微电子器件(3-3)

1、 本节以本节以 NPN 管为例，结电压为管为例，结电压为 VBE 与与 VBC 。PN+N0 xjCxjENE(x)NB(x)NCx0 xjCxjE 本节求基区输运系数本节求基区输运系数 的思路的思路BbnEQJ 进而求出基区渡越时间进而求出基区渡越时间 bB1 将将 E 代入少子电流密度方程，求出代入少子电流密度方程，求出 JnE 、nB (x) 与与 QB 令基区多子电流密度为零，解出基区内建电场令基区多子电流密度为零，解出基区内建电场 E 最后求出最后求出 基区杂质分布的不均匀会在基区中产生一个内建电场基区杂质分布的不均匀会在基区中产生一个内建电场 E ，使少子在基区内以漂移运动为主，使

2、少子在基区内以漂移运动为主，所以所以缓变基区晶体管又缓变基区晶体管又称为称为漂移晶体管。漂移晶体管。 3.3.1 基区内建电场的形成基区内建电场的形成NB(x)NB(WB)NB(0)WB0 x 在实际的缓变基区晶体管中，在实际的缓变基区晶体管中， 的值为的值为 4 8 。 设基区杂质浓度分布为设基区杂质浓度分布为式中式中 是表征基区内杂质变化程度的一个参数，是表征基区内杂质变化程度的一个参数， 当当 时为均匀基区；时为均匀基区；BBBexp)0()(WxNxN)()0(lnBBBWNNexp)0()(BBBNWN0 因为因为 ， ，所以内建电场对渡越基区的电子起，所以内建电场对渡越基区的电子起

3、加速作用，是加速作用，是 加速场加速场 。 令基区多子电流为零，令基区多子电流为零，BpppBd( )( )0dpxJqDqpx Ex解得解得 内建电场内建电场 为为0E Bd0dNxpBpBd( )1( )dDpxEpxx 小注入时，基区中总的多子浓度即为平衡多子浓度，小注入时，基区中总的多子浓度即为平衡多子浓度，)()()(BBOBxNxpxpnBnBd( )1( )dDNxNxx 将基区内建电场将基区内建电场 E 代入电子电流密度方程，可得注入基区代入电子电流密度方程，可得注入基区的少子形成的电流密度为的少子形成的电流密度为 3.3.2 基区少子电流密度与基区少子浓度分布基区少子电流密度

4、与基区少子浓度分布22BEnEpB1ni2BEpnB1iexp1exp1qVJqRD nkTqVqkTRnkT 口口BB1pB01dWRqNx口 根据非均匀材料方块电阻表达式，缓变基区的方块电阻为根据非均匀材料方块电阻表达式，缓变基区的方块电阻为于是于是 JnE 可表示为可表示为B2niBEnEB0exp1dWqD nqVJkTNx 基区少子分布基区少子分布 nB (x) 的表达式是的表达式是BnEBBn1 exp1( )x WJ WnxqD 对于均匀基区，对于均匀基区， nEBBB0nBBlim101J WxxnxnqDWWBnEBBn1 exp1( )x WJ WnxqD 对于对于缓变基区

5、晶体管，缓变基区晶体管，当当 较大时，上式可简化为较大时，上式可简化为 3.3.3 基区渡越时间与输运系数基区渡越时间与输运系数 注：将注：将 Dn 写为写为 DB ，上式可同时适用于，上式可同时适用于 PNP 管和管和 NPN 管。管。 对于均匀基区对于均匀基区晶体管晶体管， B2Bb02limDW 可见，可见，内建电场的存在使少子的基区渡越时间大为减小。内建电场的存在使少子的基区渡越时间大为减小。 B2B0BBbnEnEnd2112WqnxxQWeJJD1122B2BbDW 利用上面得到的基区渡越时间利用上面得到的基区渡越时间 b ，可得，可得缓变基区晶体管的缓变基区晶体管的基区输运系数基

6、区输运系数 为为1122112B2BBbLW 3.3.4 注入效率与电流放大系数注入效率与电流放大系数 已知从发射区注入基区的电子形成的电流密度为已知从发射区注入基区的电子形成的电流密度为 类似地，可得从基区注入发射区的空穴形成的电流密度为类似地，可得从基区注入发射区的空穴形成的电流密度为式中，式中，2BEnEnpB1iexp1qVJqkTRnkT 口2BEpEnpEiexp1qVJqkTRnkT 口EB0EnE0BpB11,1WWdxNqRdxNqR口口1BE1BEnEpEpEnEnEEnE11111口口口口RRRRJJJJJJJ 于是可得缓变基区晶体管的注入效率为于是可得缓变基区晶体管的注

7、入效率为以及缓变基区晶体管的电流放大系数为以及缓变基区晶体管的电流放大系数为2EB2BB1121EBBB1211112121112RWLRRWLR 口口口口 3.3.5 小电流时电流放大系数的下降小电流时电流放大系数的下降 实测表明，实测表明， 与发射极电流与发射极电流 IE 有如下所示的关系。有如下所示的关系。 原因：原因：当发射结正向电流很小时，发射结势垒区复合电流当发射结正向电流很小时，发射结势垒区复合电流密度密度 JrE 的比例将增大，使注入效率下降。的比例将增大，使注入效率下降。 当电流很小时，相应的当电流很小时，相应的 VBE 也很小，这时也很小，这时 很大，使很大，使减减小，从而

8、使小，从而使 减小。减小。式中，式中，nErE1B口ErEpEnEnEEnE11JJRRJJJJJJ口 当当 JrE 不能被忽略时，注入效率为不能被忽略时，注入效率为kTqVnLNxJJ2exp2BEiBEdnErEnErEJJ 3.3.6 发射区重掺杂的影响发射区重掺杂的影响 重掺杂效应：重掺杂效应：当发射区掺杂浓度当发射区掺杂浓度 NE 太高时，不但不能提高太高时，不但不能提高注入效率注入效率 ，反而会使其下降，从而使，反而会使其下降，从而使 和和 下降。下降。 原因：发射区禁带宽度变窄原因：发射区禁带宽度变窄 与与 俄歇复合增强俄歇复合增强 。 1、发射区重掺杂效应、发射区重掺杂效应 对

9、于室温下的硅对于室温下的硅 ，21sE2sG163kTNqqE12EG1822.5meV10NE (1) 禁带变窄禁带变窄GEVEVECECEGEGE 发射区禁带变窄后，会使从基区注入发射区形成的少子电发射区禁带变窄后，会使从基区注入发射区形成的少子电流流 JpE 增加，使注入效率增加，使注入效率下降。下降。pEEGnEB111expJREJRkT 口口NE 增大而下降，从而导致增大而下降，从而导致 与与 的下降。的下降。增大而先增大。但当增大而先增大。但当 NE 超过超过 ( 1 5 )1019 cm-3 后，后， 反而随反而随 随着随着 NE 的增大，的增大， 减小，减小， 增大，增大，

10、随随 NE1BE口口RR kTEGexp (2) 俄歇复合增强俄歇复合增强EEEDNELpEJ 2、基区陷落效应、基区陷落效应 当发射区的磷掺杂浓度很高时，会使发射区正下方的集电当发射区的磷掺杂浓度很高时，会使发射区正下方的集电结结面向下扩展，这个现象称为结结面向下扩展，这个现象称为 基区陷落效应基区陷落效应。 由于基区陷落效应，使得结深不易控制，难以将基区宽度由于基区陷落效应，使得结深不易控制，难以将基区宽度做得很薄。做得很薄。 为了避免基区陷落效应，目前微波晶体管的发射区多采用为了避免基区陷落效应，目前微波晶体管的发射区多采用砷扩散来代替磷扩散。砷扩散来代替磷扩散。 3.3.7 异质结双极晶