雙極型晶體管及相

1、雙極型晶體管及相關(guān)器件 本章內(nèi)容 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 可控硅器件及相關(guān)功雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管(bipolar transistor)的結(jié)構(gòu)雙極型晶體管是最重要的半導體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導通過程的半導體器件，由兩個相鄰的耦合p-n結(jié)所組成，其結(jié)構(gòu)可為p-n-p或n-p-n的形式。如圖為一p-n-p雙極型晶體管的透視圖，其制造過程是以p型半導體為襯底，利用熱擴散的原理在p型襯底上形成一n型區(qū)域，再在此n型區(qū)域上以熱擴散形成一高濃

2、度的p型區(qū)域，接著以金屬覆蓋p、n以及下方的p型區(qū)域形成歐姆接觸。雙極晶體管工作原理圖(a)為理想的一維結(jié)構(gòu)p-n-p雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域，形成兩個p-n結(jié)。濃度最高的p區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)(emitter，以E表示)；中間較窄的n型區(qū)域，其雜質(zhì)濃度中等，稱為基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠小于少數(shù)載流子的擴散長度；濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)(collector，用C表示)。圖(b)為p-n-p雙極型晶體管的電路符號，圖中亦顯示各電流成分和電壓極性，箭頭和“十”、“一”符號分別表示晶體管在一般工作模式(即放大模式)下各電流的方向和電壓的極性，該模式下，射基結(jié)為正向偏壓

3、(VEB0)，而集基結(jié)為反向偏壓(VCB0)雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管工作在放大模式圖(a)是一熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)下的理想pn-p雙極型晶體管，即其三端點接在三端點接在一起，或者三端點都接地一起，或者三端點都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個p-n結(jié)的耗盡區(qū)。圖(b)顯示三段摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠比集電區(qū)大，基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。圖4.3(c)表示耗盡區(qū)的電場強度分布情況。圖(d)是晶體管的能帶圖，它只是將熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)能帶直接延伸，應(yīng)用到兩個相鄰的耦合p-n結(jié)與n-p結(jié)。 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管工作在放大模式

4、雙極型晶體管工作在放大模式 圖(a)為工作在放大模式下的共 基組態(tài)p-n-p型晶體管，即基極被輸 入與輸出電路所共用，圖(b)與圖(c) 表示偏壓狀態(tài)下電荷密度與電場強度 分布的情形，與熱平衡狀態(tài)下比較， 射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄，而集基射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄，而集基 結(jié)耗盡區(qū)變寬結(jié)耗盡區(qū)變寬。圖(d)是晶體管工作 在放大模式下的能帶圖，射基結(jié)為正 向偏壓，因此空穴由空穴由p發(fā)射區(qū)注入發(fā)射區(qū)注入 基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。 雙極型晶體管的工作原理在理想的二極管中，耗盡區(qū)理想的二極管中，耗盡區(qū)將不會有產(chǎn)生將不會有產(chǎn)生-復合電流，所以由復合電流，所以由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空

5、穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。而集基結(jié)是處在反向偏壓的狀態(tài)，而集基結(jié)是處在反向偏壓的狀態(tài)，因此將有一反向飽和電流流過此因此將有一反向飽和電流流過此結(jié)結(jié)。當基區(qū)寬度足夠小時，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴散通過基區(qū)而到達集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過集電區(qū)。此種輸運機制便是注射載流子的“發(fā)射極“以及收集鄰近結(jié)注射過來的載流子的“集電極”名稱的由來。 雙極型晶體管的工作原理如果大部分入射的空穴都沒有與基區(qū)中的電子復合而到達集電極，則集電極的空穴電流將非常地接近發(fā)射極空穴電流。可見，由鄰近的射基結(jié)注射過來的空穴可在反

6、向偏壓的集基結(jié)造成大電流，這就是晶體管的放大作用放大作用，而且只有當此兩結(jié)彼此足夠接近時才會只有當此兩結(jié)彼此足夠接近時才會發(fā)生發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p-n結(jié)。相反地，如果此兩p-n結(jié)距離太遠，所有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復合而無法到達集基區(qū)，并不會產(chǎn)生晶體管的放大作用，此時p-n-p的結(jié)構(gòu)就只的結(jié)構(gòu)就只是單純兩個背對背連接的是單純兩個背對背連接的p-n二極管二極管。雙極型晶體管的靜態(tài)特性各區(qū)域中的載流子分布各區(qū)域中的載流子分布為推導出理想晶體管的電流、電壓表示式，需作下列五點假設(shè)：（1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜均勻摻雜；（2）基區(qū)中的空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略；（3）

7、載流子注入屬于小注入；（4）耗盡區(qū)中沒有產(chǎn)生-復合電流；（5）晶體管中無串聯(lián)電阻。假設(shè)在正向偏壓的狀況下空穴由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，然后這些空穴再以擴散的方式穿過基區(qū)到達集基結(jié)，一旦確定了少數(shù)載流子的分布(n區(qū)域中的空穴)，就可以由少數(shù)載流子的濃度梯度得出電流。在飽和模式下，極小的電壓就產(chǎn)生了極大的輸出電流，晶體管處于導通狀態(tài)，類似于開關(guān)短路（亦即導通）的狀態(tài)。在截止模式下，晶體管的兩個結(jié)皆為反向偏壓，邊界條件變?yōu)閜n(0)=pn(W)=0，截止模式下的晶體管可視為開關(guān)斷路(或是關(guān)閉)。電流為零在反轉(zhuǎn)模式下，射基結(jié)是反向偏壓，集基結(jié)是正向偏壓；在反轉(zhuǎn)模式下晶體管的集電極用作發(fā)射極，而發(fā)射極用作集電極

8、，相當于晶體管被倒過來用，但是在反轉(zhuǎn)模式下的電流增益通常較放大模式小，這是因為集電區(qū)摻雜濃度較基區(qū)濃度小，造成低的“發(fā)射效率”所致。即使VBC降到零伏，空穴依然被集電極所吸引，因此集電極電流仍維持一固定值。圖(a)中的空穴分布也顯示出這種情形，x=W處的空穴梯度在從VBC0變?yōu)閂BC=0后，只改變了少許，使得集電極電流在整個放大模式范圍下幾乎相同。若要將集電極電流降為零，必須加一電壓在集基結(jié)上，使其正向偏壓(飽和模式)，對硅材料而言，約需加1V左右，如圖(b)所示，正向偏壓造成x=W處的空穴濃度大增，與x=0處相等圖(b)中的水平線，此時在x=W處的空穴梯度也就是集電極電流將會降為零。因為0一

9、般非常接近于1，使得0遠大于1，所以基極電流的微小變化將造成集電極電流的劇烈變化。下圖是不同的基極電流下，輸出電流-電壓特性的測量結(jié)果?？梢姰擨B=0時，集電極和發(fā)射極間還存在一不為零的ICEO。在一共射組態(tài)的理想晶體管中，當IB固定且VEC0時，集電極電流與VEC不相關(guān)。當假設(shè)中性的基極區(qū)域(W)為定值時，上述特性始終成立。然而延伸到基極中的空間電荷區(qū)域會隨著集電極和基極的電壓改變，使得基區(qū)的寬度是集基偏壓的函數(shù)，因此集電極電流將與VEC相關(guān) 當集電極和基極間的反向偏壓增加時，基區(qū)的寬度將會減少，導致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度增加，亦即使得擴散電流增加，因此IC也會增加。下圖顯示出IC隨著V

10、EC的增加而增加，這種電流變化稱為厄雷效應(yīng)，或稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將集電極電流往左方延伸，與VEC軸相交，可得到交點，稱為厄雷電壓。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)前面討論的是晶體管的靜態(tài)特性(直流特性)，沒有涉及其交流特性，也就是當一小信號重疊在直流值上的情況。小信號意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。高頻等效電路：圖(a)是以共射組態(tài)晶體管所構(gòu)成的放大器電路，在固定的直流輸入電壓VEB下，將會有直流基極電流IB和直流集電極電流IC流過晶體管，這些電流代表圖(b)中的工作點，由供應(yīng)電壓VCC以及負載電阻RL所決定出的負載線，將以一1/RL的斜率與VCE軸相交于V

11、CC。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性當一小信號附加在輸入電壓上時，基極電流iB將會隨時間變動，而成一時間函數(shù)，如右圖所示。基極電流的變動使得輸出電流iC跟著變動， 而iC的變動是iB變動的0倍，因此晶體管放大器將輸入信號放大了。下圖(a)是此放大器的低頻等效電路，在更高頻率的狀況下，必須在等效電路中加上適當?shù)碾娙?。與正向偏壓的p-n結(jié)類似，在正向偏壓的射基結(jié)中，會有一勢壘電容CEB和一擴散電容Cd，而在反向偏壓的集基結(jié)中只存在勢壘電容CCB，如圖(b)所示。要改善頻率響應(yīng)，必須縮短少數(shù)載流子穿越基區(qū)所需的時間，所以高頻晶體管都設(shè)計成短基區(qū)寬度。由于在硅材料中電子的擴散系數(shù)是空穴的三倍，所有的

12、高頻硅晶體管都是n-p-n的形式(基區(qū)中的少數(shù)載流子是電子)另一個降低基區(qū)渡越時間的方法是利用有內(nèi)建電場的緩變摻雜基區(qū)，摻雜濃度變化(基區(qū)靠近發(fā)射極端摻雜濃度高，靠近集電極端摻雜濃度低)產(chǎn)生的內(nèi)建電場將有助于載流子往集電極移動，因而縮短基區(qū)渡越時間。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性在數(shù)字電路中晶體管的主要作用是當作開關(guān)?？梢岳眯〉幕鶚O電流在極短時間內(nèi)改變集電極電流由關(guān)(off)的狀態(tài)成為開(on)的狀態(tài)(反之亦然)。關(guān)是高電壓低電流的狀態(tài)，開是低電壓高電流的狀態(tài)。圖(a)是一個基本的開關(guān)電路，其中射基電壓瞬間由負值變?yōu)檎?。圖(b)是晶體管的輸出電流，起初因為射基結(jié)與集基結(jié)都是反向偏壓，集電極電流非常低，但射基電壓由負變正后，集電極電流沿著負載線，經(jīng)過放大區(qū)最后到達高電流狀態(tài)的飽和區(qū)，此時射基結(jié)與集基結(jié)都變?yōu)檎蚱珘?。因此晶體管在關(guān)的狀態(tài)下，亦即工作于截止模式時，發(fā)射極與集電極間不導通；而在開的狀態(tài)下，亦即工作在飽和模式時，發(fā)射極與集電極間導通因此晶體管可近似于一理想的開關(guān)。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與