半导体物理与器件第十二章1

1、半导体物理与器件半导体物理与器件 陈延湖陈延湖 n双极晶体管的基本器件结构特点双极晶体管的基本器件结构特点 n双极晶体管的各电极电流成分及电流增双极晶体管的各电极电流成分及电流增 益益 n双极晶体管的非理想特性双极晶体管的非理想特性 n双极晶体管的混合双极晶体管的混合型等效电路及频率型等效电路及频率 特性特性 本章重点问题：本章重点问题： 第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管 本章主要内容：本章主要内容：n双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理(12.1 ) n基本结构及工作原理基本结构及工作原理 n晶体管的电极电流晶体管的电极电流 n各区域少子分布各区域少子分布(12.2) n低频共基极

2、电流增益低频共基极电流增益（12.3） n非理想效应非理想效应 (12.4 ) n基区调制效应基区调制效应 n等效电路模型等效电路模型(12.5 ) nEbers-Moll 模型模型 n混合混合模型模型 n频率上限频率上限（12.6 ） n大信号开关特性（大信号开关特性（12.7） n其他的双极晶体管结构其他的双极晶体管结构(12.8) 12.1 双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 n双极晶体管双极晶体管（bipolar junction transistor） ：由三个：由三个 掺杂不同的扩散区形成两个背对背掺杂不同的扩散区形成两个背对背pn结。三个结。三个 区对应晶体管的三个电极：发

3、射极、基极、集电区对应晶体管的三个电极：发射极、基极、集电 极。因为器件中包括电子和空穴两种极性的载流极。因为器件中包括电子和空穴两种极性的载流 子运动，故称为子运动，故称为双极器件双极器件。 n根据三个电极掺杂类型不同分为两类：根据三个电极掺杂类型不同分为两类：npn型和型和 pnp型。型。 双极晶体管器件的一般特征：双极晶体管器件的一般特征： n器件结构为垂直结构器件结构为垂直结构 n双极晶体管双极晶体管在结构尺在结构尺 寸上是不对称器件寸上是不对称器件 n发射极掺杂浓度高，发射极掺杂浓度高， 基极掺杂浓度低（对基极掺杂浓度低（对 同质结），集电极掺同质结），集电极掺 杂浓度最低。杂浓度最

4、低。 n基极层故意做的很薄基极层故意做的很薄 nBC结面积往往远大于结面积往往远大于 BE结面积。结面积。 n双极器件基本工作原理：双极器件基本工作原理：放大模式或正向有源放大模式或正向有源 模式（模式（forward active） BEBE结正偏结正偏: :电子从发射区由电子从发射区由扩散注扩散注 入或发射入或发射到基区到基区 BCBC结反偏结反偏: :注入基区的少子电子由注入基区的少子电子由 于浓度梯度，会扩散到于浓度梯度，会扩散到bcbc结界面，结界面， 然后被然后被BCBC结结电场抽取电场抽取到集电极区形到集电极区形 成集电极电流成集电极电流ICIC 基极很薄，厚度小于基极很薄，厚度

5、小于少子少子电子的电子的 扩散长度，少子被空穴复合的数扩散长度，少子被空穴复合的数 量较小，因而基区复合电流量较小，因而基区复合电流IBbIBb较较 小，由发射区注入的电子大部分小，由发射区注入的电子大部分 形成集电极电流形成集电极电流ICIC IB IC IE Ecb iii n正向有源下的能带图及少子分布正向有源下的能带图及少子分布 n晶体管三个电极电流简化表述晶体管三个电极电流简化表述 n在正向有源工作状态，假定基区中少子电子为在正向有源工作状态，假定基区中少子电子为 理想化的线性分布理想化的线性分布，即不存在载流子复合：，即不存在载流子复合： )exp()0( 0 t BE BB V

6、V nn 0)( BB xn n则发射极扩散到则发射极扩散到BC结界面的少子电子形成集电极结界面的少子电子形成集电极 电流电流iC： )exp( 0 0)0()( 0 T BE B B BEn B B BEnBEnBEnCC V v n x AqD x n AqD dx xdn AqDAJi )exp( T BE SC V v Ii 简写为：简写为： 器件一端的电流由加到另外两端的电压控制，这就是晶体管器件一端的电流由加到另外两端的电压控制，这就是晶体管 的基本工作原理的基本工作原理 n发射极电流：发射极电流： nBE结正偏，发射极注入到基区的电子流结正偏，发射极注入到基区的电子流iE1（理想

7、（理想 情况下情况下iE1=iC) nBE结正偏，基区注入发射区的空穴电流结正偏，基区注入发射区的空穴电流iE2，该电，该电 流对流对iC无贡献，但表达式与无贡献，但表达式与iC类似：类似： )exp( 221 T BE SEECEEE V v Iiiiii 1 SE S E C I I i i 集电极电流与发射极电流之比，即共基极放大倍数：集电极电流与发射极电流之比，即共基极放大倍数： 2p exp() BE ES T v iI V 总发射极电流：总发射极电流： n基极电流成分：基极电流成分： nBE结正偏，基区注入发射区的空穴电流既是发射极电结正偏，基区注入发射区的空穴电流既是发射极电 流

8、的一部分也是基极电流的一部分，即流的一部分也是基极电流的一部分，即iE2 n在基区，注入的少子电子与基区多子空穴的复合电流在基区，注入的少子电子与基区多子空穴的复合电流 iBb。该电流也正比于。该电流也正比于 1 B c i i )exp( T BE V v 器件的非对称设计使器件的非对称设计使iB较较 小，则共发射极放大器倍小，则共发射极放大器倍 数大于数大于1 b2b exp() BE BBES T v iiiI V 总基极电流：总基极电流： n晶体管工作模式晶体管工作模式 n放大模式下晶体管各区少子分布放大模式下晶体管各区少子分布 几何结构几何结构 少子分布少子分布 n其他工作模式的少子

9、分布：其他工作模式的少子分布： 截止模式：截止模式： 发射结反偏发射结反偏 集电结反偏集电结反偏 特征：集电极电流很小，晶特征：集电极电流很小，晶 体管可视为开关断路体管可视为开关断路 饱和模式：饱和模式： 发射结正偏发射结正偏 集电结正偏集电结正偏 特征：集电极较小的电压变化可导特征：集电极较小的电压变化可导 致很大的集电极电流，晶体管可视致很大的集电极电流，晶体管可视 为开关短路为开关短路 反向有源模式：发射结反偏反向有源模式：发射结反偏 集电结正偏集电结正偏 n特征：基本无放大作用特征：基本无放大作用 n此时集电极相当于发射电子，向基区注入，而后被发射极收集，此时集电极相当于发射电子，向

10、基区注入，而后被发射极收集， 由于发射极面积小，收集电子的效率低，其电流放大倍数一般较由于发射极面积小，收集电子的效率低，其电流放大倍数一般较 小。小。 n同时集电极掺杂浓度较基区浓度小，造成低的发射系数，晶体管同时集电极掺杂浓度较基区浓度小，造成低的发射系数，晶体管 基本无放大倍数。基本无放大倍数。 12.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益 n双极器件工作于正向有源区的各电极电流成分的详细双极器件工作于正向有源区的各电极电流成分的详细 分析及输运系数定义：分析及输运系数定义： J JnE nE： ：x=0 x=0处基区少子扩散电流处基区少子扩散电流J JnC nC： ：x=xx=xB

11、B处基区少子扩散电流处基区少子扩散电流 J JRB RB：基区少子与多子的复合电流 ：基区少子与多子的复合电流JpEJpE：x=0,x=0,处发射区少子空穴扩散电流处发射区少子空穴扩散电流 Jpc0Jpc0：集电区的少子抽取电：集电区的少子抽取电 流流 J JR R：BEBE结空间电荷区中的结空间电荷区中的 复合电流复合电流 J JG G：BCBC结空间电荷区中的产生电流结空间电荷区中的产生电流 不同电流成分输运示意图：不同电流成分输运示意图： RRBpEB JJJJ RpEnEE JJJJ 0pcGnCC JJJJ 直流直流共基极组态电流增益定义为：共基极组态电流增益定义为： RpEnE p

12、cGnC JJJ JJJ 0 0 nNpn型双极器件的基本公式：型双极器件的基本公式： 小信号小信号共基极组态工作放大倍数或电流增益：共基极组态工作放大倍数或电流增益： 定义发射极注入效率系数：定义发射极注入效率系数： T pERnE pEnE nE nC pEnE nE RpEnE nC JJJ JJ J J JJ J JJJ J pERnE pEnE JJJ JJ nC T nE J J pEnE nE JJ J 定义载流子基区输运系数：定义载流子基区输运系数： 定义定义BEBE结复合系数：结复合系数： n若要求若要求 共发射极组态工作直流放大倍数：共发射极组态工作直流放大倍数： 由由KC

13、L定律，各极电流关系：定律，各极电流关系： T T E C CE C B C J J JJ J J J 11 1 BCE JJJ 100 99. 0 并假定并假定 对应对应9967. 0 T T 则则 因此为了达到一个可观的电流增益各个因子必须接近于因此为了达到一个可观的电流增益各个因子必须接近于1 1 n与器件材料和尺寸参数相关的电流增益表达式：与器件材料和尺寸参数相关的电流增益表达式： 12.8 其他结构双极晶体管其他结构双极晶体管 n由由pn异质结的扩散模型：异质结的扩散模型： 分析发射极注入效率系数：分析发射极注入效率系数： 电子扩散流：电子扩散流： 空穴扩散流：空穴扩散流： 20 2

14、 () expexp(1) pn biv p p eDp e VEeV J LkTkT 10 1 () expexp(1) np biC n n eD n e VEeV J LkTkT n若将若将pn异质结用作异质结用作npn双极器件的发射结，则其双极器件的发射结，则其 发射极注入效率系数：发射极注入效率系数： 1 Ep En Ep En pn n J J J J JJ J exp() g n Ed E p Ea B E JN JNkT n导致：导致： n晶体管基区电阻变大。为了减小基区电阻，基区宽度晶体管基区电阻变大。为了减小基区电阻，基区宽度 不能作的太薄。不能作的太薄。 n较大基区电阻或

15、较厚的基区尺寸，都将导致无法提高较大基区电阻或较厚的基区尺寸，都将导致无法提高 器件的高频特性（器件的高频特性（ft，fmax）。）。 n对同质结对同质结： 0 exp()1 g n Ed Ed E p Ea Ba B E JNN JNk TN 0 g E 要保持较大增益，需要较大的发射极注入效率，应使发射区掺杂要保持较大增益，需要较大的发射极注入效率，应使发射区掺杂 NdNd-E-E基区掺杂基区掺杂Na-BNa-B，即，即 n双极器件的双极器件的ft，fmax表达式表达式 jcCE nB B jcje C CRR v X Dv X CC qI kT f sat dep 2 T 2 2 1 j

16、cbC R f f 8 T max n则即使基区掺杂较重，器件仍能保持较大的发射则即使基区掺杂较重，器件仍能保持较大的发射 极注入效率和较大的增益，基区重掺杂导致极注入效率和较大的增益，基区重掺杂导致： n晶体管基区电阻变小。基区宽度可以做的很薄（晶体管基区电阻变小。基区宽度可以做的很薄（nm 量级）。量级）。 n在不降低器件增益的同时，器件具有优异的高频特性在不降低器件增益的同时，器件具有优异的高频特性 （ft，fmax高）。高）。 n对异质结：对异质结： 1)exp( 01 2 Tk E N N J J g BA ED Ep En 0 g E若要求：若要求： nHBT器件的特征：器件的特征

17、： n发射极为宽禁带发射极为宽禁带 n基极为窄禁带基极为窄禁带 n薄基区薄基区 n基区重掺杂基区重掺杂 nAlGaAs/GaAs 异质结晶体管异质结晶体管 举例：举例： n使用简化公式对比使用简化公式对比SI，同质结，同质结BJT 与某与某GaAs HBT的电流的电流 放大倍数。某种放大倍数。某种GaAs HBT的异质结为突变结，价带不连的异质结为突变结，价带不连 续续Ev=0.193eV n设两类器件的其他参数相同，如下：设两类器件的其他参数相同，如下：NE=2X1017cm-3， NB=3X1019cm-3，DnB=25cm2/S;DpE=2.5cm2/s， XE=2000，XB=800

18、)exp( kT E NXD NXD v BBpE EEnB n对对SI,bjt Ev=0eV,在所设器件参数下：在所设器件参数下： 17. 0 BBpE EEnB NXD NXD n对某对某GaAs HBT Ev=0.193eV，在所设器件，在所设器件 参数下：参数下： 301)exp( kT E NXD NXD v BBpE EEnB n没有放大倍数没有放大倍数 n放大倍数很大。放大倍数很大。 相同器件尺寸和掺杂参数下相同器件尺寸和掺杂参数下HBTHBT器件具有更优异的性能器件具有更优异的性能 12.4 非理想效应非理想效应 n共发射极组态输出特性曲线：共发射极组态输出特性曲线： 非理性因

19、素非理性因素-厄利（雷）电压效应厄利（雷）电压效应 n前面的分析默认中性基区宽度前面的分析默认中性基区宽度XB恒定，实际上恒定，实际上 基区宽度是基区宽度是BC结电压的函数，随结电压的函数，随BC结反偏电结反偏电 压变大，压变大，BC结空间电荷区或耗尽区变宽，基结空间电荷区或耗尽区变宽，基 区宽度减小，基区少子浓度梯度增加，这种效区宽度减小，基区少子浓度梯度增加，这种效 应称为应称为基区调制效应或厄利（基区调制效应或厄利（Early）效应）效应 非理性因素非理性因素-厄雷电压效应厄雷电压效应 n在电流电压输出特性曲线上可以观察到厄利（雷）在电流电压输出特性曲线上可以观察到厄利（雷） 效应效应

20、n理想情况下，理想情况下，IC电流与电流与VCE无关，仅与输入的无关，仅与输入的VBE或或IB 有关。有关。 n存在厄雷效应时，存在厄雷效应时，IC随随VCE增大而增大。增大而增大。 如何减小厄雷效应？如何减小厄雷效应？ n其他非理想因素其他非理想因素 n大注入效应大注入效应 n击穿电压击穿电压: 穿通击穿现象，穿通击穿现象，BVCEO，BVCBO n发射极禁带变窄效应发射极禁带变窄效应 n自热效应自热效应 n。 nGP曲线：增益、理想因子、电流成分曲线：增益、理想因子、电流成分 n共发射极增益曲线：共发射极增益曲线：fT n自热效应：增益下降，增益坍塌现象自热效应：增益下降，增益坍塌现象 0

21、12345 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 II I Ic /A Vce /V Collapse loci n击穿特性：击穿特性：BVCEO BVCBO 2 cri 0 2 C CBOCC s eN BVEXX CBO CEO n BV BV （3-4） 2 0 2 scrit CB C E BV eN 双极晶体管的等效电路、频率及开关特性（双极晶体管的等效电路、频率及开关特性（12.5-7） n晶体管的等效电路：晶体管的等效电路： n双极晶体管的两类等效电路模型双极晶体管的两类等效电路模型 晶体管的数学模型，用基本的电路元件等效出晶晶体管的数学模型，用基本的电路元

22、件等效出晶 体管的外部特性电流电压特性，以便于对晶体管电路体管的外部特性电流电压特性，以便于对晶体管电路 特性进行手工计算和计算机仿真。特性进行手工计算和计算机仿真。 n大信号非线性模型：其数学模型直接使用半导体器大信号非线性模型：其数学模型直接使用半导体器 件理论推导得到的伏安特性关系。件理论推导得到的伏安特性关系。E-M模型模型、GP模模 型等。型等。 n小信号线性模型：其数学模型参数来自在直流偏置小信号线性模型：其数学模型参数来自在直流偏置 点的微分。点的微分。Hybrid-PI模型模型，T型模型等。型模型等。 n大信号非线性大信号非线性E-M模型模型: 该模型的理论基础是该模型的理论基

23、础是 将将BJT看做两个看做两个PN的组合特性。的组合特性。 n这个基本的这个基本的EM模型包括了模型包括了4个模型参数，分别为：个模型参数，分别为： CS I R F 放大模式下共基极电流增益放大模式下共基极电流增益 ES I 反向放大模式下共基极电流增益反向放大模式下共基极电流增益 BCBC结反向饱和电流结反向饱和电流 BEBE结反向饱和电流结反向饱和电流 n对大信号模型在直流偏置点上进行线性化处理，对大信号模型在直流偏置点上进行线性化处理， 可得到小信号线性等效电路模型，当晶体管工作可得到小信号线性等效电路模型，当晶体管工作 在共发射极组态时，可以得到在共发射极组态时，可以得到小信号线性

24、小信号线性HP模型模型： 基极与发射极结小信号等效电路基极与发射极结小信号等效电路 集电极与发射极间小信号等效电路集电极与发射极间小信号等效电路集电极与基极间小信号等效电路集电极与基极间小信号等效电路 完整的完整的HP模型模型 n电容会导致晶体管的频率响应，晶体管的增益电容会导致晶体管的频率响应，晶体管的增益 是输入信号频率的函数。是输入信号频率的函数。 晶体管的频率响应：晶体管的频率响应： n共基极组态截止频率共基极组态截止频率 cdbeec f f j 1 0 2/1 ec ec f 2 1 f 当晶体管工作在截止频率时，其增益下降当晶体管工作在截止频率时，其增益下降 为低频值的为低频值的

25、 由小信号模型可以证明：由小信号模型可以证明： 为载流子从发射极到达集电极的总的时间常数：为载流子从发射极到达集电极的总的时间常数： EB结电容充电时间结电容充电时间 基区渡越时间基区渡越时间 BC 结耗尽区渡越时间结耗尽区渡越时间 BC结电容充电时间结电容充电时间 b c d e n共发射极组态共发射极组态截止频率截止频率 及特征频率及特征频率 T f f ec T ff 2 1 T f f j 0 0 1 1 当当 0 T f ff 其中其中 当当 T ff 1 f T f 称为称为 截止频率截止频率 称为特征频率，即共发称为特征频率，即共发 射极电流增益降为射极电流增益降为1 1的频的频

26、 率率 0 2 iB RBB iE iC rbi Cjc Cje RERC XBXde p EmitterBase Collector 例题：例题： n 根据简化的根据简化的HP模型确定共发射极组态截止频率模型确定共发射极组态截止频率 BEb VI r 低频时可不考虑电容，则：低频时可不考虑电容，则： cmb Ig r I 所以：所以： 0 c m b I gr I 高频时，考虑电容：高频时，考虑电容： 1 BEb r VI j r C 0 1 cmbeb Ig VI j r C 则：则： 1/ 2ffr C 0 1 c b I Ijr C 所以当：所以当： 0 2 0 / 2 Tm ffgC 得得 ： 则：