半导体器件物理(第五章) 施敏 第二版

第5章双极型晶体管及相关器件5.1晶体管的工作原理5.2双极型晶体管的静态特性5.3双极型晶体管的频率响应与开关特性5.4异质结双极型晶体管5.5可控硅器件及相关功率器件相关主题1双极型晶体管的电流增益工作模式2双极型晶体管的截止频率与开关时间3异质结晶体管的优点4可控硅器件与相关双极型器件的功率处理能力5.1晶体管的工作原理晶体管概念：是一种多重结的半导体器件三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结，浓度最高的p+区称为发射区，中间较窄的n区域，称为基区，浓度最小的p型区域称为集电区。晶体管的发明理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求晶体管的发明1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿第一个点接触式的NPNGe晶体管(transistor)Bardeen,Brattain,andSchockley获1956年诺贝尔物理奖VEC+-基区n集电区p发射区p+++VEBVCBBCE--+-VECIEICECBVEBVBC+-IB理想p-n-p双极型晶体管p-n-p双极型晶体管发射区-VCE+BCEVEBVBC++n+基区p集电区nIEICVCE+-ECB+-IBVBEVCB理想n-p-n双极型晶体管n-p-n双极型晶体管5.1.1工作在放大模式由邻近的射基极注射过来的电子可在反向偏压的集基极造成大电流，这就是晶体管的放大作用，而且，只有当此两结彼此足够接近时才会发生，此两结被称为交互p-n结双极集成电路中元件的形成过程和元件结构BEC典型数字集成电路中NPN晶体管剖面图p+p+n+n-pn+n+p-SiO2BuriedLayerMetalpn-Isolationpn-Isolation集电结外延，发射结离子注入5.1.2电流增益IEIC发射区（p+）基区（n）集电区（p）}IEP}ICPIEnIBBICnIB空穴电流和穴电流电子电流电子流{IE=IEP+IEnIC=ICP+IcnIB=IE-IC=IEn+（IEP-ICP）-ICn共基电流增益0CPCPEPEEPEnEPIIIIIII发射效率EpEpEEpEnIIIII基区输运系数CpTEpII0T综上：所以0ECBOIcII5.2双极型晶体管的静态特性五点假设：•晶体管各区域浓度为均匀掺杂；•基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略；•载流子注入属于小注入；•耗尽区无产生-复合电流；•晶体管中无串联电阻。各区域少数载流子分布p-n-p发射区p+基区n集电区pnEOnE(x)-xE0WXCQBPn(x)Pn(0)nconc(x)PnoQB基极区域发射极和集电极exp1EBnnoqVxpxpkTWxWn（）（）（）=p（0）（1-）[exp1]expexpEBEEEOEOEECCOCOCCqVxxnxnnkTLxxnxnnxxLE（）（）x-x（）=（）c发射极电流1112011012[exp1]EBEPnEEOEPnqVIaakTDpDnaqAWLqADpaW（）（）集电极电流2122021022[exp1]EBCPnPnCCOCqVIaakTqADpaWDpDnaqAWL基极电流11211222[exp1]EBBqVIaaaakT（）（）结极性与少数载流子分布EBCnPpnnP0W放大EBCnP0WPnnP饱和EBC0WnpPnnp截止EBCnP0Wpnnp反转工作模式放大模式射基结正，集基结反饱和模式两结都正向偏压截止模式两结都反向偏压反转模式射基结反，集基结正各模式下的一般表示式11122122exp1exp1exp1exp1CBEBECBEBCqVqVIaakTkTqVqVIaakTkT共基组态输出I-V特性p+npEIE+-BIBVEB+-VCBEBCICP-n-p共基组态C饱和截止ICBO放大IE=6mABVCBO输出电流电压特性共射组态0001CBII00011CBOCBIII001CBOCEOCBCEOIIIII共射组态输出电流-电压特性BE-+VEBIBPnPCBEIEICCEVBE饱和VCB=0IB=25uA截止BVCEOICEOIV厄雷效应VAIBICVCE厄雷电压又称为基区宽度调制效应5.3频率响应与开关特性高频等效电路B`EBCC`EVEBCEBCDgEBrBgmVEBgECrcCCB~~截止频率共基电流增益01/ajff（）共射电流增益0011/1ajffff（）（）特征频率2000011TffffIP=qv（x）p（x）A0022WWBPBPdxqpxAdxvxIWD（）（）（）开关暂态过程VEBVSt0RSVEBIEIBICRLVCC-+PnP+晶体管开关电路IB0t2QB（t2）QSOt1tat2t3tICIC（t1）0t1tat2t3ts基区Pn（x）t2tat1，t3QSt=00w5.4异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管是指晶体管中的一或两个结由不同半导体材料组成，主要优点是发射效率高，具有较高的速度β~(NE/NB)exp(ΔEg/kT)5.5可控硅器件P1n1P2n2J1J2J3aX=0X=wbJ1，J2，J3三个p-n结与接触电极相连的最外层p层称阳极，另一边n层称为阴极。这个没有额外电极的结构是个两端点的器件，被称为p-n-p-n二极管，若另一个称为栅极的电极被连到内层的p层，所构成的三端点器件一般称为半导体控制整流器可控硅器件电流电压特性VBR反向阻断正向导通VBFVAX1IhISVh32正向阻断45双晶体管示意图p1n1p2Cn1p2n2IB1=IC2IC1=IB2EBCBE+-R12121III双向可控硅器件双向可控硅器件是一种在正或负阳极电压下都可开或关的器件，双向p-n-p-n二极管双向交流开关一双向三端点的可控硅器件称为三极交流开关可控硅器件形式传统可控硅器件非对称可控硅器件栅极关闭可控硅器件光感应可控硅器件可控硅器件应用HVDC马达驱动电源供应SMPS高频功率转换照明超声波发生器