第二章 双极型晶体管

1、微电子元器件与项目训练 授课教师：余菲第2章 双极型晶体管 教师：余菲 电子邮件： 电话电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：讨论主题：n1.晶体管结构与分类n2.晶体管的直流特性 2.1晶体管的放大原理 2.2晶体管的直流电路 2.3晶体管的反偏特性n3.晶体管的开关特性n4.晶体管的设计微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： 晶体管（半导体三极管）是由两个晶体管（半导体三极管）是由两个P-N结构成结构成的三端器件。由于两个的三端器件。由于两个P-N结靠得很近，其具有放结靠得很近，其具有放大电信号的能

2、力，因此在电子电路中获得了比半导大电信号的能力，因此在电子电路中获得了比半导体二极管更广泛的应用。（半导体二极管由一个体二极管更广泛的应用。（半导体二极管由一个P-N结构成，利用结构成，利用P-N结的单向导电性，二极管在整结的单向导电性，二极管在整流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在P-N结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构、放大作结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构、放大作用以及其他一些特性，如反向电流、击穿电压、基用以及其他一些特性，如反向电流、击穿电压、基极电阻等。极电阻等。1.晶体管结构与分类微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：135102

3、69257 mail： 晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频管和高频管，小功率管和大功率管，高反压管和开频管和高频管，小功率管和大功率管，高反压管和开关管等等。关管等等。 但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为发射结和集电结的分别称为发射结和集电结的P-N结组成。结组成。 两个两个P-N结将晶体管划分为三个区：发射区、基区结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集电极，用符号极和集电极，用符号E、B、

4、C（e、b、c）表示。）表示。 晶体管的基本形式可分为晶体管的基本形式可分为PNP型和型和NPN型两种。型两种。微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：基极：Base；集电极：Collector；发射极：Emitter。 微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： 合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在合金管是早期发展

5、起来的晶体管。其结构是在N型型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成型半导体，从而形成PNP结构，如结构，如图所示。图中图所示。图中Wb为基区宽度，为基区宽度，Xje和和Xjc分别为发射结和分别为发射结和集电结的结深。集电结的结深。 合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似合金结的杂质分布特点

6、是：三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个P-N结都是结都是突变结。突变结。 合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到10微微米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： 在高浓度的在高浓度的N+衬衬底上，生长一层底上，生长一层N型的型的外延层，

7、再在外延层上外延层，再在外延层上用硼扩散制作用硼扩散制作P区，后区，后在在P区上用磷扩散形成区上用磷扩散形成一个一个N+区。区。 其结构是一个其结构是一个NPN型的三层式结构，上面型的三层式结构，上面的的N+区是发射区，中间区是发射区，中间的的P区是基区，底下的区是基区，底下的N区是集电区。区是集电区。微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： 平面晶体管的发平面晶体管的发射区和基区是用杂质射区和基区是用杂质扩散的方法制造得到扩散的方法制造得到的，所以在平面管的的，所以在平面管的三层结构即三个区域三层结构即三个区域的杂质分布是不均匀的杂质分布是不均匀的。的。 其杂

8、质分布可根其杂质分布可根据扩散工艺推算出来，据扩散工艺推算出来，如图所示。如图所示。微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： 晶体管的基区杂质分布有两种形式：晶体管的基区杂质分布有两种形式：均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管。均均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管。均匀基区晶体管中，匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，故又称为扩散型晶体管进行，故又称为扩散型晶体管。基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶体管。这类晶体管的基区存在自建电场，体管。这类晶体管的基

9、区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以而且往往以漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。2.晶体管的直流特性微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：2.1晶体管的放大原理n扩散长度的含义：超量载流子浓度下降到0时候的扩散距离nPN结扩散与复合的关系： 边扩散变复合，形成稳定的浓度梯度，最后少子浓度下降到0，扩散流完全转化为漂移流微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：n理解PN节电流公式:) 1)() 1(00220kTqUppNinnPikTqUeLDnnLD

10、pnAqeII微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：19PNNIEIBICVEVCInEInCIpEIvBIpCOInCO电子流电子流空穴流空穴流漂移运动：电场作用漂移运动：电场作用下的运动下的运动扩散运动：浓度梯度扩散运动：浓度梯度下的运动下的运动晶体管的电流传输过程晶体管的电流传输过程1019/cm31015/cm31018/cm3冶金结冶金结 1019/cm3 1016/cm3 1016/cm3 平面工艺平面工艺2.1晶体管的放大原理微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：n精神的精髓: BE 之间的电压决定了BE之间的电

11、流,但是BE之间的电流绝大部分都漏到了C那里去了,漏的和不漏的成比例,所以有电流放大作用n问题：为什么两个二极管不能实现放大?n猜想：什么能影响放大倍数？微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：n从PN节电流公式出发: 但是，如果基区很小，则载流子不用一个扩散长度就恢复到零，而是用一个基区的宽度就恢复成零L-W) 1)() 1(00220kTqUppNinnPikTqUeLDnnLDpnAqeII微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：ECBkTqVpCCpCBBnBkTqVBBBBBnBCkTqVpEEpEBBnBEIIIeLp

12、qDWnqADenqAWWnqADIeLpqADWnqADICEE) 1() 1(2) 1(/00/00/00对于平面晶体管对于平面晶体管代入结电流公式代入结电流公式基耳霍夫基耳霍夫微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：基区输运系数基区输运系数 *晶体管的发射效率晶体管的发射效率注入基区的电子电流注入基区的电子电流与发射极电流的比值与发射极电流的比值到达集电结的电子电流到达集电结的电子电流与进入基区的电子电流之比与进入基区的电子电流之比nECII*0EnEII微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：*000ECII晶体管的共基极

13、直流增益晶体管的共基极直流增益0001BCII晶体管的共发射极直流增益晶体管的共发射极直流增益微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：载流子传输过程载流子传输过程: 载流子从发射区到基区载流子从发射区到基区:发射效率发射效率 0 0载流子在基区渡越载流子在基区渡越: :基区输运系数基区输运系数 0 0* * pEBEBnBpELWNNDD1102*0)(211nBBLW对于平面晶体管对于平面晶体管微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：计算题n已知一个晶体管的发射效率有99%，而基区输运系数为98%，求该晶体管的共发射极放大倍数，

14、共基极放大倍数。微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：n关于放大倍数影响因素的讨论：p129-139设计晶体管重要考虑，课程重要要求1.发射结电子空穴复合以及发射极重掺杂2.基区变宽效应微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：pEBEBnBpELWNNDD1102*0)(211nBBLWBWENBN温度增高放大倍数增加基区宽边效应放大倍数增加过分增加发射区浓度放大倍数减小微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：2.2晶体管的直流电路n晶体管是电子传输过程PNNIBICVEVCInEInCIpEIv

15、BIpCOInCO电子流电子流空穴流空穴流微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：RLVCCVBBRBVi共射：共射：微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：共基：共基：RERLIEIC微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：n放大倍数与特征曲线：输入特性输出特性微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：共基极输入特性曲线共基极输入特性曲线 输出电压输出电压VCB一一定时，输入电流与定时，输入电流与输入电压的关系曲输入电压的关系曲线，即线，即IEVBE关系关系曲线曲线微

16、电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：共射极输入特性曲线共射极输入特性曲线 在输出电压在输出电压VCE一定时，输一定时，输入端电流入端电流IB与输与输入端电压入端电压VBE的的关系曲线，即关系曲线，即IBVBE曲线。曲线。微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：共基极输出特性曲线共基极输出特性曲线输出端电流随输出端电流随输出电压变化输出电压变化的关系曲线，的关系曲线，即即ICVCB关系关系曲线。曲线。何时饱和?微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：共射极输出特性曲线共射极输出特性曲线ICVCE关系

17、曲线关系曲线微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：n晶体管的反向电流是晶体管的重要参数之一，它包括ICBO，IEBO和ICEO 。n反向电流过大的危害：降低成品率 （反向电流不受输入电流控制，对放大作用无贡献，而且消耗电源功率使晶体管发热，影响晶体管工作的稳定性，甚至烧毁 ）所以，希望反向电流越小越好 。2.3晶体管的反偏特性微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： ICBO当发射极开路（IE=0）时，集电极-基极的反向电流微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：反向电流少子电流多子电流+杂质电流

18、微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：锗晶体管的反向电流：反向扩散电流（少子电流）硅晶体管的反向电流：势垒区的产生电流（因为势垒区的产生电流是由势垒区中的复合中心提供的）多子电流多子电流mCiCBOx2nAqIXmC：集电结势垒区宽度：集电结势垒区宽度 ：晶体管的：晶体管的发射效率发射效率 pc0ncpcb0pbnbCBOLpqD1WnqDAI微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： IEBO 集电极开路（IC=0）时，发射极-基极的反向电流 微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：锗晶体管 硅晶

19、体管的IEBO完全与ICBO类似 pe0nepeIb0pbnbEBOLpqD1WnqDAImEiEBOx2nAqII ：晶体管反向工作时的发射效率：晶体管反向工作时的发射效率XmE:发射结势垒区宽度发射结势垒区宽度微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：注意 晶体管的反向扩散电流和势垒区的产生电流是很小的。 引起反向电流过大的原因往往是表面引起反向电流过大的原因往往是表面漏电流太大。漏电流太大。 因此，在生产过程中，搞好表面清洁处理及工艺规范是减小反向电流的关键。 微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：ICEO基极开路（IB=0

20、）时，集电极-发射极之间反向电流微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： ：共射极电流放大系数 说明 要减小ICEO，必须减小ICBO。 电流放大系数不要追求过高 （因为ICEO太大，会影响晶体管工作的稳定性） CBOCBOCEOI )1 (1II微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：晶体管的击穿电压 晶体管的击穿电压是晶体管的 另一个重要参数 晶体管承受电压的上限 击穿电压有 BVEBO BVCBO BVCEO 微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： BVEBO和BVCBO BVEBO：集电极

21、开路时，发射极与基极间的击穿电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。 对于平面管，由于发射结由两次扩散形成，在表面处结两边杂质浓度最高，因而雪崩击穿电压在结侧面最低，BVEBO由基区扩散层表面杂质浓度NBs决定，所以BVEBO只有几伏。 微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： 硬击穿（图中曲线甲）： BVCBO：集电结的雪崩击穿电压VB 软击穿（图中曲线乙）： BVCBO比VB低 BVCBO ：发射极开路时，集电极与基极间的：发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压，一般为集电结的雪崩击穿电压。击穿电压，一般为集电结的雪崩击穿电压。微电子专业核心课程 教师：余菲 电话

22、mail：BVCEOBVCEO 基极开路时，集电极与发射极 之间的击穿电压。 BVCEO与BVCBO之间满足以下关系 n：常数：常数 集电结低掺杂区为集电结低掺杂区为N型时，型时，硅管硅管n=4，锗管，锗管n=3 集电结低掺杂区为集电结低掺杂区为P型时，型时，硅管硅管n=2，锗管，锗管n=6 因为因为大于大于1，所以，所以，BVCEOIBS，晶体管进入饱和，此时定义IBX=IB-IBS，叫做基极过驱动电流 过驱动基极电流将在基区堆积，并向集电区发射，同时在基区、集电区有等量电荷存储超量存储电荷微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：晶体

23、管进入饱和时的情况：晶体管进入饱和时的情况： 当当IB=IBS时，晶体管达到临界饱和，时，晶体管达到临界饱和，ICS由外电路决定由外电路决定ICS VCC/RL 当当IBIBS，晶体管进入饱和，在基区和晶体管进入饱和，在基区和集电区有大量超量存储电荷集电区有大量超量存储电荷CBE超量存储电荷超量存储电荷 晶体管的开关特性晶体管的开关特性微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：超量存储电荷随基极电流增大而增大饱和深度 s BSBIIs CBE超量存储电荷超量存储电荷 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 微电子专业核心课程 教师：余菲 电话m

24、ail：3 存储过程和存储时间存储过程和存储时间 t3时刻，电压脉冲突变为时刻，电压脉冲突变为0，IB 从流入变从流入变为流出，将抽取基区内存储的超量存储电为流出，将抽取基区内存储的超量存储电荷，晶体管将从深饱和向临界饱和过度，荷，晶体管将从深饱和向临界饱和过度，但处于饱和状态，但处于饱和状态，IC基本不变（基本不变（VCC/RL） IB作用：基区内电荷的复合电流，使超量作用：基区内电荷的复合电流，使超量存储电荷消失的抽取电流存储电荷消失的抽取电流 存储过程所对应的时间存储过程所对应的时间存储时间存储时间ts 存储过程中晶体管从深饱和到临界饱和存储过程中晶体管从深饱和到临界饱和晶体管的开关过程

25、和开关时间晶体管的开关过程和开关时间微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：晶体管脱离饱和时的情况：晶体管脱离饱和时的情况： 当脉冲信号突变为当脉冲信号突变为0时，时， IB由流入变为由流入变为流出，将抽取饱和时存储在基区和集电区的流出，将抽取饱和时存储在基区和集电区的超量存储电荷，超量存储电荷，VBC将从正偏变为零偏，再将从正偏变为零偏，再变为反偏变为反偏 CBE晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： 减少存储时间方法减少存储时间方法 (storage time) 存储过程所

26、对应的时间存储过程所对应的时间存储时间存储时间ts 晶体管从深饱和到临界饱和晶体管从深饱和到临界饱和(0.9ICS) 减少存储时间方法：减少存储时间方法： 1.IB不要过大，晶体管饱和不要过深，以减少不要过大，晶体管饱和不要过深，以减少QBS和和QCS 2.保证保证CB击穿电压条件下，减少外延层厚度击穿电压条件下，减少外延层厚度 3.加大反向抽取电流加大反向抽取电流IB 4.缩短集电区少子寿命（掺金）缩短集电区少子寿命（掺金）晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：4 下降过程和下降时间下降过程和下降时间 IB

27、 继续反抽基区内的电荷，使基区内少子浓度梯度下继续反抽基区内的电荷，使基区内少子浓度梯度下降，降，IC基本减少，同时使发射结正偏减少，集电结偏基本减少，同时使发射结正偏减少，集电结偏置则从零偏转为反偏置则从零偏转为反偏 IB作用：发射结、集电结电容的放电电流，基区电荷作用：发射结、集电结电容的放电电流，基区电荷抽取电流抽取电流 下降过程所对应的时间下降过程所对应的时间下降时间下降时间tf 下降过程中晶体管从临界饱和到正向导通到微导通下降过程中晶体管从临界饱和到正向导通到微导通晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail： 减少下降时间方法减少下降时间方法: 1.减少结面积和基区宽度减少结面积和基区宽度2.增大基极反抽电流增大基极反抽电流IB3.减少减少AE、AC和和WB晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间微电子专业核心课程 教师：余菲 电话mail：交流电的复数表述法n显然，简谐量x与这个复数的实部相对应。于是我们可以说，若要用一个复数代表一个简谐量，则该复数的实部就是这个简谐量本身，或者说，复数的模与简谐量的峰值相对应，复数的辐角与简谐量的相位相对应。 微电子专业核心课程 教师：余菲 电话：135