半导体器件物理(第四章-双极型晶体管及其特性)

Ge-NbWPPjexjcxIn合金结三个区的杂质分布是均匀的，其发射结和集电结都是突变结，发射区和集电区的杂质浓度远远大于基区的杂质浓度。4.1晶体管结构与工作原理DANNPN-319cm10-318cm10-315cm10jexbjeWx0xP2.平面管CAlbWE2SiOPNNjcxBBNjexjex0xADNNjcxPNN三个区域的杂质分布是不均匀的。由于此晶体管的基区和发射区是由两次扩散工艺形成的，因此称为双扩散管。4.1晶体管结构与工作原理4.1晶体管结构与工作原理4.1.2晶体管的电流传输1.晶体管的载流子分布CBOnCCIII2.晶体管的载流子传输ECnEIBnCIpEICBOIBIVRIEUCUEICI1x2x3x4x1.发射区注入nEpEEIIICBOVRpEBIIIICBOnCCIII2.基区输运3.集电结收集4.1晶体管结构与工作原理4.1晶体管结构与工作原理CBEIII三极电流关系对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此EnEnCIII4.1晶体管结构与工作原理4.1.3晶体管的直流电流放大系数NPBNEICIBIECECII01.电流放大系数定义和电流放大能力α0反映出发射极输入电流IE中有多大比例传输到集电极成为输出电流IC，或者说由发射极发射的电子有多大比例传输到集电极。由于前面讲到的传输过程中的两次损失，α0总是小于1。（1）共基极直流电流放大系数α0EnEII要提高发射效率，就是要使发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，这样发射区注入到基区的电子电流就远远大于基区注入到发射区的空穴电流，发射效率很接近于1。nEpEpEnEnEIIIII11发射效率γ0基区输运系数nEnCII*0nEVRnEVRnEIIIII1*0可见，减小基区体内复合电流IVR是提高基区输运系数的有效途径，而主要措施是减薄基区宽度W，使基区宽度远小于电子在基区的扩散长度。4.1晶体管结构与工作原理4.1晶体管结构与工作原理*00onEnCEnEEnCECIIIIIIII虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。（2）共发射极直流电流放大系数BCII0NPNEIBICICBE00011ECECCECBCIIIIIIIII（3）α0和β0的关系（4）晶体管的放大能力和具备放大能力的条件β0一般在20-200之间，所以IB的微小变化将引起IC的很大变化，也就是说晶体管具有电流放大能力。晶体管要具有放大能力，必须具有哪些条件？4.1晶体管结构与工作原理1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，以保证发射效率γ0很接近于1.2）基区宽度Wb远小于LnB，保证基区输运系数很接近于1。3）发射结正偏，使电子从发射区注入基区；集电极反偏，将电子从基区收集到集电区。4.1晶体管结构与工作原理4.1晶体管结构与工作原理2.缓变基区晶体管的电流放大系数（1）基区晶体管中存在的自建电场P型x()Nx()bNx()bPxE等效正电荷区等效负电荷区基区存在杂质浓度梯度，同时基区多数载流子空穴也存在浓度梯度，因此就要往浓度低的方向扩散，其结果破坏了基区的电中性条件，使基区靠近发射区的一侧带负电，靠近集电区的一侧带正电，这样就形成一个自右向左的电场。平衡时该电场作用下的空穴漂移电流和空穴扩散电流大小相等、方向相反，相互抵消，这种平衡时的基区电场称为自建电场。（2）缓变基区晶体管的电流密度bEWbkTqVinbenExxNenqDAI02d)(1kTqVejeipeekTqVejepeepEEEeNxnDqAepxDqAI20kTqVnbbbenbbbeVREenqWAnqWAI204.1晶体管结构与工作原理（3）缓变基区晶体管的发射效率方块电阻的概念aaxWIWaWaRS它的大小决定于单位面积薄层中所含的杂质总量。若薄层内杂质分布不均匀：WRS4.1晶体管结构与工作原理发射效率jebbeSbSexWRR11114.1晶体管结构与工作原理（4）缓变基区晶体管的基区输运系数222*041411nbbnbnbbnEVRLWDWII（5）缓变基区晶体管的电流放大系数)41(1122*000nbbSbSeLWRR可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外，提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流放大系数。4.2晶体管的直流特性4.2.1晶体管的伏安特性曲线mA/EIV/BEUV10CBUV5V002.04.06.08.0共基极输入特性曲线共基极输入特性曲线实际就是正向PN结的特性曲线，由于基区宽变效应，输入特性曲线随UCB增大而右移1.共基极晶体管特性曲线2468010V/CBUmA/CI12345mA5EImA5mA4mA2mA1mA0CBOECIII共基极输出特性曲线μA/BIV/BEUV0EVV502.04.06.08.020406080CBOI1.共发射极晶体管特性曲线共发射极输入特性曲线输入特性曲线与正向PN结伏安特性相似。当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，IB也就减少。所以，特性曲线随VCE的增加而右移。4.2晶体管的直流特性CEOBCIII共发射极输出特性曲线2468010V/CEUmA/CIμA50BI246810μA30μA20μA10μA0μA40注意：基区宽变效应使输出特性曲线微微上翘。4.2晶体管的直流特性4.2晶体管的直流特性4.2.2晶体管的反向电流NPNCBECBOIEBCNNPEBOI1.ICBO和IEBOICBO和IEBO与第二章讨论的PN结反向饱和电流没什么区别，理论上由反向扩散电流和反向势垒产生电流两部分组成。但是，实际上晶体管的反向扩散电流和反向势垒产生电流都很小，引起反向电流过大的原因往往是表面漏电流太大。4.2晶体管的直流特性NPNCBECEOI2.ICEOCBOnCIICBOnCCBOCEOIIII)1(式中的β是集电极电流为ICEO时的小电流放大系数，比正常工作时的β要小得多。因此，一般来讲ICEO比ICBO大不了多少。4.2晶体管的直流特性4.2.3晶体管的击穿电压1.BUCBO和BUEBOBUEBO是集电极开路时，发射极与基极间的击穿电压，他由发射结的雪崩击穿电压决定。对于平面管来说，由于发射结由两次扩散形成，表面处结两边杂质浓度最高，因此雪崩击穿电压在结侧面最低。BUCBO是发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压，一般为集电结雪崩击穿电压。如果是外延平面管，当外延层厚度小于在击穿电压下的势垒区宽度时，击穿电压将降低。则外延层总厚度至少应为：xxxWmBjcC4.2晶体管的直流特性2.BUCEOnCBOCEOBVBV式中n为常数。集电结低掺杂区为N型时，硅管n=4，锗管n=3。集电结低掺杂区为P型时，硅管n=2，锗管n=6。BUCEO是基极开路时，集电极与发射极间的击穿电压，有下列关系式：4.2.4晶体管的穿通电压CEPNNBBN当有些晶体管b、c之间加了太高的反向电压，虽然还没有引起它的击穿，但会引起势垒穿通现象，这时电流IC也会突然增大，特性曲线会显示出和击穿时差不多的图形。随着集电结反向电压的升高，它的势垒向两边扩展，使基区有效宽度减小。在一般双扩散型晶体管中，因为基区杂质浓度比集电区高，集电结势垒区主要向集电区扩展，而向基区扩展的比较少，不容易和发射结势垒区相连。但是，由于材料缺陷或者工艺不良等原因，发射结结面会出现尖峰，该处的基区宽度较小，这样局部穿通就有可能发生。4.2晶体管的直流特性4.3晶体管的频率特性4.3.1晶体管的频率特性和高频等效电路1.晶体管的频率特性和频率参数dB/,10010203040TffdB3dB3ff当晶体管工作频率高到一定程度时，电流放大系数将随工作频率的升高而下降，同时也发生了相移。如图为幅频特性曲线的示意图，反映了晶体管的放大倍数随频率变化的大致情况。为了表示晶体管频率特性的这种区别，在生产和应用中采用了一系列的“频率参数”：α截止频率fα，β截止频率fβ，特征频率fT，最高振荡频率fm。4.3晶体管的频率特性2.共基极高频等效电路eibieicrcsrcCCEBereCbrciesr为分析问题方便，常常用电阻、电容、恒流源构成的线性电路来等效晶体管的放大与输入、输出特性。应当注意，用线性电路来表示非线性的晶体管，只有在晶体管的输入、输出信号都比较小的条件下才成立。4.3晶体管的频率特性4.3.2高频时晶体管电流放大系数下降的原因1.发射结势垒电容充放电效应对电流放大系数的影响neierTeC'neiCTeiTeeTeeTeneneCrCrCiij11j1j1'TeeCrj110eTeeCr发射极延迟时间交流发射效率2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响4.3晶体管的频率特性bj11*0*DeebCrnbbbDW2发射结扩散电容的充放电时间常数τb也可称为基区渡越时间，意思就是电子穿越基区所用的时间，τb和基区宽度以及电子在基区的扩散速度有关。交流基区输运系数β*的分析计算的方法和交流发射效率γ完全一样4.3晶体管的频率特性3．集电结势垒区渡越过程对电流放大系数的影响mmsvxdsdj112j11集电结空间电荷区输运系数：2sd集电结空间电荷区延迟时间载流子以极限速度穿过集电结势垒区所需的时间为4.3晶体管的频率特性4.集电结势垒电容充放电效应对电流放大系数的影响eicrcsrTcCCBcinciCTcicTccsCTccccjCriii11j11TccscCr集电区衰减因子集电极延迟时间4.3晶体管的频率特性4.3.3晶体管的电流放大系数1.共基极交流电流放大系数)1)(1)(1)(1(*00*cdbecdjjjje00000j21j1)(j1fecdbe021efffj10特征频率4.3晶体管的频率特性2.共发射极交流电流放大系数1)1(j100ff)(j100ff2)(j1000ff0ffffj10直流情况下的关系式近似成立可见，共基极电路比共发射极电路频带更宽，常见于宽频和高频电路中。4.3晶体管的频率特性4.3.4晶体管的极限频率参数1.特征频率112120ffT112020ffT11200021eTfffffff021201Tfff0当工作频率远大于fβ时，工作频率和电流放大系数的乘积是一个常数。可以作为选用晶体管的一个重要参数，也可以用于测量。增益带宽积4.