第三章 BJT器件

1、1 2主要内容主要内容 基本工作原理 直流特性 双极型晶体管模型 频率特性 功率特性 开关特性3 (1) BJT的基本工作原理 由两个背靠背的、相互作用(很靠近)的p-n结组成; 有两种载流子参加工作 “双极”性; 具有电流放大作用; 具有开关作用.4* 基本结构 * 构成: 由由2个个背靠背的背靠背的p-n结组成结组成( ( 发射区发射区- -基区基区- -集电区集电区) ) ； 有有 n-p-n 和和 p-n-p 两种结构两种结构。 放大工作时: 发射结正偏 (发射结电阻发射结电阻r re e很小很小 ); 集电结反偏 (集电结电阻集电结电阻r rC C 很大很大 ).). 制造: Si晶

2、体管常采用平面工艺 (外延, 氧化, 光刻, 扩散, ); 合金管？发射区收集区基区发射结收集结发发射射极极收收集集极极基基极极低阻衬底外延层外延层(集电区)EBBC基区基区发射区发射区C5n+pnECBqVBEqVBCCBE要点： re RL rc ； 基区宽度少子扩散长度； IC IE ，输出IC RL很大放大。BCEVBE+VBCRLICIEIBRL* 晶体管的放大作用 *6 BJT的输入和输出伏安特性:BEC0WXc-XE(n)(p)(n)()()()()VEBIE?(输入伏安特性输入伏安特性)VBCIC?(输出伏安特性输出伏安特性)7 (2) BJT 的 直 流 特 性 BJT的直流

3、放大系数 BJT的电流-电压关系 非理想晶体管中的一些效应 BJT的低频小信号特性8 BJT中的电流成分： (设发射结耗尽层中的复合电流为IER） IE = IEn + IEp + IER ， IC = ICn + ICBO ， IB = IEp + IER +（IEn ICn） ICBO， IE = IC + IB 。cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII9 理想BJT中载流子浓度的分布： * 中性中性基区基区(0W)中电子的分布中电子的分布: np(x) = np0 + nP0 (expqVBE/kT1)sinh(W-x)/Ln /

4、sinh(W/Ln) + nP0 (expqVBC/kT1)sinh(x/Ln) / sinh(W/Ln) , 在W kT/q 的有源放大区, 可简化为线性分布： np(x) np0 + nP0 expqVBE / kT ( 1 - x / W ) = np0 + nP(0) ( 1 - x / W ) , 即由发射结处的最大值nP(0)而下降到集电结边缘处的0. * 同样,可求出E区和C区的少子分布pE (x)和pC (x)与电压的关系.10 放大状态时的放大状态时的基区少子存储电荷基区少子存储电荷: QB = - q A np (x) - npo dx - q A W np(0) / 2

5、. BEC0WXc-XE(n)(p)(n)W0pConpopEoW0 x11 理想BJT的电流电压关系： * 根据 np (x) , 即可求得扩散流过E结的电子电流 IE n 以及扩散流过C结的 电子电流 IC n分别与电压的关系; 并且在一定电压下, 窄基区晶体管的 电流为常数 (因为这时少子浓度的梯度等于常数). *由pE (x)和pC (x) ,可得到注入E区和C区的空穴电流IEP和ICP与电压的关系. * 输入和输出伏安特性为 ( a i j 为与材料和结构有关的参数 ) : IE = IE n + IE p = a11exp(qVBE/kT) - 1 + a12exp(qVBC/kT

6、) - 1, IC = IC n + IC p = a21exp(qVBE/kT) -1 + a22exp(qVBC/kT) - 1, IB = IE - IC = (a11-a21)exp(qVBE/kT) - 1 + (a12-a22)exp(qVBC/kT) - 1, * 可求得电流增益o 和o 与材料和结构参数之间的关系.12BJT的四种工作状态 : 放大状态放大状态 E结正偏, C结反偏. 截止状态截止状态 E结反偏 (或0偏), C结反偏; 2个结流过的是反向 电流 ( IB = ICBO + IEBO ); 为大电压、小电流的状态. 饱和状态饱和状态 E结正偏, C结正偏 (或0

7、偏); 为低电压、 大电流的状态, IC基本上不随输入电流IB而变化 ( IC VCC / RL ). 反向放大状态反向放大状态 E结反偏, C结正偏. 即把器件反向使用, C结的注射 效率通常很低.VBEVBC+0反向放大态截止态放大态饱和态13 电流增益： 共基极(输出直流短路)电流增益 0 hFB = IC n / IE = 0* ， 注射效率0 IE n / IE ， 输运系数* IC n / IE n ； 则 IC = 0 IE + ICBO .IC可改写为 IC = 0 (IC + IB) + ICBO ，则有：IC = IB0/(1-0 ) + ICBO/(1-0 ) 0 IB

8、+ ICEO 。 共发射极(直流短路)电流增益 0 hFE = IC / IB =0 / (10 ) ， ICEO = ICBO /(10 ) = (1 + 0 ) ICBO , 则 IC = 0 IB + ICEO. 14EnBBpEGDGD110nBB1*0BWABBdxxNG0)(EWDEEdxxNG0)(15提高提高BJT直流电流增益的一般考虑直流电流增益的一般考虑： （1）提高注射效率（增大发射结的正向电流增大发射结的正向电流, ,减小发射结的反向注入减小发射结的反向注入电流电流, ,减小发射结耗尽层中的复合电流减小发射结耗尽层中的复合电流); （2）提高输运系数 ( (减小基区的体

9、内和表面复合电流减小基区的体内和表面复合电流) ) . 提高发射区掺杂浓度，降低基区掺杂浓度提高发射区掺杂浓度，降低基区掺杂浓度; 减小发射结耗尽层中的缺陷和复合中心杂质减小发射结耗尽层中的缺陷和复合中心杂质; 发射区的长度发射区的长度(发射结的结深发射结的结深) 需要需要 LPE ; 减小基区宽度减小基区宽度; 增大基区中载流子的寿命和迁移率增大基区中载流子的寿命和迁移率扩散长度增大扩散长度增大; 减小发射结和基区表面的复合电流减小发射结和基区表面的复合电流 。16问题讨论 对于理想的BJT，画出其中各个区域中的少子浓度分布：（1）发射结正偏，集电结反偏；（2）发射结反偏，集电结反偏；（3）

10、发射结正偏，集电结短路（VCB=0）；（4）发射结正偏，集电结开路（IC=0）；（5）发射结正偏，集电结正偏；17 对于理想的BJT，画出其中各个区域中的少子浓度分布：（6）发射结开路（IE=0），集电结反偏；（7）发射结短路（VEB=0），集电结反偏；（8）发射结反偏，集电结短路（VCB=0）；（9）发射结开路（IE=0），集电结正偏；（10）发射结短路（VEB=0），集电结正偏；（11）BJT处于放大态时，但基极开路（IB=0）。18 右图是n-p-n晶体管基区中少数载流子浓度的几种分布情况。试说明图中不同分布所对应的发射结和集电结分别处于什么样的状态？（是开路还是短路？ 是正偏还是反偏？

11、）npo发 射 区集 电 区基 区19 对于理想的n-p-n BJT，说明集电极电流的大小：（1）发射极短路时（2）发射极开路时（3）基极开路时 对于理想的BJT，示意画出输入和输出的伏安特性曲线。+ICESICBOICEO200VCBICIE= 0IEICBOBVCBO共基极输出特性pConpopEoW0 xn+np少子浓度的分布21BJT发射区重掺杂的影响发射区重掺杂的影响 带隙变窄效应带隙变窄效应: 重掺杂时将产生能带尾和杂质能带, 当它们重叠时就使带 隙变窄. 在室温下有 Eg = 22.5 ( NE / 1018 )1/2 meV ; 相应地, 发射区中本征载流子浓度将由 ni2 变

12、为n i e 2 = ni2 expEg / kT.从而使得晶体管的注射效率(少子浓度所致) . Auger效应效应: Auger复合是电子与空穴直接复合、而将能量交给另一个自由 载流子的过程. N型半导体的Auger复合寿命A 1/ n2 ; 在重掺杂时, A 的数值很小. 在Si发射区掺杂浓度 1019 cm-3 时, Auger复合寿命将小于SHR复合寿命 ( SHR复合寿命的典型值为10-7 s ). 则发射区少子寿命即由A很小的 Auger过程决定; 从而使发射区的少子扩散长度, 注射效率. 22非理想非理想BJT小电流增益下降的主要原因小电流增益下降的主要原因: Sha效应 发射结

13、势垒区的复合电流 IE r 使注射效率降低: 因为E结复合电流 IER exp qVBE /2kT, 而 IC exp qVBE / kT , 则当VBE 很小时, IER在IB中将占主要成分; 于是有 0 exp 1- (1/2)qVBE / kT. 故在IC很小时, E结中的复合将使0下降 Sah效应. 基区的表面复合电流 ISR 基区表面复合项为 ISR / IE n Aeff s W / (A Dn) , 则输运系数为 0 = 1 (基区体内复合项) (基区表面复合项) = 1 W2/ 2Ln2 Aeff s W / (A Dn) . 在小电流时, 表面复合的影响比较重要.23 一种非

14、理想的一种非理想的 BJTBJT (漂移晶体管漂移晶体管)： * 双扩散晶体管的杂质浓度分布 一般基区杂质浓度的分布 为高斯分布或余误差分布. (可采用指数分布来近似.) * 基区自建电场的作用 对注入的少子有加速作用. (表面附近有一点减速电场.) * 基区自建电场 E的大小 E = ( kT / q ) / pp(x) dpp(x) / dx - ( kT / q ) / NB(x) dNB(x) / dx . 若杂质分布采用指数近似,则自建电场与位置无关: E = - (kT/q)(/W) = 常数, 称为电场因子.npn(B)0 xND-NA24* 漂移晶体管的漂移晶体管的基区电子分布

15、基区电子分布 和和基区电子电流基区电子电流 : 在忽略基区复合( In = IEn )和在放大态时,可得到基区电子 浓度的分布和基区的少子电流 np(x) = pp(x)dx NB(x)dx ， IEn = - . 其中GB 表示单位面积中性基区的杂质总量单位面积中性基区的杂质总量( Gummel 数 ): GB = 对均匀基区有 GB = W NB . 可见: 对漂移管,只要在均匀基区晶体管的有关公式中, 用 GB 来代替( W NB )即可.0NB(x)dx .WIE nq A Dn pp(x）xWq A Dn ni2 expqVBE / kT pp(x）dxW0q A Dn ni2 ex

16、pqVBE / kTGBq Dn NB(x）IE nWx25* 漂移晶体管的漂移晶体管的电流增益电流增益: 注射效率 0= (1 + IEP / IEn )-1 = 1 + ( DP GB / Dn GE )-1 , GE 是发射区的Gummel数. 输运系数 因为基区体复合电流为 IVR = qA np(x) / n dx = IEnW2 / Ln2 (指数分布近似), 1/= - 1 + exp(-) /2 (- 1)/ 2 1 / ; 则输运系数为 * = 1 IVR / IEn = 1 - W2/ Ln2 . 直流电流增益 (掺杂浓度均是指平均值) 0 = 0 * = 1+ (PE /

17、n) (W/WE) (NB / NE) -1 (1- W2 /Ln2 ) 1 - (PE /n) (W/WE) (NB / NE) - W2 /Ln2 , 1/0 = 1 - 0 = (PE /n) (W/WE) (NB / NE) + W2 /Ln2 . 当 取2时, 即得到均匀基区的结果.0W26非理想非理想BJT的的: * 基区扩展电阻基区扩展电阻 是在发射区的正下方、与结面平行的电阻(二个2rbb的并联),因为IB在 发射区下方是不均匀的(在流向发射极中央时不断减小),故为扩展电阻. 总的基极电阻rb是二个 ( 2rbb + RDB ) 的并联, RDB是欧姆电阻. 扩展电阻上的横向电

18、压为 Vbb = rbb IB . * 减小基极电阻减小基极电阻r rb b的途径的途径 减小E-B间距 ; 提高基区掺杂浓度; 减小基极欧姆接触电阻.+ B- E+ Bn+pn2rbb2rbbRDBRDB27非理想非理想BJT的的 : * 发射极电流集边效应发射极电流集边效应 (基极电阻自偏压效应) 现象现象：在大电流时, 横向电压Vbb将明显改变各点的电压VEB E极注入 电流密度从边缘至中央指数下降 ( IE = I0 exp(qVBE/kT ), 当VEB 减小kT/q 时, IE 降为IE /e ) 在Vbb kT/q 时, IE 将集中在发射结边缘附近 电流 集边效应(基极电阻引起

19、的横向电压所致), 使得发射极有效宽度减小 (存 在发射极有效条宽). 影响影响：发射结边缘处电流密度易产生基区电导调制效应和基区展宽 效应, 同时使发射结的有效利用面积晶体管最大电流容量取决于发 射极周长存在发射极单位周长电流容量, 极大地影响晶体管的功率特性. * 降低电流集边效应的方法降低电流集边效应的方法 限制电流 (因为大电流时容易产生集边效应); 基区掺杂NB不能太低; 采用高的发射极周长/面积比的结构(梳状结构有很高的周长/面积比).28 非理想非理想BJT的的 () : * 现象现象 在放大态, VCB变化 C结宽度变化 基区宽度W变化 Early效应. 该效应将使增益变化和输

20、出电阻降低. * Early电压电压 因为 IC IEn , 则有 = - Ic pp(W) - Ic / VA , 其中VA称为Early电压: VA = Pp(x) dx = GB / Cjc , 基区多子电荷总量GB = qA pp(x) dx , = Cjc (C结小信号电容)1pp(x) dxWVBC pp(W) W/VBC W0W0dQBdVBC ICVBC 0W29* Early电压电压VA 的图解确定的图解确定 因VA与VCB近似无关, 故VA常取VCB= 0 时的值; 再根据 = ， 即可由共发射极 输出特性曲线来 确定 VA .d ICdVBC ICVA0-VAVCEIE

21、= 0IE 0, VBC = 0ICVCEICIC30 非理想非理想BJT的的: * 现象: 在大电流时,基区发生展宽的现象即为Kirk效应. * 影响: 基区存储少子电荷增加; 0下降; 频率特性变差. 严重 影响晶体管的高频功率特性. * 改进方法: 保证 “集电极电流密度 临界电流密度 Jco q vs NC ”. 提高C区掺杂浓度; 减小C区厚度; 设定集电极最大允许工作电流.B(p)C(n)势垒区xE？31非理想非理想BJT的的() : * 现象现象: 当VBE 较大、大注入电子时 基区中也有大量的空穴积累 (并维 持与电子相同的浓度梯度), 这相当于增加了基区的掺杂浓度, 使基区电

22、阻 率下降 基区电导调制效应 注射效率降低, 0下降 Webster效应. * 电阻率的变化电阻率的变化: 若原来p型基区的电阻率为 0 (q p NB)-1 , 大注入时, pP = NB + p = NB + n , 则电阻率变为 = q p ( NB + n ) - 1 = 0 NB / ( NB + n ) . 可见: 大注入可使电阻率大大降低, 而且注入越大, 降低得越多. 这对大电 流状态下工作的均匀基区晶体管的影响特别严重 (是引起大电流0下降 的主要原因).3233 0 IC 的关系曲线的关系曲线: 小电流时, 0 随 IC 的增大而上升( 0 IC ( 1 - 1/m ) )

23、 ; 中等电流时, 0 与 IC 无关; 大电流时, 0 随 IC 的增大而下降 ( 0 1/ IC , Webster效应 + Kirk效应). 注: 均匀基区的合金管容 易发生Webster效应; 而缓变基区的平面管 容易发生Kirk效应.IC0E结复合等电流大注入34 非理想非理想BJT的的 (击穿电压击穿电压BV) : * 击穿电压击穿电压 是集电极反向电流急剧增加时的反向VCB 或 VCE值. 大多为雪崩击穿. E极开路时的击穿电压: BVCBo EC2 / 2qNC (EC为临界击穿电场). B极开路时的击穿电压: BVCEo = BVCBo (1 - o )1/n . 由于这时发

24、射结有注入作用, 故 BVCEo f 时有 f = 0 f= fT . 最高振荡频率最高振荡频率fm （Le是发射极引线电感是发射极引线电感） fm = fT / 8(rB+fT Le)Cjc fT 8 fT rB Cjc -1/2 . 在 f fT 时有 f Gp1/2 = fm , 故也称fm为功率增益-带宽乘积.（F 是正向渡越时间是正向渡越时间）50 BJT中载流子的渡越时间: * E-C有效渡越时间有效渡越时间 在计入电子渡越C结耗尽层Xdc的时间D = Xdc / vs 之后, 则有 fT = ( 2EC )-1, EC = E + B + D + C , 决定 fT 的因素: 主

25、要是B , 其次是结电容( 特别是C结电容 ). * 少子渡越中性基区的时间少子渡越中性基区的时间B B = QB / IC * 提高工作频率的措施提高工作频率的措施 采用n-p-n结构(Dn较Dp大); 减小W; 结面积(特别要减小C结 面积 如用深槽隔离方法来限制C结面积); 基极电阻; 引线 电感.V(x)dx0W均匀基区: B = W2 / ( 2 Dn )缓变基区: B = W2 / ( Dn ), 25152 fT 与工作点的关系： 因fT与工作点有关, 故在使用晶体管和测试fT时, 需要合理地选择工作点.20406080004812162003004005006002003004

26、00500600fT(MHz)fT(MHz)IC (mA)VCE (V)大注入自建电场(见后)Kirk效应rE影响B ,C ,D 都有影响D 变大53 最佳高频功率增益GP与工作点的关系： GP = fT / 8f2 ( rB+fT L ) Cjc 00GP(dB)GP(dB)IC VCE Kirk效应使fT下降fT 影响IC 固定VCE 固定54 BJT的输出功率-频率限制: * 晶体管的最大输出功率最大输出功率Pm 由最大允许电压Vm 和 最大允许 电流Im决定: Vm = Ec LEC , fT = 1 / (2EC) = vs / (2LEC) , Vm fT = Ec vs / (2

27、) ; Im = Vm / Xc , Xc = (T Cjc )-1 ; Pm = Vm2 / Xc , Vm = Pm Xc ; Pm Xc fT = Ec vs / (2) . * 对于一定的晶体管阻抗, 晶体管的功率输出能力将随着截止 频率的升高而下降 .55 (5) BJT的功率特性 BJT的功率与电流的关系 BJT在大注入时在大注入时的自建电场BJT的二次击穿56如何提高BJT的功率? 0 与与IC的关系的关系： 在于如何提高ICM ? fT与与IC的关系的关系： 大电流时Kirk效应 将使 fT 下降, 如何减弱Kirk效应? 安全工作区安全工作区(SOA)： 如何改善二次击穿和

28、提高BVCEO、ICM、PCM？VCEICBVCEOICMPCM热学二次击穿雪崩注入二次击穿Webster效应和Kirk效应ICICM00 m大注入自建电场+复合作用0 m/257大注入自建电场 * 大注入自建电场的作用： 在基区中的自建电场等效于使少子 扩散系数随注入而增加; 并且使杂质 梯度产生的内建电场减弱 (可忽略). * 大注入自建电场对B 的影响： 使少子渡越基区的时间缩短 fT 提高. 对均匀基区晶体管(使扩散系数加倍): (小注入)B = WB2 /(2DnB) (大注入)B = WB2 /(4DnB) ; 对非均匀基区晶体管(杂质内建电场减弱均匀基区晶体管): (小注入)B

29、= WB2 /(DnB) (大注入)B = WB2 /(4DnB) . * 大注入(也可能是小电流)自建电场对器件性能有好处: 使基区输运系数增大 电流放大系数提高; 使基区渡越时间加快 工作频率提高.nBpBpBnB（B区）（B区）小注入大注入58二次击穿: * 二次击穿现象二次击穿现象 二次击穿可分为4个阶段个阶段: C结雪崩击穿(一次击穿) IC达到A点, 短暂停留后即从高压区 转至低电压区, 出现负阻 若无限流措施, 则IC继续增加而进入 低压大电流区(此时半导体因高温而 呈本征性) IC继续增大, 使击穿点熔化而永久性 损坏晶体管.VCEA一次击穿二次击穿ICVCEICIB0二次击穿

30、临界线59* 电流集中二次击穿机理电流集中二次击穿机理 * 击穿过程特点击穿过程特点: 电流局部集中形成过热点( td 较长) 局部热击穿(局部 熔化而造成CE穿通). * 改进措施改进措施: 主要是避免电流局部集中(减弱发射极电流集边效应, 均匀分 配 IE , 材料和工艺均匀). * 雪崩注入二次击穿机理雪崩注入二次击穿机理 * 击穿过程特点击穿过程特点: 对Si- n+p n n+ 外延平面管, 在 td很短的时间内即发生这种 击穿; 产生这种击穿的条件是: n型C区中的最大电场要达到击穿临界电 场; 一次击穿后最大电场要从p-n结转移到n-n+结. * 改进措施改进措施: 主要是避免在

31、C区发生雪崩击穿.6061 (6) BJT 的 开 关 特 性 BJT的 “开”、“关” 状态 BJT的 开关时间 BJT的正向压降和饱和压降62“开”和“关”的状态: 截止区截止区 IB = ( ICBO + IEBO ) 0 , IC = ICEO , VCE VCC . 输出高电压和小电流. 饱和区饱和区 VBC=0 时为临界饱和; 临界饱和驱动电流为 IBS =ICS /VCC / RL ; IC VCC / RL . 在IC很大时, Ron很小 ; 这时基区存储有电荷 QS . 输出低电压和大电流.RLRBVCCVBBIB= 01mA2mA3mAIB=4mAVCEVCCVCC / R

32、LIC截止区饱和区放大区063 基区中少数载流子浓度的分布 (临界饱和时的少子分布) 临界饱和时, C结电压VC=0,基区中有少子存储电荷QS; 当VC0才进入深饱和态, 将有少子超量存储电荷QBS, IC不随IB变化, 而由外电路决定.(截止时基区的少子分布)流出基极的电流是2个结的反向电流之和; E结0偏(相当于基极通过一个电阻接地)时, 流过E结的电流0; 一般用IB0 作为截止区.nnpQSVEB=0VEB0npn64 在输入脉冲从负变到正时，晶体管 如何从截止态转变到临界饱和态？ 并进一步又如何转变到深饱和态？RLVCCVBERB截止态临界饱和态深饱和态发射结电压集电结电压集电极电流

33、基极电流？ 填写下面的表格： 示意画出基区和集电区中的少数载流子浓度分布曲线。65开关时间: * 开关过程的图示开关过程的图示 延迟时间 td = t1 - t0 ; 上升时间 tr = t2 - t1 ; 存储时间 ts = t4 - t3 ; 下降时间 tf = t5 - t4 .开启时间关闭时间0Wnp(x)QSt2 (和t4 )tnt3QBSIBVBQB(t)QStttt(基极输入脉冲)(基极电流)(基区存储电荷)IC(集电极电流)t0t1t2t3t4t5tnIB1IB266 * 延迟时间 td 主要是对E结和C结充电的时间 . * 上升时间(导通时间导通时间) tr 导通时间过程是基

34、区存储电荷积累到QS的过程: tr = n ln 1 / 1- QS / IBn . * 存储延迟时间 ts 存储时间主要是过量存储电荷消失的过程. 对双扩散晶体管有 tS = pc ln IB / ( ICS / 0 ) . * 下降时间 tf 是上升过程的逆过程(QS的消失过程). 67 * 提高开关速度的措施 主要是减短 tS . 内部参数设计考虑内部参数设计考虑: a)掺Au, 减短C区少子寿命; b)采用外延结构（外延层的厚度薄、电阻 率低）；c)减小结面积（使结电容,可减短 td、 tr、tf）；d)减小基区 宽度（使QB, 可大大降低tr、tf ）。 外部使用条件考虑外部使用条件考虑: a)按照S=4来选取IB1; b)增大抽取，可减短 tS、tf ; c)在临界饱和状态工作(无超量存储电荷), 则 tS 0, 但VCE较高(0.7V); d)尽可能选择较小的RL,