尼曼-半导体物理与器件第十二章

高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管1主要内容•双极晶体管的工作原理•少子的分布•低频共基极电流增益•非理想效应•等效电路模型•频率上限•大信号开关•小结高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管2•晶体管基本工作原理：在器件的两个端点之间施加电压，从而控制第三端的电流。•最基本的三种晶体管：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管。•双极晶体管：在此器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。–双极晶体管中有2个pn结，结电压的正负情况可以有多种组合，导致器件有不同的工作模式。–是一种电压控制的电流源。–两种等效电路模型，适用于不同的情况。高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管312.1双极晶体管的工作原理•三个掺杂不同的扩散区、两个pn结–三端分别为发射极（E）、基极（B）、集电极（C）–相对于少子扩散长度，基区宽度很小–发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低•pn结的结论将直接应用于双极晶体管的研究•双极晶体管不是对称器件，包括掺杂浓度和几何形状高等半导体物理与器件4(a)npn型(b)pnp型双极晶体管的简化结构图及电路符号(a)集成电路中的常规npn型双极晶体管(b)氧化物隔离的npn型双极晶体管截面图第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管5（1）基本工作原理均匀掺杂的npn型双极晶体管的理想化掺杂浓度分布图(a)npn型双极晶体管工作在正向有源区的偏置情况(b)工作于正向有源区，npn型双极晶体管中少子的分布(c)零偏和正向有源区时，npn型双极晶体管的能带图图中显示了正向有源模式下电子从n型发射区注入（因此称为发射区）和电子在集电区被收集（因此称为集电区）的截面图B-E结正偏，B-C结反偏（正向有源模式）-共基B-E结正偏：电子从发射区越过发射结注入到基区；B-C结反偏：理想情况下B-C结边界处，少子电子的浓度为零。图(b)中电子浓度梯度标明：发射区注入的电子会越过基区扩散到B-C结的空间电荷区，那里的电场会把电子扫到集电区。为了使尽可能多的电子到达集电区，而不是和基区多子空穴复合；与少子电子扩散长度相比，基区宽度必须很小。当基区宽度很小时，少子电子浓度是B-E结电压和B-C结电压的函数。两个结距离很近——互作用pn结。npn型双极晶体管的横截面图高等半导体物理与器件6（2）晶体管电流的简化表达式短基区第十二章双极晶体管理想情况下，基区少子电子浓度是基区宽度的线性函数，表明没有复合发生。电子扩散过基区，后被B-C结空间电荷区电场扫入集电区。高等半导体物理与器件7000BCnBEnBEBdnxnieDAeDAdxx•集电极电流：扩散电流00expBEBBtVnnV0expexpnBEBEBECBsBtteDAVVinIxVV仅考虑大小晶体管基本工作原理：器件一端的电流由加到另外两端的电压控制集电极电流基极和发射极间的电压第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件8•发射极电流：expBECstViIVα称为共基极电流增益。该增益尽可能接近1。总的发射极电流为：一部分电流是发射区注入基区的电子电流，即iC。另一部分电流是正偏B-E结电流，即iE2。22expBEEstViIV2expBEECEsEtViiiIVCEii常数第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件9•基极电流：expBEBbtViVβ为共发射极电流增益，其值远大于1（数量级为100或更大）。总的基极电流为：一部分电流iBa是B-E结电流，即iE2。另一部分是基区空穴复合电流，记为即iBb。直接依赖于基区中少子电子的数量。22expBEEstViIV2expBEBEBbtViiiVCBii常数第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管10（3）工作模式①B-E反偏，B-C反偏：截止。②B-E正偏，B-C反偏：正向有源区。③B-E正偏，B-C正偏：饱和。④B-E反偏，B-C正偏：反向有源区。共射高等半导体物理与器件11•双极晶体管和其他元件相连，可实现电压、电流放大。•正向有源区，电压增益，电压放大器共射第十二章双极晶体管（4）双极晶体管放大电路高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管1212.2少子的分布双极晶体管的电流是由少子的扩散决定的。高等半导体物理与器件13（1）正向有源模式：B-E结正偏，B-C结反偏•均匀掺杂npn双极晶体管。•单独考虑每个区域时，将起点移到空间电荷区边界，采用正的坐标值。•中性集电区长度比集电区内少子扩散长度大得多。•中性发射区有限长，假设x′=xE处表面复合速率无限大，即此处过剩少子浓度为零。第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件14①基区–稳态下，过剩少子电子浓度可通过双极输运方程得到。–中性区，电场为零，无过剩载流子产生，稳态下输运方程2200BBBBnxnxDxexpexpBBBxxnxABLL通解表示为00exp1BEBBeVnnkTB-E结正偏边界条件：B-C结反偏0BBBnxn0exp1BBEBBBneVnxxxxxkT通过线性近似得：第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件15②发射区–同样，使用稳态下过剩少子的双极输运方程2200EEEEpxpxDxexpexpEEExxpxCDLL通解表示为00exp1BEEEeVppkTB-E结正偏边界条件：x´=xE处，表面复合速度无限大0EEpx0exp1EBEEEEpeVpxxxxkT通过线性近似得：第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件16③集电区–稳态下过剩少子输运方程2200CCCCpxpxDxexpexpCCCxxpxEFLL通解表示为00CpE集电区无限长边界条件：B-C结反偏00CCpp0expCCCxpxpL集电区过剩少子浓度：第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件1700exp1EBEEEEEEpeVpxpxpxxxkT00exp1BBEBBBBBneVnxnxnxxxxkT00expCCCCCpxpxpxpL第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管18（2）其他工作模式（a）截止：B-E结，B-C结均反偏，空间电荷区边界少子浓度均为零。（b）饱和：B-E结，B-C结均正偏，空间电荷区边界存在过剩少子。高等半导体物理与器件19•反向有源区：B-E结反偏，B-C结正偏。•与正向有源区中的发射极、集电极电流反向。•由于B、E区相对掺杂浓度和B、C区相对掺杂浓度不同，非几何对称，两者的特性大不相同。第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件2012.3低频共基极电流增益npn型晶体管，正向有源区，粒子流密度和粒子流成分从发射区注入到基区中的电子流到达集电区的电子流从基区注入发射区的空穴流正偏B-E结空间电荷区复合电子流反偏B-C结空间电荷区产生空穴流B-C结的反向饱和电流基区复合时需要补充的空穴流第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件21流入基区补充因复合而消失的空穴流发射区x′=0处少子空穴扩散电流正偏B-E结中载流子复合电流基区x=0处少子电子扩散电流基区x=xB处少子电子扩散电流反偏B-C结中产生电流反偏B-C结饱和电流第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件22小信号或是正弦信号的共基极电流增益CnCTEnERpEJJJJJJnEnEpEJJJ发射极注入效率系数nCTnEJJ基区输运系数nEpEnERpEJJJJJ复合系数考虑了发射区中的少子空穴扩散电流对电流增益的影响。考虑了基区中过剩少子电子的复合的影响。考虑了正偏B-E结中的复合的影响。第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管2312.4非理想效应（1）基区宽度调制效应（厄尔利效应）•B-C结反偏电压增加→B-C结空间电荷区宽度增加→基区扩散区宽度减小→少子浓度梯度增加→集电极电流增加高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管24•IC受VBE控制，因此两者有一对应关系•理想情况下，Ic与VBC无关（上图中曲线斜率为零）•由于存在基区宽度调制效应，上图中曲线倾斜•厄尔利电压（|VA|），描述晶体管特性一共有参数•制造误差引起窄基区晶体管xB变化，导致IC变化高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管25（2）大注入效应•大注入晶体管发生两种效应–发射极注入效率会降低–基区过剩少子浓度和集电极电流随B-E结电压增大的速度变缓•发射极注入效率系数•左图为小注入和大注入时，基区中少子和多子浓度nEnEpEJJJ实线为小注入，虚线为大注入B高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管26•小电流时增益较小：复合系数较小•大电流时增益下降：大注入效应的影响高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管27–基区过剩少子浓度和集电极电流随B-E结电压增大的速度变缓小注入基区空间电荷区边界处00expappeVnnkT00pppp00exp2appeVnnkT0000expappppeVnpnpkT则大注入np(0)、pp(0)基本处于同一量级同pn结二极管中的串联电阻效应近似高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管28（3）发射区禁带变窄发射区掺杂很高时，由于禁带变窄效应，使电流增益比预期小。发射区掺杂浓度对基区掺杂浓度比值增加，发射极注入效率会增加并接近于1。高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管29（4）电流集边效应•基区宽度很小（典型值1微米）•基区电阻相当大•导致发射区下存在横向电势差•相对于中心，较多电子从边缘注入•发射极电流集中在边缘高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管30（6）击穿电压两种击穿机制：•穿通–随着反偏B-C结电压的增加，B-C空间电荷区宽度扩展进中性基区中，B-C结耗尽区穿透基区到达B-E结。•雪崩击穿高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管3112.5等效电路模型（1）E-M模型：适用于任何模式E-M模型中定义的电流方向、电压极性基本E-M模型等效电路高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管32（2）G-P模型•与E-M模型相比，考虑了更多的物理特性，可用于分析基区为非均匀掺杂的情况。（3）H-P模型•小信号，线性放大电路，正向有源区H-P等效电路高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管3312.6频率上限（1）延时因子•双极晶体管是一种时间渡越器件•发射区到集电区的总时间常数可由4个相互独立的时间常数组成（2）晶体管截止频率•电流增益是频率的函数•α截止频率fα：共基极电流增益幅值变为其低频值的0.707时的频率•截止频率fT：共发射极电流增益的幅值为1时的频率•β截止频率fβ：共发射极电流增益幅值下降到其低频值的0.707时的频率高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管3412.7大信号开关（1）开关特性（a）研究晶体管开关特性所用的电路（b）驱动晶体管的基极输入（c）晶体管工作状态转换过程中集电极电流随时间的变化轻微正偏延迟时间B-C反偏，下降时间上升时间存储时间高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管35（2）肖特基