán)境溫度一定時，消耗的功率越大，管芯的結溫就越高。由于管芯結溫不能超過晶體管的最高結溫，因此晶體管的耗散功率也不允許任意大。顯然與最高結溫對應的耗散功率就是晶體管的最大允許耗散功率，即 晶體管的最高結溫是指晶體管能正常地、長期可靠工作的最高PN結溫度。 ()CMjMaPK TT晶體管的功率特性晶體管的功率特性晶體管熱阻晶體管熱阻 晶體管工作時，集電結產生的熱量要散發(fā)到周圍空間中

17、去，會遇到一種阻力，把這種阻力叫“熱阻”。晶體管的熱阻是表征晶體管工作時所產生的熱量向外散發(fā)的能力，它表示晶體管散熱能力的大小。jMaTCMTTRP晶體管的功率特性晶體管的功率特性晶體管熱阻晶體管熱阻晶體管的功率特性晶體管的功率特性降低晶體管熱阻降低晶體管熱阻降低內熱阻：通過適當減薄硅片和鋁片厚度，增大集電結面積或周界長度來減小內熱阻。 降低外熱阻：可以通過減小接觸熱阻，增大散熱面積來實現。 減少接觸熱阻的措施： 盡量使管座與散熱器的接觸面平整、光滑、清潔且不氧化。 在接觸界面處涂覆硅脂。 在安裝晶體管時，接觸面應盡量壓緊。晶體管的功率特性晶體管的功率特性 晶體管的二次擊穿晶體管的二次擊穿 當

18、集電極反向偏壓增大到某一值時，集電極電流急劇增加，出現擊穿現象，這個首先出現的擊穿現象稱為一次擊穿。當集電極反向偏壓進一步增大，增大到某一臨界值時，晶體管上的壓降突然降低，而電流繼續(xù)增長，這個現象稱為二次擊穿。 晶體管的功率特性晶體管的功率特性 晶體管的二次擊穿晶體管的二次擊穿晶體管的功率特性晶體管的功率特性二次擊穿機理二次擊穿機理電流集中二次擊穿電流集中二次擊穿 在晶體管內部出現電流局部集中，形成過熱點，導致該處發(fā)生局部熱擊穿的結果。 晶體管的功率特性晶體管的功率特性鎮(zhèn)流電阻鎮(zhèn)流電阻晶體管的功率特性晶體管的功率特性二次擊穿機理二次擊穿機理雪崩注入二次擊穿雪崩注入二次擊穿晶體管的功率特性晶體管

19、的功率特性集電極最大工作電流集電極最大工作電流 共發(fā)射極電流放大系數下降到最大值的一半時所對應的集電極電流。 晶體管的功率特性晶體管的功率特性 不使晶體管損壞和老化，而且工作可靠性又較高的區(qū)域叫做安全工作區(qū)。晶體管的安全工作區(qū)晶體管的安全工作區(qū)晶體管的開關特性晶體管的開關特性 晶體管的開關作用晶體管的開關作用 開關電路中的晶體管多采用共發(fā)射極接法。晶體管的開關作用是通過基極輸入脈沖控制集電極回路的通斷來實現的。 晶體管的開關特性晶體管的開關特性 晶體管的開關工作區(qū)域晶體管的開關工作區(qū)域 晶體管做開關運用時，它的“開”與“關”兩種工作狀態(tài)分別對應子輸出特性曲線中的飽和區(qū)和截止區(qū)。 晶體管的開關特

20、性晶體管的開關特性 飽和區(qū)飽和區(qū) 在飽和狀態(tài)時，晶體管的發(fā)射結處于正向偏置，發(fā)射結偏壓約為0.7V，而C，E間的壓降約為0.3V。這表明 C極電位低于B極，即集電結也處于正向偏置，這是晶體管飽和的重要特點之一。使晶體管由放大區(qū)進入飽和區(qū)的臨界基極電流稱為臨界飽和基極電流。 晶體管的開關特性晶體管的開關特性 截止區(qū)截止區(qū) 晶體管的發(fā)射結加上 反 向 偏 壓 （ 或 零 偏壓），集電結也加上反向偏壓，晶體管就處于截止區(qū)，這時晶體管內只有反向漏電流流過，其數值極小。 晶體管的開關特性晶體管的開關特性 理想晶體管的開關波形理想晶體管的開關波形晶體管的開關特性晶體管的開關特性 實際晶體管的開關波形實際晶

21、體管的開關波形晶體管的開關特性晶體管的開關特性 延遲過程延遲過程 在晶體管開啟以前，晶體管處于截止態(tài)，發(fā)射結和集電結都處于反向偏置，因此它們的勢壘區(qū)是比較寬的，勢壘區(qū)中有比較多的空間電荷。在輸入電壓剛剛變正時，發(fā)射結的勢壘區(qū)還保持在原來的狀態(tài)，即勢壘區(qū)有比較多的空間電荷，勢壘區(qū)還很寬。由于發(fā)射結勢壘電容電壓不能突變，也就是發(fā)射結仍然保持在負偏壓或零偏壓的狀態(tài)，所以沒有析從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)。 晶體管的開關特性晶體管的開關特性 上升過程上升過程 在延遲過程結束后，晶體管的發(fā)射結偏壓將繼續(xù)上升，從0.5 V變到0.7V左右，于是發(fā)射區(qū)就向基區(qū)注人較多的電子，電子在基區(qū)中積累，形成一定的濃度梯度，其中一部分在 基區(qū)中復合掉，其余的輸運到集電結，形成集電極電流。隨著發(fā)射結偏壓的上升，注入到基區(qū)的電子增多，電子的濃度梯度增大，集電極電流也隨著增大，這就是上升過程。 晶體管的開關特性晶體管的開關特性 在上升過程結束以后，由于晶體管處于過驅動狀態(tài)，集電結從零偏變?yōu)檎妳^(qū)除了要向基區(qū)注入電子外，基區(qū)也要向集電區(qū)注入空穴，所以在集電區(qū)中也有一部分空穴電荷累量超量貯存電荷超量貯存電荷。 貯存電荷貯存電荷晶體管的開關特性晶體管的開關特性 下降過程下降過程 在貯存過程結束后，晶體管中的電荷分布又回到和上