第五章 双极晶体管及相关器件.ppt

半导体器件物理与工艺 电子与信息工程系贾晓菲邮箱 jiaxiaofei945 第五章双极型晶体管及相关器件 5 1双极管的工作原理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 双极型晶体管 bipolartransistor 的结构 双极型晶体管是最重要的半导体器件之一 在高速电路 模拟电路 功率放大等方面具有广泛的应用 双极型器件是一种电子与空穴皆参与导通过程的半导体器件 由两个相邻的耦合p n结所组成 其结构可为p n p或n p n的形式 如图为单一p n p双极型晶体管的透视图 其制造过程是以p型半导体为衬底 利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区域 再在此n型区域上以热扩散形成一高浓度的p 型区域 接着以金属覆盖p n以及下方的p型区域形成欧姆接触 5 1晶体管的工作原理 图 a 为理想的一维结构p n p双极型晶体管 具有三段不同掺杂浓度的区域 形成两个p n结 浓度最高的p 区域称为发射区 emitter 以E表示 中间较窄的n型区域 其杂质浓度中等 称为基区 base 用B表示 基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度 浓度最小的p型区域称为集电区 collector 用C表示 图 b 为p n p双极型晶体管的电路符号 图中亦显示各电流成分和电压极性 箭头和 十 一 符号分别表示晶体管在一般工作模式 即放大模式 下各电流的方向和电压的极性 该模式下 射基结为正向偏压 VEB 0 而集基结为反向偏压 VCB 0 图a 图b 图 a 是一热平衡状态下的理想p n p双极型晶体管 即其三端点接在一起 或者三端点都接地 阴影区域分别表示两个p n结的耗尽区 图 b 显示三段掺杂区域的杂质浓度 发射区的掺杂浓度远比集电区大 基区的浓度比发射区低 但高于集电区浓度 图4 3 c 表示耗尽区的电场强度分布情况 图 d 是晶体管的能带图 它只是将热平衡状态下的p n结能带直接延伸 应用到两个相邻的耦合p n结与n p结 5 1 1双极型晶体管工作在放大模式 图a 图b 图c 图d 图 a 为工作在放大模式下的共基组态p n p型晶体管 即基极被输入与输出电路所共用 图 b 与图 c 表示偏压状态下电荷密度与电场强度分布的情形 与热平衡状态下比较 射基结的耗尽区宽度变窄 而集基结耗尽区变宽 图 d 是晶体管工作在放大模式下的能带图 射基结为正向偏压 因此空穴由p 发射区注入基区 而电子由基区注入发射区 在理想的二极管中 耗尽区将不会有产生 复合电流 所以由发射区到基区的空穴与由基区到发射区的电子组成了发射极电流 而集基结是处在反向偏压的状态 因此将有一反向饱和电流流过此结 当基区宽度足够小时 由发射区注入基区的空穴便能够扩散通过基区而到达集基结的耗尽区边缘 并在集基偏压的作用下通过集电区 此种输运机制便是注射载流子的 发射极 以及收集邻近结注射过来的载流子的 集电极 名称的由来 如果大部分入射的空穴都没有与基区中的电子复合而到达集电极 则集电极的空穴电流将非常地接近发射极空穴电流 可见 由邻近的射基结注射过来的空穴可在反向偏压的集基结造成大电流 这就是晶体营的放大作用 而且只有当此两结彼此足够接近时才会发生 因此此两结被称为交互p n结 相反地 如果此两p n结距离太远 所有入射的空穴将在基区中与电子复合而无法到达集基区 并不会产生晶体管的放大作用 此时p n p的结构就只是单纯两个背对背连接的p n二极管 下图中显示出一理想的p n p晶体管在放大模式下的各电流成分 设耗尽区中无产生 复合电流 则由发射区注入的空穴将构成最大的电流成分IEp 5 1 2电流增益 大部分的入射空穴将会到达集电极而形成Icp 基极的电流有三个 即IBB IEn以及ICn 其中IBB代表由基极所供应 与入射空穴复合的电子电流 即IBB IEp ICp IEn代表由基区注入发射区的电子电流 是不希望有的电流成分 ICn代表集电结附近因热所产生 由集电区流往基区的电子电流 晶体管各端点的电流可由上述各个电流成分来表示 晶体管中有一项重要的参数 称为共基电流增益 定义为 因此 得到 第二项称为基区输运系数 是到达集电极的空穴电流量与由发射极入射的空穴电流量的比 即 所以 上式等号右边第一项称为发射效率 是入射空穴电流与总发射极电流的比 即 其中ICn是发射极断路时 即IE 0 集基极间的电流 记为ICBO 前两个下标 CB 表示集 基极两端点 第三个下标 O 表示第三端点 发射极 断路 所以ICBO代表当发射极断路时 集基极之间的漏电流 共基组态下的集电极电流可表示为 对设计良好的晶体管 IEn远比IEp小 且ICp与IEp非常接近 T与 都趋近于1 因此 0也接近于1 集电极电流可用 0表示 即 例1 已知在一理想晶体管中 各电流成分为 IEp 3mA IEn 0 01mA ICp 2 99mA ICn 0 001mA 试求出下列各值 a 发射效率 b 基区输运系数 T c 共基电流增益 0 d ICBO 解 a 发射效率为 b 基区输运系数为 c 共基电流增益为 d 所以 为推导出理想晶体管的电流 电压表示式 需作下列五点假设 1 晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂 2 基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略 3 载流子注入属于小注入 4 耗尽区中没有产生 复合电流 5 晶体管中无串联电阻 假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区 然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结 一旦确定了少数载流子的分布 n区域中的空穴 就可以由少数载流子的浓度梯度得出电流 5 2 1各区域中的载流子分布 5 2双极型晶体管的静态特性 图 c 显示结上的电场强度分布 在中性区域中的少数载流子分布可由无电场的稳态连续方程式表示 其中Dp和 p分别表示少数载流子的扩散系数和寿命 上式的一般解为 一 基区区域 其中为空穴的扩散长度 常数C1和C2可由放大模式下的边界条件 和 决定 其中pn0是热平衡状态下基区中的少数载流子浓度 可由pn0 ni2 NB决定 NB表示基区中均匀的施主浓度 第一个边界条件式表示在正向偏压的状态下 射基结的耗尽区边缘 x 0 的少数载流子浓度是热平衡状态下的值乘上exp qVEB kT 第二个边界条件表示在反向偏压的状态下 集基结耗尽区边缘 x W 的少数载流子浓度为零 将边界条件代入 得 当x 1时 sinh x 将会近似于x 所以当W Lp 1时 可简化为 即 少数载流子分布趋近于一直线 此近似是合理的 因为在晶体管的设计中 基极区域的宽度远小于少数载流子的扩散长度 如图 可见 由线性少数载流子分布的合理假设 可简化电流 电压特性的推导过程 和 发射区和集电区中的少数载流子分布可用类似上述基区情况的方法求得 图中 发射区与集电区中性区域的边界条件为 二 发射极和集电极区域 其中nEO和nCO分别为发射区和集电区中热平衡状态下的电子浓度 设发射区和集电区的宽度分别远大于扩散长度LE和LC 将边界条件代入 得到 只要知道少数载流子分布 即可计算出晶体管中的各项电流成分 在x 0处 由发射区注入基区的空穴电流IEp与少数载流子浓度分布的梯度成正比 因此当W Lp 1时 空穴电流IEp可以由式 5 2 2放大模式下理想晶体管的电流 同理 在t W处由集电极所收集到的空穴电流为 表示为 当W Lp 1时 IEp等于ICp IEn是由基区流向发射区的电子流形成的 ICn是由集电区流向基区的电子流形成的 分别为 其中DE和DC分别为电子在发射区和集电区中的扩散系数 各端点的电流可由以上各方程式得出 发射极电流为IEp与IEn的和 即 其中 集电极电流是ICp与ICn的和 即 可见 12 21 理想晶体管的基极电流是发射极电流IE与集电极电流IC的差 即 所以 晶体管三端点的电流主要是由基极中的少数载流子分布来决定 一旦获得了各电流成分 即可由 其中 得出共基电流增益 例题2 一个理想的p n p晶体管 其发射区 基区和集电区的掺杂浓度分别为1019cm 3 1017cm 3和5 1015cm 3 而寿命分别为10 8s 10 7s和10 6s 假设有效横截面面积A为0 05mm2 且射基结正向偏压在0 6V 试求晶体管的共基电流增益 其他晶体管的参数为DE 1cm2 s Dp 10cm2 s DC 2cm2 s W 0 5 m 解 在基极区域中 在发射极区域中 因为W Lp 0 05 1 各电流成分为 共基电流增益 0为 在W Lp 1的情况下 由 可将发射效率简化为 和 或 其中NB ni2 pn0是基区的掺杂浓度 NE ni2 nEO是发射区的掺杂浓度 可见 欲改善 必须减少NB NE 也就是发射区的掺杂浓度必须远大于基区 这也是发射区用p 重掺杂的原因 根据射基结与集基结上偏压的不同 双极型晶体管有四种工作模式 下图显示了一p n p晶体管的四种工作模式与VEB VCB的关系 每一种工作模式的少数载流子分布也显示在图中 如在放大模式下 射基结是正向偏压 集基结是反向偏压 在饱和模式下 晶体管中的两个结都是正向偏压 导致两个结的耗尽区中少数载流子分布并非为零 因此在x W处的边界条件变为 5 2 3工作模式 在饱和模式下 极小的电压就产生了极大的输出电流 晶体管处于导通状态 类似于开关短路 亦即导通 的状态 在截止模式下 晶体管的两个结皆为反向偏压 边界条件变为pn 0 pn W 0 截止模式下的晶体管可视为开关断路 或是关闭 在反转模式下 射基结是反向偏压 集基结是正向偏压 在反转模式下晶体管的集电极用作发射极 而发射极用作集电极 相当于晶体管被倒过来用 但是在反转模式下的电流增益通常较放大模式小 这是因为集电区掺杂浓度较基区浓度小 造成低的 发射效率 所致 上二式各结的偏压视晶体管的工作模式可为正或负 其中系数 11 12 21和 22可各由以下各式分别得出 其他模式的电流 电压关系皆可以用类似放大模式下的步骤得出 但要适当地更改边界条件 各模式下电流的一般表示式可写为 图 a 是一个共基组态下的p n p晶体管 图 b 则为其输出电流 电压特性的测量结果并标示出不同工作模式的区域 集电极与发射极电流几乎相同 0 1 并几乎与VBC不相关 非常符合理想晶体管的行为 共基组态晶体管的基极为输入端与输出端所共用 其电流 电压特性仍可用下式描述 其中VEB和VBC分别是输入与输出电压 而IE和IC分别为输入与输出电流 5 2 4共基组态晶体管的电流 电压特性 若要将集电极电流降为零 必须加一电压在集基结上 使其正向偏压 饱和模式 对硅材料而言 约需加1V左右 如图 b 所示 正向偏压造成x W处的空穴浓度大增 与x 0处相等 图 b 中的水平线 此时在x W处的空穴梯度也就是集电极电流将会降为零 即使VBC降到零伏 空穴依然被集电极所吸引 因此集电极电流仍维持一固定值 图 a 中的空穴分布也显示出这种情形 x W处的空穴梯度在从VBC 0变为VBC 0后 只改变了少许 使得集电极电流在整个放大模式范围下几乎相同 定义 0为共射电流增益 是IC对IB的微分且 下图是一个共射组态下的p n p晶体管 将式IB IE IC代入 共射组态晶体管的电流 电压特性 可得出共射组态下的集电极电流 定义 此电流是当IB 0时 集电极与发射极间的漏电流 因此 因为 0一般非常接近于1 使得 0远大于1 所以基极电流的微小变化将造成集电极电流的剧烈变化 下图是不同的基极电流下 输出电流 电压特性的测量结果 可见当IB 0时 集电极和发射极间还存在一不为零的ICEO 在一共射组态的理想晶体管中 当IB固定且VEC 0时 集电极电流与VEC不相关 当假设中性的基极区域 W 为定值时 上述特性始终成立 然而延伸到基极中的空间电荷区域会随着集电极和基极的电压改变 使得基区的宽度是集基偏压的函数 因此集电极电流将与VEC相关 VEC V 当集电极和基极间的反向偏压增加时 基区的宽度将会减少 导致基区中的少数载流子浓度梯度增加 亦即使得扩散电流增加 因此IC也会增加 下图显示出IC随着VEC的增加而增加 这种电流变化称为厄雷效应 或称为基区宽度调制效应 将集电极电流往左方延伸 与VEC轴相交 可得到交点 称为厄雷电压 例3 已知在一理想晶体管中 各电流成分为 IEp 3mA IEn 0 01mA ICp 2 99mA ICn 0 001mA 求出共射电流增益 0 并以 0和ICBO表示ICEO 并求出ICEO的值 解 发射效率为 基区输运系数为 共基电流增益为 因此可得 所以 前面讨论的是晶体管的静态特性 直流特性 没有涉及其交流特性 也就是当一小信号重叠在直流值上的情况 小信号意指交流电压和电流的峰值小于直流的电压 电流值 5 3 1频率响应 高频等效电路 图 a 是以共射组态晶体管所构成的放大器电路 在固定的直流输入电压VEB下 将会有直流基极电流IB和直流集电极电流IC流过晶体管 这些电流代表图 b 中的工作点 由供应电压VCC以及负载电阻RL所决定出的负载线 将以一1 RL的斜率与VCE轴相交于VCC 5 3双极型晶体管的频率响应与开关特性 图a 图b 下图 a 是此放大器的低频等效电路 在更高频率的状况下 必须在等效电路中加上适当的电容 与正向偏压的p n结类似 在正向偏压的射基结中 会有一势垒电容CEB和一扩散电容Cd 而在反向偏压的集基结中只存在势垒电容CCB 如图 b 加了三个电容后的高频等效电路 当一小信号附加在输入电压上时 基极电流iB将会随时间变动 而成为一时间函数 如右图所示 基极电流的变动使得输出电流iC跟着变动 而iC的变动是iB变动的 0倍 因此晶体管放大器将输入信号放大了 图中 称为跨导 transconductance 称为输入电导 inputconductance 而基区宽度调制效应 将产生一个有限的输出电导 另外 基极电阻和集电极电阻也列入考虑 图 c 是加入上述各器件后的高频等效电路 截止频率 在右上图中 跨导gm和输入电导gEB与晶体管的共基电流增益有关 在低频时 共基电流增益是一固定值 不会因工作频率而改变 然而当频率升高至一关键点后 共基电流增益将会降低 右下图是一典型的共基电流增益相对于工作频率的示意图 加入频率的参量后 共基电流增益为 其中 0是低频 或直流 共基电流增益 f 是共基截止频率 当工作频率f f 时 的值为0 707 0 下降3dB 右图中也显示了共射电流增益 由上式可得 其中f 称为共射截止频率 由于 0 1 所以f 远小于f 另外 一截止频率fT 又称特征频率 定义为 的绝对值变为1时的频率 将前式等号右边的值定为1 可得出 因此fT很接近但稍小于f 其中A是器件的截面积 p x 是少数载流于的分布 空穴经过基区所需的时间 B为 特征频率fT也可以表示为 2 T 1 其中 T代表载流子从发射极传输到集电极所需的时间 它包含了发射区延迟时间 E 基区渡超时间 B以及集电区渡越时间 C 其中最主要的时间是 B 少数载流子在dt时段中所走的距离为dx v x dt 其中v x 是基区中的少数载流子的有效速度 此速度与电流的关系为 以线性空穴分布为例 将 要改善频率响应 必须缩短少数载流子穿越基区所需的时间 所以高频晶体管都设计成短基区宽度 由于在硅材料中电子的扩散系数是空穴的三倍 所有的高频硅晶体管都是n p n的形式 基区中的少数载流子是电子 另一个降低基区渡越时间的方法是利用有内建电场的缓变掺杂基区 掺杂浓度变化 基区靠近发射极端掺杂浓度高 靠近集电极端掺杂浓度低 产生的内建电场将有助于载流子往集电极移动 因而缩短基区渡越时间 代入 和 在数字电路中晶体管的主要作用是当作开关 可以利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流由关 off 的状态成为开 on 的状态 反之亦然 关是高电压低电流的状态 开是低电压高电流的状态 图 a 是一个基本的开关电路 其中射基电压瞬间由负值变为正值 图 b 是晶体管的输出电流 起初因为射基结与集基结都是反向偏压 集电极电流非常低 但射基电压由负变正后 集电极电流沿着负载线 经过放大区最后到达高电流状态的饱和区 此时射基结与集基结都变为正向偏压 因此晶体管在关的状态下 亦即工作于截止模式时 发射极与集电极间不导通 而在开的状态下 亦即工作在饱和模式时 发射极与集电极间导通 因此晶体管可近似于一理想的开关 5 3 2开关暂态过程 开关时间是指晶体管状态从关变为开或从开变为关所需的时间 图 a 显示一输入电流脉冲在t 0时加在射基端点上 晶体管导通在t t2时 电流瞬间转换到零 晶体管关闭 集电极电流的暂态行为可由储存在基区中的超量少数载流子电荷QB t 来决定 图 b 是QB t 与时间的关系图 在导通的过程中 基区储存电荷将由零增加到QB t2 在关闭的过程中 基区储存电荷由QB t2 减少到零 当QB t Qs时 晶体管工作于放大模式下 其中Qs是VCB 0时基区中的电荷量 如图 d 在饱和区的边缘 IC对时间的变化显示在图 c 中 在导通的过程中 基区存储电荷量达到Qs 电荷量在t t1时达到饱和区边缘 当QB Qs时晶体管进入饱和模式 而发射极和集电极电流大致维持定值 图 d 显示在t t1时 空穴分布pn x 与t t1时平行 所以在x 0和x W处的空穴浓度梯度即电流维持相同 在关闭的过程中 器件起初是在饱和模式下 集电极的电流大约维持不变 直到QB降至Qs 如图 d 由t2到QB Qs时的t3这段时间称为存储延迟时间 当QB Qs 器件在t t3时进入放大模式 在这个时间点之后 集电极电流将以指数形式衰减到零 导通的时间取决于能如何迅速地将空穴 p n p晶体管中的少数载流子 加入基极区域 而关闭的时间则取决于能如何迅速地通过复合将空穴移除 晶体管开关时最重要的一个参数是少数载流子的寿命 p 一个有效降低 p 使转换变快的方法是加入接近禁带中点的产生 复合中心 由于HBT发射区和基区是不同的半导体材料 它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响 当基区输运系数 T非常接近1时 共射电流增益可表示为 异质结双极型晶体管 HBT 是指晶体管中的一个或两个结由不同的半导体材料所构成 HBT的主要优点是发射效率较高 其应用基本上与双极型晶体管相同 但HBT具有较高的速度 可以工作在更高的频率 因为其具有这些特性 HBT在光电 微波和数字应用上非常受欢迎 如在微波应用方面 HBT常被用来制造固态微波及毫米波功率放大器 震荡器和混频器 5 4 1HBT的电流增益 5 4异质结双极型晶体管 发射区和基区中的少数载流子浓度可写为 对n p n型晶体管 将 代入 可得 因此 由于HBT发射区和基区半导体材料的不同 它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响 且 其中NE和EB分别是发射区和基区的掺杂浓度 NC和NV分别是导带和价带底的有效状态密度 EgE是发射区半导体的禁带宽度 NC NV 和EgB则是基区半导体上相应的参数 大部分HBT的技术都是在AlxGa1 xAs GaAs材料系统中发展的 右图是一个基本n p n型HBT结构 n型发射区是以宽禁带的AlxGa1 xAs组成 而p型基区是以禁带宽度较窄的GaAs组成 n型集电区和n型次集电区分别以低掺杂浓度和高掺杂浓度的GaAs组成 为了形成欧姆接触 在发射区接触和砷化铝镓层之间加了一层高掺杂浓度的n型砷化镓 因为发射区和基区材料间具有很大的禁带宽度差 共射电流增益可以提到很高 而同质结的双极型晶体管并无禁带宽度差存在 必须将发射区和基区的掺杂浓度比提到很高 这是同质结与异质结双极型晶体管最基本的不同处 5 4 2基本HBT结构 EV增加了射基异质结处价带势垒的高度 此效应使得HBT可以使用较高掺杂浓度的基区 而同时维持极高的发射效率和电流增益 高掺杂浓度则可降低基区的方块电阻 且基区可以做得很薄而不需担心穿通效应 穿通效应是指集基结的耗尽层往基极延伸 最后与射基结的耗尽层接触的现象 窄基区宽度可以降低基区渡越时间 且增加截止频率 这正是人们期望的特性 右图是HBT在放大模式下的能带图 发射区和基区间的能带差在异质结界面上造成了一个能带偏移 事实上 HBT优异的特性是直接由价带在异质界面处的不连续 EV所造成的 另一种异质结是硅 硅锗 Si SiGe 的材料系统 此系统有几项特性在HBT的应用中非常具有吸引力 如同砷化铝镓 砷化镓HBT 硅 硅锗HBT也因禁带宽度差可重掺杂而具有高速能力 硅界面具有低陷阱密度的特性 可以减少表面复合电流 确保在低集电极电流时 仍可维持高的电流增益 另外 可与标准硅工艺技术相容也是一个深具吸引力的特性 最近几年磷化铟 InP 系 InP InGaAs或AlInAs InGaAs 的材料被系统地研究 磷化铟系的异质结构有相当多的优点 InP InGaAs结构具有非常低的表面复合 而且InGaAs的电子迁移率较GaAs高出甚多 使其具有相当优异的高频表现 其截止频率可高达254GHz 此外 InP集电极在强电场时比GaAs集电极具有更高的漂移速率 其击穿电压亦比GaAs集电极高 5 4 3先进的HBT 基极区域也可用缓变分布 以将由发射区到基区的禁带宽度减小 图中虚线显示缓变基区HBT的能带图 其中存在一内建电场Ebi于准中性基区内 导致少数载流子渡越时间降低 增加了HBT的共射电流增益与截止频率 在前面基本HBT的能带图中 导带上的能带不连续 EC是我们所不希望的 因为此不连续迫使异质结中的载流子必须以热电子发射或隧穿的方法才能越过势垒 因而降低发射效率和集电极电流 此缺点可由缓变层和缓变基区异质结来改善 下图显示一缓变层加在射基异质结中的能带图 其中 EC已被消除 缓变层的厚度为Wg 可控硅器件是一种非常重要的功率器件 可用来作高电压和高电流的控制 使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态 反之亦然 其工作与双极型晶体管有密切的关系 传导过程皆牵涉到电子和空穴 但其开关机制和结构与双极型晶体管不同 有较宽广范围的电流 电压控制能力 其额定电流可由几毫安到超过5000A 额定电压更超过10000V 5 5可控硅器件及相关功率器件 5 5 1基本特性 右图是一可控硅器件的横截面示意图 是一个四层p n p n器件 由三个串接的p n结J1 J2 J3组成 与接触电极相连的最外一p层称为阳极 另一边的n层称为阴极 这个没有额外电极的结构是个两瑞点的器件 被称为p n p n二极管 若另一称为栅极的电极被连到内层的p2层 所构成的三端点器件一般称为可控硅器件 图 b 是一典型的可控硅器件掺杂浓度分布图 首先选一高阻值的n型硅片当作起始材料 n层 再以一扩散步骤同时形成p1和p2层 最后用合金或扩散 在硅片的一边形成n2层 图 c 是可控硅器件在热平衡状态下的能带图 其中每一个结都有耗尽层 其内建电势由掺杂浓度决定 1 2 器件处于负电阻区域 也就是电流随电压急骤降