半導(dǎo)體器件物理精品課件

雙極型晶體管及相關(guān)器件現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理PhysicsofModernSemiconductorDevices2004,7,30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)功率器件雙極型晶體管(bipolartransistor)的結(jié)構(gòu)雙極型晶體管是最重要的半導(dǎo)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(dǎo)通過程的半導(dǎo)體器件，由兩個(gè)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(dǎo)體為襯底，利用熱擴(kuò)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(kuò)散形成一高濃度的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。雙極型晶體管的工作原理圖(a)是一熱平衡狀態(tài)下的理想p-n-p雙極型晶體管，即其三端點(diǎn)接在一起，或者三端點(diǎn)都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個(gè)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(yuǎn)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(chǎng)強(qiáng)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(gè)相鄰的耦合p＋-n結(jié)與n-p結(jié)。各區(qū)域中EF保持水平。雙極型晶體管(pnp型)工作在放大模式雙極型晶體管的工作原理圖(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)下空間電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)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p＋發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管的工作原理在理想的二極管中，耗盡區(qū)將不會(huì)有產(chǎn)生-復(fù)合電流，所以由發(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。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結(jié)。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時(shí)，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴(kuò)散通過基區(qū)而到達(dá)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(yùn)機(jī)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下圖中顯示出一理想的p-n-p晶體管在放大模式下的各電流成分。設(shè)耗盡區(qū)中無產(chǎn)生-復(fù)合電流，則由發(fā)射區(qū)注入的空穴將構(gòu)成最大的電流成分IEp。電流增益大部分的入射空穴將會(huì)到達(dá)集電極而形成ICp?；鶚O的電流有三個(gè)，即IBB、IEn、ICn。其中IBB代表由基極所供應(yīng)、與入射空穴復(fù)合的電子電流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流，是不希望有的電流成分；ICn代表集電結(jié)附近因熱所產(chǎn)生、由集電區(qū)流往基區(qū)的電子電流。雙極型晶體管的工作原理晶體管各端點(diǎn)的電流可由上述各個(gè)電流成分來表示晶體管中有一項(xiàng)重要的參數(shù)，稱為共基電流增益，定義為因此，得到雙極型晶體管的工作原理第二項(xiàng)稱為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，是到達(dá)集電極的空穴電流量與由發(fā)射極入射的空穴電流量的比，即所以上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)稱為發(fā)射效率，是入射空穴電流與總發(fā)射極電流的比，即：雙極型晶體管的工作原理例1：已知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。試求出下列各值：(a)發(fā)射效率；(b)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T；(c)共基電流增益0；(d)ICBO。解（a）發(fā)射效率為（b）基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為（c）共基電流增益為（d）共基電流增益為所以雙極型晶體管的工作原理為推導(dǎo)出理想晶體管的電流、電壓表示式，需作下列五點(diǎn)假設(shè)：（1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜；（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）載流子注入屬于小注入；（4）耗盡區(qū)中沒有產(chǎn)生-復(fù)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(kuò)散的方式穿過基區(qū)到達(dá)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。各區(qū)域中的載流子分布

雙極型晶體管的靜態(tài)特性圖(c)顯示結(jié)上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，在基區(qū)中性區(qū)域中的少數(shù)載流子分布可由無電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程式表示：其中Dp和τp分別表示少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)和壽命。上式的一般解為一、基區(qū)區(qū)域：其中為空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，常數(shù)C1和C2可由放大模式下的邊界條件和決定。雙極型晶體管的靜態(tài)特性當(dāng)x<<1時(shí)，sinh(x)將會(huì)近似于x。所以當(dāng)W/Lp<<1時(shí)，可簡(jiǎn)化為即：少數(shù)載流子分布趨近于一直線。此近似是合理的，因?yàn)樵诰w管的設(shè)計(jì)中，基極區(qū)域的寬度遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。如圖?？梢?，由線性少數(shù)載流子分布的合理假設(shè)，可簡(jiǎn)化電流-電壓特性的推導(dǎo)過程。雙極型晶體管的靜態(tài)特性和發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的少數(shù)載流子分布可以用類似上述基區(qū)情況的方法求得。在圖中，發(fā)射區(qū)與集電區(qū)中性區(qū)域的邊界條件為二、發(fā)射極和集電極區(qū)域

：其中nEO和nCO分別為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中熱平衡狀態(tài)下的電子濃度。設(shè)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度分別遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長(zhǎng)度LE和LC，將邊界條件代入得到雙極型晶體管的靜態(tài)特性由少子分布可計(jì)算出晶體管中的各項(xiàng)電流成分。在x=0處，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴電流IEp與少數(shù)載流子濃度分布的梯度成正比，因此當(dāng)W/Lp<<1時(shí)，空穴電流IEp可以由式放大模式下理想晶體管的電流

：同理，在t＝W處由集電極所收集到的空穴電流為表示為雙極型晶體管的靜態(tài)特性當(dāng)W/Lp<<1時(shí)，IEp=ICp。集電極電流IC=ICp+ICn，即可見12=21。理想晶體管的IB=IE-IC，即所以，晶體管三端點(diǎn)的電流主要是由基極中的少子分布來決定，一旦獲得了各電流成分，即可由其中得出共基電流增益雙極型晶體管的靜態(tài)特性例2：一個(gè)理想的p+-n-p晶體管，其發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度分別為1019cm-3、1017cm-3和5×1015cm-3，而壽命分別為10-8s、10-7s和10-6s，假設(shè)有效橫截面面積A為0.05mm2，且射基結(jié)正向偏壓在0.6V，試求晶體管的共基電流增益。其他晶體管的參數(shù)為DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W＝0.5μm。解：在基極區(qū)域中在發(fā)射極區(qū)域中雙極型晶體管的靜態(tài)特性因?yàn)閃/Lp=0.05<<1，各電流成分為共基電流增益0為雙極型晶體管的靜態(tài)特性根據(jù)射基結(jié)與集基結(jié)上偏壓的不同，雙極型晶體管有四種工作模式。下圖顯示了一p-n-p晶體管的四種工作模式與VEB、VCB的關(guān)系，每一種工作模式的少數(shù)載流子分布也顯示在圖中。如在放大模式下，射基結(jié)是正向偏壓，集基結(jié)是反向偏壓。在飽和模式下，晶體管中的兩個(gè)結(jié)都是正向偏壓，導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)的耗盡區(qū)中少數(shù)載流子分布并非為零，因此在x=W處的邊界條件變?yōu)楣ぷ髂Ｊ诫p極型晶體管的靜態(tài)特性在截止模式下，晶體管的兩個(gè)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)。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，相當(dāng)于晶體管被倒過來用。由于集電區(qū)摻雜濃度較基區(qū)濃度小，造成低的“發(fā)射效率”(較小)，在反轉(zhuǎn)模式下的共基電流增益0(0=

T)較小。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(dǎo)通狀態(tài)，類似于開關(guān)短路（亦即導(dǎo)通）的狀態(tài)。雙極型晶體管的靜態(tài)特性若要使IC=0，必須使集基結(jié)上正向偏壓，進(jìn)入飽和模式，對(duì)于硅，需加正向偏壓VCB=-VBC≈1V。如圖(b)所示，正向偏壓增大x=W處的空穴濃度，并與x=0處相等，此時(shí)空穴濃度梯度=0，造成IC=0。圖(a)中的空穴分布也顯示出這種情形，x=W處在從VBC＞0變?yōu)閂BC=0后，空穴梯度只改變少許，使得集電極電流在整個(gè)放大模式范圍下幾乎相同。雙極型晶體管的靜態(tài)特性其中β0為共射電流增益，是IC對(duì)IB的微分且下圖是一個(gè)共射組態(tài)下的p-n-p晶體管，將式IB=IE-IC代入共射組態(tài)晶體管的電流-電壓特性

可得出共射組態(tài)下的集電極電流定義此電流是當(dāng)IB=0時(shí)，集電極與發(fā)射極間的漏電流。因此雙極型晶體管的靜態(tài)特性因?yàn)?≈1且0＜1，使得β0>>1，所以IB的微小變化將造成IC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(cè)量結(jié)果?？梢姰?dāng)IB=0時(shí)，集電極和發(fā)射極間還存在一不為零的ICEO。假設(shè)基極的中性區(qū)域?qū)挾?W)為定值時(shí)，在共射組態(tài)的理想晶體管中，固定的IB下，且VEC>0(即處于放大區(qū))時(shí)，IC與VEC不相關(guān)。雙極型晶體管的靜態(tài)特性放大但實(shí)際上，基極中的空間電荷區(qū)會(huì)隨著VEC改變，使得基區(qū)的中性區(qū)域?qū)挾?W)是VEC的函數(shù)，因此IC將與VEC相關(guān)。當(dāng)VEC增大時(shí)，W減小，導(dǎo)致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度增加，亦即使得擴(kuò)散電流增加，因此IC也會(huì)增加。下圖顯示出IC隨著VEC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(diǎn)，稱為厄雷電壓VA。雙極型晶體管的靜態(tài)特性CIECV0AVBI例3：已知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。求出共射電流增益β0，并以β0和ICBO表示ICEO，并求出ICEO的值。解：發(fā)射效率為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為共基電流增益為因此可得所以雙極型晶體管的靜態(tài)特性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(dāng)一小信號(hào)重疊在直流值上的情況。小信號(hào)意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。頻率響應(yīng)

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(huì)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(diǎn)，由供應(yīng)電壓VCC以及負(fù)載電阻RL所決定出的負(fù)載線，將以一1/RL的斜率與VCE軸相交于VCC。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性RL下圖(a)是此放大器的低頻等效電路。圖(b)表示在高頻率的狀況下，必須在等效電路中加上適當(dāng)?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(huì)有一勢(shì)壘電容CEB和一擴(kuò)散電容Cd，而在反向偏壓的集基結(jié)中只存在勢(shì)壘電容CCB，如所示。當(dāng)一小信號(hào)附加在輸入電壓上時(shí)，基極電流iB將會(huì)隨時(shí)間變動(dòng)，而成為一時(shí)間函數(shù)，如右圖所示。輸入電流iB的變動(dòng)使得輸出電流iC跟著變動(dòng)，而iC的變動(dòng)是iB變動(dòng)的β0倍，因此晶體管放大器將輸入信號(hào)放大了。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性gEB其中稱為跨導(dǎo)(transconductance)稱為輸入電導(dǎo)(inputconductance)。而基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)(厄雷效應(yīng))，將產(chǎn)生一個(gè)有限的輸出電導(dǎo)。另外，基極電阻rB和集電極電阻rC也都列入考慮。圖(c)是加入上述各器件后的高頻等效電路。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性gEB截止頻率：在右上圖中，跨導(dǎo)gm和輸入電導(dǎo)gEB與晶體管的共基電流增益0有關(guān)。在低頻時(shí)，0是定值

(0≈1且0<1)，不會(huì)因工作頻率而改變，然而當(dāng)頻率升高至一關(guān)鍵點(diǎn)后，0將會(huì)降低。右下圖是一典型的共基電流增益相對(duì)于工作頻率的示意圖。加入頻率參量后，共基電流增益為其中0是低頻(或直流)共基電流增益，f是共基截止頻率，當(dāng)工作頻率f=f時(shí)，的值為0.7070(下降3dB)。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性51061071081091010101.010a0b10210310dB3abbfdB3afTf頻率Hz/右圖中也顯示了共射電流增益，由上式可得其中fβ稱為共射截止頻率

由于0≈1，所以fβ<<f。另外，截止頻率fT(又稱特征頻率)定義為|β|=1時(shí)的頻率，將前式等號(hào)右邊的值定為1，可得出由于0≈1且0<1，因此fT很接近但稍小于f。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性51061071081091010101.010a0b10210310dB3abbfdB3afTf頻率Hz/其中A是器件的截面積，p(x)是少數(shù)載流子的分布，空穴經(jīng)過基區(qū)所需的時(shí)間τB為特征頻率fT也可以表示為fT=(2πτT)-1，其中τT代表載流子從發(fā)射極傳輸?shù)郊姌O所需的時(shí)間，它包含了發(fā)射區(qū)延遲時(shí)間τE、基區(qū)渡超時(shí)間τB以及集電區(qū)渡越時(shí)間τC。其中最主要的時(shí)間是τB。少數(shù)載流子在dt時(shí)段中所走的距離為dx＝v(x)dt，其中v(x)是基區(qū)中的少數(shù)載流子的有效速度，此速度與電流的關(guān)系為雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性以線性空穴分布為例，將要改善頻率響應(yīng)，必須縮短少數(shù)載流子穿越基區(qū)所需的時(shí)間τB，所以高頻晶體管都設(shè)計(jì)成短基區(qū)寬度（W）。由于在硅材料中電子的擴(kuò)散系數(shù)（Dn）是空穴（Dp）的三倍，所有的高頻硅晶體管都是n-p-n的形式(基區(qū)中的少數(shù)載流子是電子)．另一個(gè)降低基區(qū)渡越時(shí)間的方法是利用有內(nèi)建電場(chǎng)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(chǎng)將有助于載流子往集電極移動(dòng)，因而縮短基區(qū)渡越時(shí)間。代入和雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性

開關(guān)瞬態(tài)過程在數(shù)字電路中晶體管的主要作用是當(dāng)作開關(guān)?？梢岳眯〉幕鶚O電流在極短時(shí)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(gè)基本的開關(guān)電路，其中射基電壓瞬間由負(fù)值變?yōu)檎?。圖(b)是晶體管的輸出電流，起初因?yàn)樯浠Y(jié)與集基結(jié)都是反向偏壓，處于截止區(qū)，集電極電流非常低，發(fā)射極與集電極間不導(dǎo)通(關(guān))；但射基電壓由負(fù)變正后，集電極電流沿著負(fù)載線，經(jīng)過放大區(qū)最后到達(dá)高電流狀態(tài)的飽和區(qū)，此時(shí)射基結(jié)與集基結(jié)都變?yōu)檎蚱珘?，發(fā)射極與集電極間導(dǎo)通(開)。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性圖(a)顯示一輸入電流脈沖在t＝0時(shí)加在射基端點(diǎn)上，晶體管導(dǎo)通在t＝t2時(shí)，電流瞬間轉(zhuǎn)換到零，晶體管關(guān)閉。集電極電流的暫態(tài)行為可由儲(chǔ)存在基區(qū)中的超量少數(shù)載流子電荷QB(t)來決定，圖(b)是QB(t)與時(shí)間的關(guān)系圖。在導(dǎo)通的過程中，基區(qū)儲(chǔ)存電荷將由零增加到QB(t2)；在關(guān)閉的過程中，基區(qū)儲(chǔ)存電荷由QB(t2)減少到零。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性開關(guān)時(shí)間指晶體管狀態(tài)從關(guān)變?yōu)殚_或從開變?yōu)殛P(guān)所需的時(shí)間。當(dāng)QB(t)＜Qs時(shí)，晶體管工作于放大模式下，其中Qs是VCB=0時(shí)基區(qū)中的電荷量。當(dāng)QB(t)=Qs時(shí)，晶體管工作于飽和區(qū)的邊緣。當(dāng)QB(t)>Qs時(shí)，晶體管工作于飽和區(qū)。

IC對(duì)時(shí)間的變化顯示在圖(c)中。在導(dǎo)通的過程中，t<t1時(shí)，QB<Qs，工作在放大模式下；t=t1時(shí)，基區(qū)電荷量QB=Qs，由放大區(qū)達(dá)到飽和區(qū)邊緣；當(dāng)t>t1時(shí)，QB>Qs，晶體管進(jìn)入飽和模式，而發(fā)射極和集電極電流大致維持定值。圖(d)顯示在t>t1時(shí)，空穴分布pn(x)與t=t1時(shí)平行，所以在x=0和x=W處的空穴濃度梯度即電流維持相同。在關(guān)閉的過程中，器件起初是在飽和模式下，直到QB降至Qs，重新回到放大模式。由t2到QB=Qs時(shí)的t3這段時(shí)間稱為存儲(chǔ)延遲時(shí)間。器件在t=t3后，IC以指數(shù)形式衰減到零。

雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性（b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2t

導(dǎo)通時(shí)間取決于能如何迅速地將空穴(p-n-p晶體管中的少數(shù)載流子)加入基極區(qū)域，而關(guān)閉時(shí)間則取決于能如何迅速地通過復(fù)合將空穴移除。晶體管開關(guān)時(shí)最重要參數(shù)是基區(qū)的少子壽命τp。一個(gè)有效降低τp、使轉(zhuǎn)換變快的方法是加入接近禁帶中點(diǎn)的產(chǎn)生-復(fù)合中心，使導(dǎo)通時(shí)迅速產(chǎn)生少子，關(guān)閉時(shí)迅速?gòu)?fù)合少子。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)是不同的半導(dǎo)體材料，它們的禁帶寬度差將對(duì)HBT的電流增益造成影響，當(dāng)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)αT非常接近1時(shí)，共射電流增益可表示為異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)是指晶體管中的一個(gè)或兩個(gè)結(jié)由不同的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成。HBT的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射效率較高，其應(yīng)用基本上與雙極型晶體管相同，但HBT具有較高的速度，可以工作在更高的頻率。因?yàn)槠渚哂羞@些特性，HBT在光電、微波和數(shù)字應(yīng)用上非常受歡迎。如在微波應(yīng)用方面，HBT常被用來制造固態(tài)微波及毫米波功率放大器、震蕩器和混頻器。HBT的電流增益

：

異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管

發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少子濃度可寫為

對(duì)n-p-n型晶體管，將代入可得異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管發(fā)射區(qū)少子濃度。對(duì)于同質(zhì)結(jié)晶體管，可通過重?fù)诫s發(fā)射區(qū)以減小其數(shù)值基區(qū)少子濃度。對(duì)于同質(zhì)結(jié)晶體管，可通過輕摻雜發(fā)射區(qū)以增加其數(shù)值發(fā)射區(qū)禁帶寬度。對(duì)于異質(zhì)結(jié)晶體管，EgE與pEO成反比，增大EgE使pEO數(shù)值減小，以增大和β0基區(qū)禁帶寬度。對(duì)于異質(zhì)結(jié)晶體管，EgB與np0成反比，減小EgB使np0數(shù)值增大，以增大和β0因此，由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)半導(dǎo)體材料的不同，它們的禁帶寬度差將對(duì)HBT的電流增益造成影響，且異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管

注意：發(fā)射區(qū)為寬禁帶、基區(qū)為窄禁帶半導(dǎo)體材料，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)電流增益的提高。一般情況下，異質(zhì)結(jié)晶體管的發(fā)射區(qū)和基區(qū)材料間具有很大的禁帶寬度差ΔEg，發(fā)射效率和共射電流增益β0可以提到很高。而同質(zhì)結(jié)晶體管并無禁帶寬度差存在，必須將發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度比提到很高，這是同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管最基本的不同處。大部分HBT的技術(shù)都是在AlxGa1-xAs/GaAs材料系統(tǒng)中發(fā)展的，右圖是一個(gè)基本n-p-n型HBT結(jié)構(gòu)。

n型發(fā)射區(qū)是以寬禁帶的AlxGa1-xAs組成，為了形成歐姆接觸，在發(fā)射區(qū)接觸和砷化鋁鎵層之間加了一層高摻雜濃度的n+型砷化鎵。p+型基區(qū)是以窄禁帶的GaAs組成。

n型集電區(qū)和n型次集電區(qū)分別以低摻雜濃度和高摻雜濃度的GaAs組成?；綡BT結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管發(fā)射區(qū)和基區(qū)間的能帶差在異質(zhì)結(jié)界面上造成了一個(gè)能帶偏移。事實(shí)上，HBT優(yōu)異的特性是直接由價(jià)帶在異質(zhì)界面處的不連續(xù)所造成的。ΔEV增加了射基異質(zhì)結(jié)處價(jià)帶勢(shì)壘的高度，此效應(yīng)使得HBT不必像同質(zhì)結(jié)晶體管那樣必須降低基區(qū)摻雜濃度以保證發(fā)射區(qū)和基區(qū)較高的摻雜濃度比，HBT可以使用較高摻雜濃度的基區(qū)，而同時(shí)維持極高的發(fā)射效率和電流增益；基區(qū)的高摻雜濃度可降低基區(qū)的方塊電阻，且基區(qū)可以做得很薄而不需擔(dān)心穿通效應(yīng)。穿通效應(yīng)是指集基結(jié)的耗盡層往基極延伸，最后與射基結(jié)的耗盡層接觸的現(xiàn)象。窄基區(qū)寬度可以降低基區(qū)渡越時(shí)間τB

，且增加截止頻率，這正是人們期望的特性。異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管HBT表現(xiàn)出的性能優(yōu)勢(shì)：二、硅/硅鍺(Si/SiGe)系異質(zhì)結(jié)，此系統(tǒng)有幾項(xiàng)特性在HBT的應(yīng)用中非常具有吸引力。如同砷化鋁鎵/砷化鎵HBT，硅/硅鍺HBT也因禁帶寬度差可重?fù)诫s基區(qū)而具有高速能力。硅界面具有低陷阱密度的特性，可以減少表面復(fù)合電流，確保在低集電極電流時(shí)，仍可維持高的電流增益。可與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝技術(shù)相容。不足之處：與砷化鎵系和磷化銦系HBT相比，截止頻率低。(硅的載流子遷移率較低造成)一、磷化銦(InP)系(InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs)異質(zhì)結(jié)構(gòu)有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。InP/InGaAs結(jié)構(gòu)具有非常低的表面復(fù)合，而且InGaAs的電子遷移率較GaAs高出很多，使基區(qū)渡越時(shí)間τB大大降低，具有相當(dāng)優(yōu)異的高頻性能，其截止頻率可高達(dá)254GHz。InP集電極在強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)比GaAs集電極具有更高的漂移速率，提高信號(hào)傳輸速度。InP集電極擊穿電壓亦比GaAs集電極高，抗擊穿性能強(qiáng)。先進(jìn)的HBT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管2.制作緩變基區(qū)，以將由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的禁帶寬度減小。將基區(qū)AlxGa1-xAs中的Al的摩爾比率x由0.1~0作線性變化就可以實(shí)現(xiàn)緩變基區(qū)。其中存在一內(nèi)建電場(chǎng)Ebi于準(zhǔn)中性基區(qū)內(nèi)，降低少子的基區(qū)渡越時(shí)間τB，增加了HBT的共射電流增益與截止頻率。在前面基本HBT的能帶圖中，導(dǎo)帶上的能帶不連續(xù)ΔEC迫使異質(zhì)結(jié)中的載流子必須以熱電子發(fā)射或隧穿的方法才能越過勢(shì)壘，因而降低發(fā)射效率和集電極電流，是我們所不希望的。此缺點(diǎn)的克服由如下方式達(dá)到：1.制作緩變層異質(zhì)結(jié)，消除ΔEC，下圖顯示一緩變層加在射基異質(zhì)結(jié)中的能帶圖，緩變層的厚度為Wg。先進(jìn)的HBT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管一個(gè)四層p-n-p-n器件，由3個(gè)串接的p-n結(jié)J1、J2、J3組成。與接觸電極相連的最外一p層稱為陽極，另一邊的n層稱為陰極。這個(gè)沒有額外電極的結(jié)構(gòu)是個(gè)兩瑞點(diǎn)的器件，被稱為p-n-p-n二極管。在p-n-p-n二極管的基礎(chǔ)上，在內(nèi)層的p2層上引出第三端電極，構(gòu)成的三端點(diǎn)器件一般稱為可控硅器件。引出的第三端電極為柵極。可控硅器件的用途：1.是一種非常重要的功率器件，對(duì)電流、電壓的控制范圍很廣，可控制高電壓(額定電壓可超過10000V)和高電流(額定電流超過5000A)；2.用于開關(guān)控制，即：使器件從關(guān)閉或是阻斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟或是導(dǎo)通的狀態(tài)，反之亦然；3.其工作與雙極型晶體管的相同之處：傳導(dǎo)過程皆牽涉到電子和空穴，不同之處：開關(guān)機(jī)制和結(jié)構(gòu)。基本特性

：可控硅器件及相關(guān)功率器件

制作過程：圖(b)是一典型的可控硅器件摻雜濃度分布圖，首先選一高阻值的n型硅片當(dāng)作起始材料(n層)，再以一擴(kuò)散步驟同時(shí)形成p1和p2層，最后用合金或擴(kuò)散，在硅片的一邊形成n2層。能帶圖：圖(c)是可控硅器件在熱平衡狀態(tài)下的能帶圖；其中每一個(gè)結(jié)都有耗盡層，其內(nèi)建電勢(shì)由摻雜濃度決定?？煽毓杵骷跋嚓P(guān)功率器件

AK1J2J3J1p2p1n2n2010201020102010陰極陽極（a）0=xWx=摻雜濃度VECECEVE)(b)(c(1)-(2)：器件處于負(fù)電阻區(qū)域，也就是電流隨電壓急驟降低而增加。(2)-(3)：器件處于正向?qū)ɑ蜷_啟狀態(tài)，具有低阻抗，在點(diǎn)2處dV/dI=0，定義保持電流Ih和保持電壓Vh。(0)-(4)：器件處于反向阻斷狀態(tài)。(4)-(5)：器件處于反向擊穿狀態(tài)。p-n-p-n二極管電流-電壓特性，其展現(xiàn)出五個(gè)不同的區(qū)域：(0)-(1)：器件處于正向阻斷或是關(guān)閉狀態(tài)，具有很高的阻抗；正向轉(zhuǎn)折(或開關(guān))發(fā)生于dV/dI＝0；在點(diǎn)1定義正向轉(zhuǎn)折電壓VBF和開關(guān)電流Is。高阻抗低電流的關(guān)閉狀態(tài)低阻抗高電流的開啟狀態(tài)可控硅器件及相關(guān)功率器件

因此，p-n-p-n二極管在正向區(qū)域是個(gè)雙穩(wěn)態(tài)器件：p-n-p-n二極管可視為用特殊方式連接在一起的pnp(a1)和npn(a2)晶體管，基極連接對(duì)方的集電極。pnp晶體管(共基電流增益為α1)的基極電流為：npn晶體管(共基電流增益為α2)的基極電流為：Ep1p2n1p2n2n1BCEBCII(a1)(a2)RIB1=IC2IC