吉林大学半导体器件物理第三章-第一部分.

第三章双极结型晶体管第三章双极结型晶体管发展历史1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-BellLab.(Bardeen、Shockley、Brattain)1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-BellLab.(Shockley)1951年制造出第一只锗结型晶体管-BellLab.(Shockley)1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（TI）1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学高鼎三）1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产3.1双极结型晶体管的结构3.1双极结型晶体管的结构EECC发射区集电区基区NNp（a）CB发射区集电区基区ppN（c）BC（b）BE（d）BE图3-2（a）理想的一维NPN双极结晶体管，（b）图（a）的电路符号（c）理想的一维PNP双极结晶体管，（d）图（c）的电路符号3.1双极结型晶体管的结构3.1双极结型晶体管的结构•芯片是通过以下步骤制造出来的1)衬底制备衬底为低阻N型硅，电阻率在左右，沿（111）面切成厚约的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。2)外延外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。3)一次氧化高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。4)光刻硼扩散窗口cm001.0m4003.1双极结型晶体管的结构•芯片是通过以下步骤制造出来的5)硼扩散和二次氧化硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散，并起钝化作用。6)光刻磷扩散窗口7)磷扩散和三次氧化磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。8)光刻发射极和基极接触孔9)蒸发铝10)在铝上光刻出电极图形3.2基本工作原理3.2基本工作原理•双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令，，分别为基极对发射极和基极对集电极的电压。则四种工作模式是：EBBEEVVVVCBBCCVVVV（1）正向有源模式：0，0；（2）反向有源模式：0，0；（3）饱和模式：0，0；（4）截止模式：0，0。EVCVEVEVEVCVCVCV3.2基本工作原理共基极连接晶体管的放大作用晶体管共基极放大电路图3-6（a）NPN3.2基本工作原理共基极连接晶体管的放大作用BEqVBCqVEBC（b）图3-6（b）NPN晶体管共基极能带图3.2基本工作原理•电流分量3.2基本工作原理•电流分量是从发射区注入到基区中的电子流。是到达集电结的电子流。是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是从基区注入到发射区的空穴电流是发射结空间电荷区内的复合电流。是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流。nEInCInCnEIIpEIrgI0CI3.2基本工作原理•电流分量rgpEnEEIIII0CnCnErgpEBIIIIII0CnCCIII0BCEIII（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）3.2基本工作原理•电流增益为描述晶体管的增益特性引进以下物理量发射极注射效率（3-5）（3-7）基区输运因子共基极直流电流增益nEnEEnEpErgIIrIIIITnCTnEIIEccIII0（3-6）3.2基本工作原理•电流增益显然（3-8）（3-10）利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成考虑到集电结正反两种偏压条件的完全表达式为TrgpEnEnCIIII0CECIII（3-9）CI01CTVVCECIIIe3.2基本工作原理VCB（V）0246810IC（mA）246810mAIE0106842有源区饱和区截止区IC（mA）02468100246810VCE（V）AIB0125751005025（a）（b）图3-8集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形3.2基本工作原理式中定义共发射极接法0CBCCIIII（3-11）0011CEBFECBCIIhIII（3-12）1FEh100CCEII（3-13）（3-14）3.2基本工作原理•小结概念：发射极注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益介绍了典型BJT的基本结构和工艺过程。介绍了BJT的四种工作模式。画出了BJT电流分量示意图，给出了各极电流及其相互关系公式〔公式（3-1）－（3-4）分别用能带图和载流子输运的观点解释了BJT的放大作用。BJT具有放大作用的关键在于两个PN结靠得足够近即基区宽度远远小于少子的扩散长度。给出了理想BJT共基极连接集电极电流与集电压关系曲线和共发射极连接集电极电流与集电极－发射极间的电压关系曲线。3.2基本工作原理•教学要求掌握四个概念：发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益了解典型BJT的基本结构和工艺过程。掌握BJT的四种工作模式。画出BJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。分别用能带图和载流子输运的观点解释BJT的放大作用。为什么公式（3-9）可以写成公式（3-10）。解释理想BJT共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。解释理想BJT共发射极连接正向有源模式下集电极电流与集电极－发射极间的电压无关的现象。解释理想BJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。作业：3.13.3理想双极结型晶体管中的电流传输3.3理想双极结型晶体管中的电流传输•3.3.1电流传输理想晶体管的主要假设及其意义：（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2）结是理想的平面结，载流子作一维运动；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流子运动是一维的；（4）基区宽度远小于少子扩散长度；（5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；（6）发射结面积和集电结面积相等；（7）小注入，等等3.3理想双极结型晶体管中的电流传输•3.3.1电流传输adNNxEW0BxCx图3-10各区均匀掺杂NPN晶体管的杂质分布Ex图3-10是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。3.3理想双极结型晶体管中的电流传输一、电流传输中性基区（0）少子电子分布及其电流：边界条件为：xBx0022npppnnndxndDTEVVppenn00TCVVpBpenxn0nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh10（3-16）（3-17）（3-18）3.3理想双极结型晶体管中的电流传输•电子电流（3-16）（3-19）（3-20）0xpnnEdxxdnqADI1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（BxxpnnCdxxdnqADI0111sinh()CTETnpVVVVBBnnnDnxqAecthexLLL3.3理想双极结型晶体管中的电流传输二、发射区少子空穴分布及其电流：边界条件：（3-21）（3-23a）TEVVEEEepWp00EEEpxppEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh1003.3理想双极结型晶体管中的电流传输若，（3-23a）式可以写作：（3-23b）（3-24）ExpELEVVEEExxeppxpTE1100空穴电流为：12TEVVEdEipEexNnqAD0011ETEVVEEEEEWxpxppexW1ETEOVVpEEpEEPIWqADex3.3理想双极结型晶体管中的电流传输三、集电区少子空穴分布及其电流边界条件：（3-23）（3-26）TCVVCCCepxp00CCpppCCTCLxxVVCCCeeppxp10001CpCCTxxLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCTxxLVVipCdCpCnqADeeNL（3-25）3.3理想双极结型晶体管中的电流传输•3.3.2正向有源模式一、少数载流子分布在的情况下，（3-27a）式简化nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinhsinhsinh1000（3-27a）nBLxBVVppxxenxnTE10（3-27b）3.3理想双极结型晶体管中的电流传输•3.3.2正向有源模式图3-11正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布3.3理想双极结型晶体管中的电流传输二、电流分量基区电子电流：（3-28）10TEVVnBnpnnEeLxcthLnqADI1csc0TEVVnBnpnnCeLxhLnqADI（3-29）nBTLxhsec若BxnL12TEVVBainnEexNnqADI22211nBTLx（3-30）（3-31）（3-32）3.3理想双极结型晶体管中的电流传输空穴电流（3-24）（3-33）正偏压发射结空间电荷区复合电流：（3-34）12TEVVEdEipEpEexNnqADI20CipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL/202ETVViErgqAnWIe3.3理想双极结型晶体管中的电流传输（3-35）（3-36）rgnCnEpEBIIIIITEVVBeI2220(1)22ETETVVVVnBPEEidEEaniDxDWqAneeNxNLn3.3理想双极结型晶体管中的电流传输晶体管的输出特性曲线图3-12NPN晶体管的静态电流电压特性3.3理想双极结型晶体管中的电流传输三、共发射极电流增益CBFEIIh1CrgCnCnECpEFEIIIIIIIh1（3-37）TEVVinEBanBnEdEpEBaFEenDWxNLxDxNDxNh20221223.3理想双极结型晶体管中的电流传输四、共发射极电流增益与工作电流的关系图3-13电流增益对集电结电流的依赖关系10-910-110-710-510-310210110010-1hFEAIC3.3理想双极结型晶体管中的电流传输小结在一般情况下，解发射区、基区、集电区少子扩散方程求出少子分布基区少子电子分布发射区少子空穴分布nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh10（3-18）pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh100（3-23a）3.3理想双极结型晶体管中的电流传输小结若ExpELEVVEEExxeppxpTE1100（3-23b）集电区少子空穴分布TCVVCCCepxp00CCpppCCTCLxxVVCCCeeppxp100（3-22）（3-25）3.3理想双极结型晶体管中的电流传输小结导出了少子电流公式(1)基区电子