半导体器件物理10

1、 2.3 晶体管的电流放大原理晶体管的电流放大原理晶体管工作在正向有源模式下（晶体管工作在正向有源模式下（ ， ）具有放大）具有放大电信号的功能，这是晶体管最主要的作用。单个电信号的功能，这是晶体管最主要的作用。单个 PN 结只具结只具有整流作用而不能放大电信号，但是当两个彼此很靠近的有整流作用而不能放大电信号，但是当两个彼此很靠近的 PN 结形成晶体管时，两个结之间就会相互作用而发生载流子交结形成晶体管时，两个结之间就会相互作用而发生载流子交换，晶体管的电流放大作用正是通过载流子的输运体现出来换，晶体管的电流放大作用正是通过载流子的输运体现出来的。的。0EV0CV1平衡晶体管的能带平衡晶体管

2、的能带在晶体管的三个端不在晶体管的三个端不加外电压时（即平衡加外电压时（即平衡状态下），晶体管具状态下），晶体管具有统一的费米能级，有统一的费米能级，其能带和载流子的分其能带和载流子的分布如图所示。布如图所示。 2正向有源模式下的正向有源模式下的能带能带晶体管处于放大模式晶体管处于放大模式下的能带和少子分布下的能带和少子分布如图所示。如图所示。由于发射结正偏，势垒降低了由于发射结正偏，势垒降低了 ，电子将从发射区向基区，电子将从发射区向基区注入，空穴将从基区向发射区注入，基区出现过量电子，发注入，空穴将从基区向发射区注入，基区出现过量电子，发射区出现过量空穴。过量载流子浓度取决于发射结偏压的大

3、射区出现过量空穴。过量载流子浓度取决于发射结偏压的大小和掺杂浓度。当基区宽度很小（远远小于电子的扩散长度）小和掺杂浓度。当基区宽度很小（远远小于电子的扩散长度）时，从发射区注入到基区的电子除少部分被复合掉外，其余时，从发射区注入到基区的电子除少部分被复合掉外，其余大部分能到达集电结耗尽层边缘。集电结处于反向偏压，集大部分能到达集电结耗尽层边缘。集电结处于反向偏压，集电结势垒增加了电结势垒增加了 。来到集电结的电子被电场扫入集电区，。来到集电结的电子被电场扫入集电区，成为集电极电流。这个注入电子电流远大于反偏集电结所提成为集电极电流。这个注入电子电流远大于反偏集电结所提供的反向饱和电流，是集电极

4、电流的主要部分。如果在集电供的反向饱和电流，是集电极电流的主要部分。如果在集电极回路中接入适当的负载就可以实现信号放大。极回路中接入适当的负载就可以实现信号放大。VqEVqC基区宽度很窄是晶体管实现放大作用的必要条件之一。如果基区宽度很窄是晶体管实现放大作用的必要条件之一。如果基区较宽（大于电子扩散长度），注入到基区的过量电子在基区较宽（大于电子扩散长度），注入到基区的过量电子在到达集电结之前被复合殆尽，此时晶体管是两个背靠背的到达集电结之前被复合殆尽，此时晶体管是两个背靠背的 PN 结，不可能有放大作用。结，不可能有放大作用。 下图表示处于放大状态的下图表示处于放大状态的 N+PN 晶体管内

5、的各电流分量。发射晶体管内的各电流分量。发射极和基极处于输入回路，基极和集电极处于输出回路，基极作极和基极处于输入回路，基极和集电极处于输出回路，基极作为公共端，这种连接方法称为为公共端，这种连接方法称为共基极接法共基极接法。 3电流分量电流分量（1）发射极电流）发射极电流IE发射极电流发射极电流 主要由三部分组成：主要由三部分组成：IE 从发射区注入到基区中的电子扩散电流从发射区注入到基区中的电子扩散电流 ，这股电流大部，这股电流大部分能够传输到集电极，成为集电极电流分能够传输到集电极，成为集电极电流 的主要部分的主要部分 从基区注入到发射区的空穴扩散电流从基区注入到发射区的空穴扩散电流 ，

6、这股电流对集电，这股电流对集电极电流极电流 无贡献，且还是基极电流无贡献，且还是基极电流 的一部分的一部分 发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流 ，这部分电流很，这部分电流很小，根据假设通常不考虑小，根据假设通常不考虑InEICIpEICIBIrgIIIIIIpEnErgpEnEE（2）基极电流）基极电流IB基极电流基极电流 由四部分组成：由四部分组成：IB 发射结正偏，由基区注入到发射区的空穴扩散电流发射结正偏，由基区注入到发射区的空穴扩散电流 基区复合电流基区复合电流 ，它代表从发射区注入基区的，它代表从发射区注入基区的电子与基区空穴复合形成的电流电子与基区

7、空穴复合形成的电流 发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流 （很小忽略）（很小忽略） 集电结反偏的反向饱和电流集电结反偏的反向饱和电流 ，这部分电流是由少子的，这部分电流是由少子的漂移形成，通常要比漂移形成，通常要比 和和 小很多小很多IpEIIInCnEVBIrgI0CBIpEIVBIIIIIIII0CBVBpErg0CBVBpEB（3）集电极电流）集电极电流IC集电极电流集电极电流 主要有两部分：主要有两部分：IC 扩散到集电结边界的电子扩散电流扩散到集电结边界的电子扩散电流 ，这些电子在集电，这些电子在集电结电场作用下输运至集电区，它是一股反向大电流，是集结

8、电场作用下输运至集电区，它是一股反向大电流，是集电极电流电极电流 的主要部分的主要部分 集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流 。InCICI0CBIII0CBnCCIIIpEnEEIIIIICB0nCnEpEB)(III0CBnCCIIIBCE可见，总的发射极电流可见，总的发射极电流 等于到达集电极的电子电流等于到达集电极的电子电流 和和通过基极流入的空穴电流通过基极流入的空穴电流 之和。一只好的晶体管，之和。一只好的晶体管， 与与 十分接近，而十分接近，而 很小。很小。 IEICIBICIEIB4晶体管的直流电流晶体管的直流电流-电压关系电压关系（1）求）求InE 是从发射区注入到基区的电子

9、在基区扩散形成的电流。根是从发射区注入到基区的电子在基区扩散形成的电流。根据假定，基区宽度（据假定，基区宽度（ ）远小于少子电子在基区中的扩散长）远小于少子电子在基区中的扩散长度度 ，则少子电子通过基区由于复合而损失的那部分很小，则少子电子通过基区由于复合而损失的那部分很小，基区电子可近似看成线性分布（如图中虚线）。基区电子可近似看成线性分布（如图中虚线）。xBLnBInE可得基区电子线性分布函数为：可得基区电子线性分布函数为：中性基区边界中性基区边界 处和处和 处电子浓度分别为：处电子浓度分别为：0 xxxBxxTkVqnxnBBE0BB1exp)(TkVqnnBE0BBexp)0(0exp

10、)(BC0BBBTkVqnxn 当当 较大时较大时VCTkVqxnDqAxxnDqAIxBEBB0nB0BnBnEexpd)(d可得基区电子线性分布函数为：可得基区电子线性分布函数为：xxnxxTkVqnxnB0BBBE0BB1exp)(TkVqnnBE0BBexp)0(nTkVqnxn0BBC0BBBexp)( 当当 较小时较小时VC1expd)(dBEBB0nB0BnBnETkVqxnDqAxxxDqAIx中性基区边界中性基区边界 处和处和 处电子浓度分别为：处电子浓度分别为：0 xxxB（2）求）求IpE 是由基区注入发射区的空穴扩散电流。在发射区，少子空是由基区注入发射区的空穴扩散电流

11、。在发射区，少子空穴浓度呈指数分布，且发射区宽度远大于少子扩散长度，所穴浓度呈指数分布，且发射区宽度远大于少子扩散长度，所以可直接用以可直接用 PN 结理论进行处理结理论进行处理IpETkVqpxpBE0EEEexp)(pp0EE)(少子空穴浓度的边界条件为：少子空穴浓度的边界条件为：pEE2E2pE)(d)(dxpxxpD在发射区内，少子空穴的稳态扩散方程为（一维）：在发射区内，少子空穴的稳态扩散方程为（一维）：（）（）1expd)(dBEpEE0pEEpEpEETkVqLpDqAxxpDqAIxx注入发射区的空穴扩散电流为：注入发射区的空穴扩散电流为：解方程（），得：解方程（），得：Lxx

12、TkVqppxpxppEEBEE0E0EEexp1exp)()(：发射区空穴扩散系数：发射区空穴扩散系数DpEpEpEpEDL：发射区空穴扩散长度：发射区空穴扩散长度其中其中（3）求）求IVB 是由发射区注入基区中的电子与基区中的空穴复合形成是由发射区注入基区中的电子与基区中的空穴复合形成的电流，等于单位时间内基区中复合的电子数与电子电荷量的电流，等于单位时间内基区中复合的电子数与电子电荷量之积，或者说单位时间内基区中复合的总电子电荷量，即：之积，或者说单位时间内基区中复合的总电子电荷量，即：IVB（ 为基区中电子寿命）为基区中电子寿命）nBVBnqInB在基区很窄、电子分布为线性的假设下，基

13、区中积累的注入在基区很窄、电子分布为线性的假设下，基区中积累的注入电子总数，大致等于载流子线性浓度分布曲线下的面积，即：电子总数，大致等于载流子线性浓度分布曲线下的面积，即：nnAxn0BBB)0(211exp21BE0BBTkVqnxA1exp2BEnB0BBVBTkVqnxqAI所以得：所以得：（4）求）求I0CB 是由于集电结反偏，少子漂移形成的反向电流，它由电是由于集电结反偏，少子漂移形成的反向电流，它由电子漂移电流子漂移电流 和空穴漂移电流和空穴漂移电流 两部分组成。根据反偏两部分组成。根据反偏 PN 结的理论，可得：结的理论，可得：I0CBInCBIpCB1expBCpC0CpCp

14、CBTkVqLpDqAI1expBCB0BnBnCBTkVqxnDqAI（因（因 ， 将将 换成换成 ）LxnBBLnBxB1expBCB0BnBpC0CpCTkVqxnDqALpDqAIIInCBpCB0CB所以有：所以有：（5）各电流分量）各电流分量 、 、IEICIBIIIpEnEE1expBEpE0EpEB0BnBTkVqLpDqAxnDqAIIII0CBVBpEB1exp2BEnB0BBpE0EpETkVqnxqALpDqA1expBCB0BnBpC0CpCTkVqxnDqALpDqAIIIIII0CBVBnE0CBnCC1exp2BEnB0BBB0BnBTkVqnxqAxnDqA1

15、expBCB0BnBpC0CpCTkVqxnDqALpDqA以上各式描述了晶体管的各电流与外加偏压、晶体管的结构以上各式描述了晶体管的各电流与外加偏压、晶体管的结构参数、工艺参数和制作晶体管的材料参数之间的关系，是分参数、工艺参数和制作晶体管的材料参数之间的关系，是分析晶体管其它性能参数的基础。析晶体管其它性能参数的基础。 5晶体管的直流电流放大系数晶体管的直流电流放大系数（1）电流放大系数的定义）电流放大系数的定义1）共基极电流放大系数）共基极电流放大系数下图是共基极接法，其特点是基极作为输入和输出的公共端。下图是共基极接法，其特点是基极作为输入和输出的公共端。共基极直流电流放大系数共基极直

16、流电流放大系数 定义为集电极输出电流定义为集电极输出电流 与发射与发射极输入电流极输入电流 之比，即之比，即0ICIEIIEC0 表征从发射极输入的电流表征从发射极输入的电流 中有多大比例传输到集电极成中有多大比例传输到集电极成为输出电流为输出电流 ，或者说发射极发射的电子有多大比例传输到，或者说发射极发射的电子有多大比例传输到了集电极。了集电极。 越大，说明晶体管的放大性能越好。在共基极越大，说明晶体管的放大性能越好。在共基极电路中，通过电路中，通过 控制控制 ， 总是小于总是小于 （相差（相差 ），可见），可见 小于小于 1。但是，性能良好的晶体管的。但是，性能良好的晶体管的 是很接近于是

17、很接近于 1 的。的。虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但由于集电极允许虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但由于集电极允许接入阻抗较大的负载，所以仍能够获得电压放大和功率放大。接入阻抗较大的负载，所以仍能够获得电压放大和功率放大。 0IEIC0IEICICIEIB002）共发射极电流放大系数）共发射极电流放大系数0右图是共发射极接法，其特点是右图是共发射极接法，其特点是发射极作为输入和输出的公共端。发射极作为输入和输出的公共端。共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数 定定义为集电极输出电流义为集电极输出电流 与基极输与基极输入电流入电流 之比，即：之比，即：0ICIBIIBC0

18、也是晶体管的重要参数之一。也是晶体管的重要参数之一。共发射极电路是用共发射极电路是用 去控制去控制 以实现电流放大的。以实现电流放大的。0IBIC3） 与与 的关系的关系00根据根据 ，有，有IIICEB00ECECCECBC01/1/IIIIIIIII 发射区高掺杂，能发射大量的电子；发射区高掺杂，能发射大量的电子； 基区低掺杂且基区宽度很窄，减少电子的复合损失；基区低掺杂且基区宽度很窄，减少电子的复合损失； 晶体管处于正向有源工作模式下，即：发射结正偏，发射晶体管处于正向有源工作模式下，即：发射结正偏，发射电子；集电结反偏，收集电子。电子；集电结反偏，收集电子。 因为因为 非常接近于非常接

19、近于 1，所以，所以 远大于远大于 1。由此可以看出，。由此可以看出， 的微小变化将引起的微小变化将引起 的很大变化，因而晶体管具有电流放大的很大变化，因而晶体管具有电流放大能力。晶体管（对于能力。晶体管（对于 N+PN 晶体管）要具有放大能力，必须晶体管）要具有放大能力，必须满足下列条件：满足下列条件：00IBIC（2）发射效率）发射效率 和基区输运系数和基区输运系数0T前面分析知道，前面分析知道， 总是小于总是小于 （相差（相差 ），即），即 总是小于总是小于 1。这是由于发射极发射的电子在传输到集电极的过程中，有两这是由于发射极发射的电子在传输到集电极的过程中，有两个阶段电子会损失：个阶

20、段电子会损失：ICIEIB0 发射区的电子与来自基区的少子空穴的复合损失，该复合发射区的电子与来自基区的少子空穴的复合损失，该复合形成了空穴电流形成了空穴电流 电子在穿越基区往集电结扩散的过程中，与基区中空穴的电子在穿越基区往集电结扩散的过程中，与基区中空穴的复合损失，形成体内复合电流复合损失，形成体内复合电流IpEIVB为此，分别引入发射效率为此，分别引入发射效率 和基区输运系数和基区输运系数 来表征两个阶来表征两个阶段电子损失比例的大小。段电子损失比例的大小。 0T01）发射效率）发射效率发射效率发射效率 定义为注入基区的电子电流定义为注入基区的电子电流 与发射极电流与发射极电流 的比值，

21、即：的比值，即：0InEIEIIIIIIInEpEpEnEnEEnE011由由 和和 的表达式可得：的表达式可得：IpEInELnxpDDIIpE0BB0EnBpEnEpELxnppEBB0nBE0pEpEBpEqTkDnBBnBqTkD（用到（用到 ， ）LxnppEBE0nBB0pE（用到（用到 ）npnpn2i0E0E0B0B（用到（用到 ， ）LxnppEBE0nEB0pBnEnBpBpELxpEBBE（用到（用到 ， ）pq0BpBB1nq0EnEE1：发射区空穴迁移率：发射区空穴迁移率：基区电子迁移率：基区电子迁移率：基区的电阻率：基区的电阻率：发射区的电阻率：发射区的电阻率pEn

22、BBELxpEBBE011所以有：所以有：上式表明：上式表明：发射区掺杂浓度越高（发射区掺杂浓度越高（ 越小），基区掺杂浓度越小），基区掺杂浓度越低（越低（ 越大），则越大），则 越大；基区宽度越大；基区宽度 越小，越小， 也越大。也越大。 EB0 xB02）基区输运系数）基区输运系数T基区输运系数基区输运系数 定义为到达集电结的电子电流定义为到达集电结的电子电流 与注入基区与注入基区的电子电流的电子电流 的比值，即：的比值，即：TInCInEIIIIIIInEVBnEnCnEnEnCT111expBEB0BnBnETkVqxnDqAI1exp2BE2nB0BnBBTkVqLnDxqAnBnB

23、2nBDL（用到（用到 ）1exp2BEnB0BBVBTkVqnxqAILx2nB2BT21由上述关系式式可得：由上述关系式式可得：上式表明：上式表明：基区宽度（基区宽度（ ）与基区少子电子扩散长度）与基区少子电子扩散长度 之比越小，之比越小， 越大。也就是说，如果越大。也就是说，如果 ，就可以使，就可以使 。 xBLnBTLxnBB1T（3）电流放大系数）电流放大系数1） 表达式表达式0T0nEnCEnEnECEnEEC0IIIIIIIIIILxLx2nB2BpEBBE2111由于通常由于通常 ， ，所以对上式展开并整理后，所以对上式展开并整理后可近似得到：可近似得到：122nB2BLx1p

24、EBBELxLxLxLxLx2nB2BpEBBE2nB2BpEBBE0212112） 表达式表达式0由定义可知：由定义可知：0000111LxLx2nB2BpEBBE00211从上述关系式可以看出：从上述关系式可以看出： 和和 是由晶体管的结构（是由晶体管的结构（ ）和）和材料性质（材料性质（ 、 、 ）决定的，而与外电路无关。）决定的，而与外电路无关。 和和 越小，越小， 和和 就越大；就越大； 越大，越大， 和和 也越大。也越大。其中其中 的影响最为显著。通常主要是通过减小的影响最为显著。通常主要是通过减小 和和 来提来提高高 和和 。 00 xBEBLnBxBBE/00LnB00 xBx

25、BE006影响晶体管直流电流放大系数的因素影响晶体管直流电流放大系数的因素（1）发射结空间电荷区复合的影响）发射结空间电荷区复合的影响前面讨论中，认为通过发射结的电子电流和空穴电流在流过空前面讨论中，认为通过发射结的电子电流和空穴电流在流过空间电荷区前后保持不变。实际上，间电荷区前后保持不变。实际上，PN 结空间电荷区复合作用结空间电荷区复合作用并不是总可以忽略的，特别是在小电流（小注入）情况下，并不是总可以忽略的，特别是在小电流（小注入）情况下，PN 结空间电荷区复合还占了比较重要的地位。由于发射结空结空间电荷区复合还占了比较重要的地位。由于发射结空间电荷区的复合作用，使电子从发射区注入到基

26、区前，已有一间电荷区的复合作用，使电子从发射区注入到基区前，已有一部分在空间电荷区和空穴复合而转换为空穴电流部分在空间电荷区和空穴复合而转换为空穴电流 ，变为基，变为基极电流的一部分。这种复合减少了注入到基区的电子数，因而极电流的一部分。这种复合减少了注入到基区的电子数，因而降低了发射结注射效率降低了发射结注射效率 。Irg0减小减小 的途径是：尽可能减小空间电荷区中的复合中心。通的途径是：尽可能减小空间电荷区中的复合中心。通常认为，这些复合中心来自原始硅单晶或后续工艺过程中引入常认为，这些复合中心来自原始硅单晶或后续工艺过程中引入的重金属杂质（如铜、镍、铁、锰等）。的重金属杂质（如铜、镍、铁

27、、锰等）。 Irg（2）发射区重掺杂的影响）发射区重掺杂的影响在前面的分析中知道，要提高晶体管的发射效率，必须降低基在前面的分析中知道，要提高晶体管的发射效率，必须降低基区杂质浓度区杂质浓度 ，提高发射区杂质浓度，提高发射区杂质浓度 。但是，若。但是，若 偏偏低，则基极电阻过大，会使晶体管的功率增益下降，大电流特低，则基极电阻过大，会使晶体管的功率增益下降，大电流特性变坏。所以，往往通过提高发射区杂质浓度性变坏。所以，往往通过提高发射区杂质浓度 来提高发射来提高发射效率。但是，过分地提高效率。但是，过分地提高 又会引起发射区禁带宽度变窄及又会引起发射区禁带宽度变窄及俄歇复合加强，这样反而导致发

28、射效率降低。俄歇复合加强，这样反而导致发射效率降低。 NBNENBNENE（3）基区表面复合的影响）基区表面复合的影响在前面推导电流放大系数的过程中，只考虑了电子在基区的体在前面推导电流放大系数的过程中，只考虑了电子在基区的体内复合。实际上从发射区注入基区的电子，还有一部分流向表内复合。实际上从发射区注入基区的电子，还有一部分流向表面，由于表面存在表面正电荷和界面态，所以在面，由于表面存在表面正电荷和界面态，所以在 P 型基区表面型基区表面将形成附加的复合电流将形成附加的复合电流 ，这部分电流变成了基极电流而不，这部分电流变成了基极电流而不能到达集电极，所以会使能到达集电极，所以会使 和和 下

29、降。下降。ISB00要减少基区表面复合的影响，就要减小基区表面复合电流要减少基区表面复合的影响，就要减小基区表面复合电流 。而减小而减小 因受其它参数、工艺、成品率等的限制，主要是靠因受其它参数、工艺、成品率等的限制，主要是靠减小表面复合速度减小表面复合速度 ，而，而 的大小主要取决于表面状况。所以，的大小主要取决于表面状况。所以，在制造合金晶体管时，必须对管芯进行适当的表面处理（例如在制造合金晶体管时，必须对管芯进行适当的表面处理（例如电解腐蚀等），以减小电解腐蚀等），以减小 。对于硅平面晶体管来说，因其表面。对于硅平面晶体管来说，因其表面有一层氧化层覆盖着，表面复合的影响可大大减小。但是，在有一层氧化层覆盖着，表面复合的影响可大大减小。但是，在发射极电流较小时表面复合的影响还是比较大的。发射极电流较小时表面复合的影响还是比较大的。 ISBISBsss（4）基区宽度调变效应的影响）基区宽度调变效应的影响当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽度也将发生变化，因而有效基区宽度度也将发生变化，因而有效基区宽度 也随之变化，这种由也随