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低频共基极电流增益低频共基极电流增益

2、（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：发射极、基极、集电区对应晶体管的三个电极：发射极、

3、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

4、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

5、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ICICIBICIEEcbiiin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(0tBEBBVVnn0)(BBxnn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(00)

6、0()(0TBEBBBEnBBBEnBEnBEnCCVvnxAqDxnAqDdxxdnAqDAJi)exp(TBESCVvIi 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（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(221TBESEEC

7、EEEVvIiiiii1SESECIIii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：2pexp()BEESTviIV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iE2n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1Bcii)exp(TBEVv器件的非对称设计使器件的非对称设计使iB较较

8、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1b2bexp()BEBBESTviiiIV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

9、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

10、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 JnEnE：x=0 x=0处基区少子扩散电流处基区少子扩散电流J JnCnC：x=xx=xB B处基区少子扩散电流处基区少子扩散电流J JRBRB：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

11、成分输运示意图：不同电流成分输运示意图：RRBpEBJJJJRpEnEEJJJJ0pcGnCCJJJJ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：RpEnEpcGnCJJJJJJ00nNpn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：TpERnEpEnEnEnCpEnEnERpEnEnCJJJJJJJJJJJJJJpERnEpEnEJJJJJnCTnEJJpEnEnEJJJ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

12、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KCL定律，各极电流关系：定律，各极电流关系：TTECCECBCJJJJJJJ111BCEJJJ10099. 0并假定并假定对应对应9967. 0TT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 1n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

13、流：空穴扩散流：202()expexp(1)pnbivppeDpe VEeVJLkTkT101()expexp(1)npbiCnneD ne VEeVJLkTkTn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：1EpEnEpEnpnnJJJJJJJexp()gn Ed Ep Ea BEJNJNkTn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

14、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：0exp()1gn Ed Ed Ep Ea Ba BEJNNJNk TN0gE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jcCEnBBjcjeCCRRvXDvXCCqIkTfsatdep2T221jcbCRff8Tmaxn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

15、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(012TkENNJJgBAEDEpEn0gE若要求：若要求：nHBT器件的特征：器件的特征：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B

16、JT 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=0.193eVn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)exp(kTENXDNXDvBBpEEEnBn对对SI,bjt Ev=0eV,在所设器件参数下：在所设器件参数下：17. 0BBpEEEnBNXDNXDn对某对某GaAs HBT Ev=0.193eV，在所设器件，在所设器件参数下：参数

17、下：301)exp(kTENXDNXDvBBpEEEnBn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，

18、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

19、，BVCEO，BVCBOn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：fTn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0123450.000.020.040.060.080.10IIIIc /AVce /VCollapselocin击穿特性：击穿特性：BVCEO BVCBO2cri02CCBOCCseNBVEXX CBOCEOnBVBV（3-4）202scritCBCEBVeN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

20、.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

21、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：CSIRF放大模式下共基极电流增益放大模式下共基极电流增益ESI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

22、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cdbeecffj102/1ececf21

23、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 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bcden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TffecTff21Tffj0011当当0Tfff其中其中当当Tff 1fTf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的频的频率率02iBRBBiEiCrbiCjcCjeRERCXBXdepEmitterBaseCollector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BEbVI r低频时可不考虑电容，则：低频时可不考虑电容，则：cmbIg r I所以：所以：0cmbIgrI高频时，考虑电容：高频时，考虑电容：1BEbrVIj r C01cmbebIg VIj r C则：则：1/ 2ffr C01cbIIjr C所以当：所以当：020/ 2TmffgC得得 ：则：则：开关特性开关特性n当晶体管工作在开关状态时