尼曼-半導(dǎo)體物理與器件第十二章課件

高等半導(dǎo)體物理與器件

第十二章雙極晶體管0

高等半導(dǎo)體物理與器件

第十二章雙極晶體管0主要內(nèi)容雙極晶體管的工作原理少子的分布低頻共基極電流增益非理想效應(yīng)等效電路模型頻率上限大信號(hào)開關(guān)小結(jié)1主要內(nèi)容雙極晶體管的工作原理1晶體管基本工作原理：在器件的兩個(gè)端點(diǎn)之間施加電壓，從而控制第三端的電流。最基本的三種晶體管：雙極晶體管、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管。雙極晶體管：在此器件中包含電子和空穴兩種極性不同的載流子運(yùn)動(dòng)。雙極晶體管中有2個(gè)pn結(jié)，結(jié)電壓的正負(fù)情況可以有多種組合，導(dǎo)致器件有不同的工作模式。是一種電壓控制的電流源。兩種等效電路模型，適用于不同的情況。2晶體管基本工作原理：在器件的兩個(gè)端點(diǎn)之間施加電壓，從而控制第12.1雙極晶體管的工作原理三個(gè)摻雜不同的擴(kuò)散區(qū)、兩個(gè)pn結(jié)三端分別為發(fā)射極（E）、基極（B）、集電極（C）相對于少子擴(kuò)散長度，基區(qū)寬度很小發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，集電區(qū)摻雜濃度最低pn結(jié)的結(jié)論將直接應(yīng)用于雙極晶體管的研究雙極晶體管不是對稱器件，包括摻雜濃度和幾何形狀312.1雙極晶體管的工作原理3(a)npn型(b)pnp型雙極晶體管的簡化結(jié)構(gòu)圖及電路符號(hào)(a)集成電路中的常規(guī)npn型雙極晶體管(b)氧化物隔離的npn型雙極晶體管截面圖4(a)npn型(b)pnp型雙極晶體管的簡化結(jié)構(gòu)圖及電路符號(hào)第十二章雙極晶體管（1）基本工作原理均勻摻雜的npn型雙極晶體管的理想化摻雜濃度分布圖(a)npn型雙極晶體管工作在正向有源區(qū)的偏置情況(b)工作于正向有源區(qū)，npn型雙極晶體管中少子的分布(c)零偏和正向有源區(qū)時(shí)，npn型雙極晶體管的能帶圖圖中顯示了正向有源模式下電子從n型發(fā)射區(qū)注入（因此稱為發(fā)射區(qū)）和電子在集電區(qū)被收集（因此稱為集電區(qū)）的截面圖B-E結(jié)正偏，B-C結(jié)反偏（正向有源模式）-共基B-E結(jié)正偏：電子從發(fā)射區(qū)越過發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)；B-C結(jié)反偏：理想情況下B-C結(jié)邊界處，少子電子的濃度為零。圖(b)中電子濃度梯度標(biāo)明：發(fā)射區(qū)注入的電子會(huì)越過基區(qū)擴(kuò)散到B-C結(jié)的空間電荷區(qū)，那里的電場會(huì)把電子掃到集電區(qū)。為了使盡可能多的電子到達(dá)集電區(qū)，而不是和基區(qū)多子空穴復(fù)合；與少子電子擴(kuò)散長度相比，基區(qū)寬度必須很小。當(dāng)基區(qū)寬度很小時(shí)，少子電子濃度是B-E結(jié)電壓和B-C結(jié)電壓的函數(shù)。兩個(gè)結(jié)距離很近——互作用pn結(jié)。npn型雙極晶體管的橫截面圖5第十二章雙極晶體管（1）基本工作原理均勻摻雜的npn型雙極（2）晶體管電流的簡化表達(dá)式短基區(qū)理想情況下，基區(qū)少子電子濃度是基區(qū)寬度的線性函數(shù)，表明沒有復(fù)合發(fā)生。電子擴(kuò)散過基區(qū)，后被B-C結(jié)空間電荷區(qū)電場掃入集電區(qū)。6（2）晶體管電流的簡化表達(dá)式短基區(qū)理想情況下，基區(qū)少子電子濃集電極電流：擴(kuò)散電流晶體管基本工作原理：器件一端的電流由加到另外兩端的電壓控制集電極電流基極和發(fā)射極間的電壓7集電極電流：擴(kuò)散電流晶體管基本工作原理：器件一端的電流由加到發(fā)射極電流：α稱為共基極電流增益。該增益盡可能接近1?？偟陌l(fā)射極電流為：一部分電流是發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子電流，即iC。另一部分電流是正偏B-E結(jié)電流，即iE2。8發(fā)射極電流：α稱為共基極電流增益。該增益盡可能接近1?？偟陌l(fā)基極電流：β為共發(fā)射極電流增益，其值遠(yuǎn)大于1（數(shù)量級(jí)為100或更大）?？偟幕鶚O電流為：一部分電流iBa是B-E結(jié)電流，即iE2。另一部分是基區(qū)空穴復(fù)合電流，記為即iBb。直接依賴于基區(qū)中少子電子的數(shù)量。9基極電流：β為共發(fā)射極電流增益，其值遠(yuǎn)大于1（數(shù)量級(jí)為100（3）工作模式①B-E反偏，B-C反偏：截止。②B-E正偏，B-C反偏：正向有源區(qū)。③B-E正偏，B-C正偏：飽和。④B-E反偏，B-C正偏：反向有源區(qū)。共射10（3）工作模式①B-E反偏，B-C反偏：截止。共射10雙極晶體管和其他元件相連，可實(shí)現(xiàn)電壓、電流放大。正向有源區(qū)，電壓增益，電壓放大器共射（4）雙極晶體管放大電路11雙極晶體管和其他元件相連，可實(shí)現(xiàn)電壓、電流放大。共射（4）雙12.2少子的分布雙極晶體管的電流是由少子的擴(kuò)散決定的。1212.2少子的分布雙極晶體管的電流是由少子的擴(kuò)散決定的。1（1）正向有源模式：B-E結(jié)正偏，B-C結(jié)反偏均勻摻雜npn雙極晶體管。單獨(dú)考慮每個(gè)區(qū)域時(shí)，將起點(diǎn)移到空間電荷區(qū)邊界，采用正的坐標(biāo)值。中性集電區(qū)長度比集電區(qū)內(nèi)少子擴(kuò)散長度大得多。中性發(fā)射區(qū)有限長，假設(shè)x′=xE處表面復(fù)合速率無限大，即此處過剩少子濃度為零。13（1）正向有源模式：B-E結(jié)正偏，B-C結(jié)反偏均勻摻雜npn①基區(qū)穩(wěn)態(tài)下，過剩少子電子濃度可通過雙極輸運(yùn)方程得到。中性區(qū)，電場為零，無過剩載流子產(chǎn)生，穩(wěn)態(tài)下輸運(yùn)方程通解表示為B-E結(jié)正偏邊界條件：B-C結(jié)反偏通過線性近似得：14①基區(qū)通解表示為B-E結(jié)正偏邊界條件：B-C結(jié)反偏通過線性近②發(fā)射區(qū)同樣，使用穩(wěn)態(tài)下過剩少子的雙極輸運(yùn)方程通解表示為B-E結(jié)正偏邊界條件：x′=xE處，表面復(fù)合速度無限大通過線性近似得：15②發(fā)射區(qū)通解表示為B-E結(jié)正偏邊界條件：x′=xE處，表面復(fù)③集電區(qū)穩(wěn)態(tài)下過剩少子輸運(yùn)方程通解表示為集電區(qū)無限長邊界條件：B-C結(jié)反偏集電區(qū)過剩少子濃度：16③集電區(qū)通解表示為集電區(qū)無限長邊界條件：B-C結(jié)反偏集電區(qū)過1717（2）其他工作模式（a）截止：B-E結(jié)，B-C結(jié)均反偏，空間電荷區(qū)邊界少子濃度均為零。（b）飽和：B-E結(jié)，B-C結(jié)均正偏，空間電荷區(qū)邊界存在過剩少子。18（2）其他工作模式（a）截止：B-E結(jié)，B-C結(jié)均反偏，空間反向有源區(qū)：B-E結(jié)反偏，B-C結(jié)正偏。與正向有源區(qū)中的發(fā)射極、集電極電流反向。由于B、E區(qū)相對摻雜濃度和B、C區(qū)相對摻雜濃度不同，非幾何對稱，兩者的特性大不相同。19反向有源區(qū)：B-E結(jié)反偏，B-C結(jié)正偏。1912.3低頻共基極電流增益npn型晶體管，正向有源區(qū)，粒子流密度和粒子流成分從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子流到達(dá)集電區(qū)的電子流從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴流正偏B-E結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電子流反偏B-C結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生空穴流B-C結(jié)的反向飽和電流基區(qū)復(fù)合時(shí)需要補(bǔ)充的空穴流2012.3低頻共基極電流增益npn型晶體管，正向有源區(qū)，粒子流入基區(qū)補(bǔ)充因復(fù)合而消失的空穴流發(fā)射區(qū)x′=0處少子空穴擴(kuò)散電流正偏B-E結(jié)中載流子復(fù)合電流基區(qū)x=0處少子電子擴(kuò)散電流基區(qū)x=xB處少子電子擴(kuò)散電流反偏B-C結(jié)中產(chǎn)生電流反偏B-C結(jié)飽和電流21流入基區(qū)補(bǔ)充因復(fù)合而消失的空穴流發(fā)射區(qū)x′=0處少子空穴擴(kuò)小信號(hào)或是正弦信號(hào)的共基極電流增益發(fā)射極注入效率系數(shù)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)復(fù)合系數(shù)考慮了發(fā)射區(qū)中的少子空穴擴(kuò)散電流對電流增益的影響?？紤]了基區(qū)中過剩少子電子的復(fù)合的影響。考慮了正偏B-E結(jié)中的復(fù)合的影響。22小信號(hào)或是正弦信號(hào)的共基極電流增益發(fā)射極注入效率系數(shù)基區(qū)輸運(yùn)12.4非理想效應(yīng)（1）基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（厄爾利效應(yīng)）B-C結(jié)反偏電壓增加B-C結(jié)空間電荷區(qū)寬度增加基區(qū)擴(kuò)散區(qū)寬度減小少子濃度梯度增加集電極電流增加2312.4非理想效應(yīng)（1）基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（厄爾利效應(yīng)）B-IC受VBE控制，因此兩者有一對應(yīng)關(guān)系理想情況下，Ic與VBC無關(guān)（上圖中曲線斜率為零）由于存在基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，上圖中曲線傾斜厄爾利電壓（|VA|），描述晶體管特性一共有參數(shù)制造誤差引起窄基區(qū)晶體管xB變化，導(dǎo)致IC變化24IC受VBE控制，因此兩者有一對應(yīng)關(guān)系24（2）大注入效應(yīng)大注入晶體管發(fā)生兩種效應(yīng)發(fā)射極注入效率會(huì)降低基區(qū)過剩少子濃度和集電極電流隨B-E結(jié)電壓增大的速度變緩發(fā)射極注入效率系數(shù)左圖為小注入和大注入時(shí)，基區(qū)中少子和多子濃度實(shí)線為小注入，虛線為大注入B25（2）大注入效應(yīng)大注入晶體管發(fā)生兩種效應(yīng)實(shí)線為小注入，虛線為小電流時(shí)增益較?。簭?fù)合系數(shù)較小大電流時(shí)增益下降：大注入效應(yīng)的影響26小電流時(shí)增益較?。簭?fù)合系數(shù)較小26基區(qū)過剩少子濃度和集電極電流隨B-E結(jié)電壓增大的速度變緩小注入基區(qū)空間電荷區(qū)邊界處則大注入np(0)、pp(0)基本處于同一量級(jí)同pn結(jié)二極管中的串聯(lián)電阻效應(yīng)近似27基區(qū)過剩少子濃度和集電極電流隨B-E結(jié)電壓增大的速度變緩小注（3）發(fā)射區(qū)禁帶變窄發(fā)射區(qū)摻雜很高時(shí)，由于禁帶變窄效應(yīng)，使電流增益比預(yù)期小。發(fā)射區(qū)摻雜濃度對基區(qū)摻雜濃度比值增加，發(fā)射極注入效率會(huì)增加并接近于1。28（3）發(fā)射區(qū)禁帶變窄發(fā)射區(qū)摻雜很高時(shí)，由于禁帶變窄效應(yīng)，使電（4）電流集邊效應(yīng)基區(qū)寬度很小（典型值<1微米）基區(qū)電阻相當(dāng)大導(dǎo)致發(fā)射區(qū)下存在橫向電勢差相對于中心，較多電子從邊緣注入發(fā)射極電流集中在邊緣29（4）電流集邊效應(yīng)基區(qū)寬度很?。ǖ湫椭?lt;1微米）29（6）擊穿電壓兩種擊穿機(jī)制：穿通隨著反偏B-C結(jié)電壓的增加，B-C空間電荷區(qū)寬度擴(kuò)展進(jìn)中性基區(qū)中，B-C結(jié)耗盡區(qū)穿透基區(qū)到達(dá)B-E結(jié)。雪崩擊穿30（6）擊穿電壓兩種擊穿機(jī)制：3012.5等效電路模型（1）E-M模型：適用于任何模式E-M模型中定義的電流方向、電壓極性基本E-M模型等效電路3112.5等效電路模型（1）E-M模型：適用于任何模式E-M（2）G-P模型與E-M模型相比，考慮了更多的物理特性，可用于分析基區(qū)為非均勻摻雜的情況。（3）H-P模型小信號(hào)，線性放大電路，正向有源區(qū)H-P等效電路32（2）G-P模型與E-M模型相比，考慮了更多的物理特性，可用12.6頻率上限（1）延時(shí)因子雙極晶體管是一種時(shí)間渡越器件發(fā)射區(qū)到集電區(qū)的總時(shí)間常數(shù)可由4個(gè)相互獨(dú)立的時(shí)間常數(shù)組成（2）晶體管截止頻率電流增益是頻率的函數(shù)α

截止頻率fα：共基極電流增益幅值變?yōu)槠涞皖l值的0.707時(shí)的頻率截止頻率fT：共發(fā)射極電流增益的幅值為1時(shí)的頻率β截止頻率fβ：共發(fā)射極電流增益幅值下降到其低頻值的0.707時(shí)的頻率3312.6頻率上限（1）延時(shí)因子3312.7大信號(hào)開關(guān)（1）開關(guān)特性（a）研究晶體管開關(guān)特性所用的電路（b）驅(qū)動(dòng)晶體管的基極輸入（c）晶體管工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中集電極電流隨時(shí)間的變化輕微正偏延遲時(shí)間B-C反偏，下降時(shí)間上升時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間3412.7大信號(hào)開關(guān)（1）開關(guān)特性（a）研究晶體管開關(guān)特性所（2）肖特基鉗位晶體管（a）肖特基鉗位晶體管（b）電路符號(hào)減小存儲(chǔ)時(shí)間、提高晶體管轉(zhuǎn)換速度的一種常用方法一個(gè)普通npn型晶體管，加一個(gè)肖特基二極管（基極、集電極間）正向有源區(qū)，B-C結(jié)反偏，肖特基二極管反偏，不起作用，普通晶體管飽和區(qū)，B-C結(jié)正偏，肖特基二極管正偏（開啟