半导体器件物理（第四章双极型晶体管及其特性）资料

1、,course,课 程,微电子技术专业,第四章 双极型晶体管及其特性,4.1 晶体管结构与工作原理,4.1.1 晶体管的基本结构与杂质分布,晶体管的基本结构与符号,1. 合金管,合金结三个区的杂质分布是均匀的，其发射结和集电结都是突变结，发射区和集电区的杂质浓度远远大于基区的杂质浓度。,4.1 晶体管结构与工作原理,2.平面管,三个区域的杂质分布是不均匀的。由于此晶体管的基区和发射区是由两次扩散工艺形成的，因此称为双扩散管。,4.1 晶体管结构与工作原理,4.1 晶体管结构与工作原理,4.1.2 晶体管的电流传输,1. 晶体管的载流子分布,2. 晶体管的载流子传输,1.发射区注入,2.基区输运

2、,3.集电结收集,4.1 晶体管结构与工作原理,4.1 晶体管结构与工作原理,三极电流关系,对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。,电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此,4.1 晶体管结构与工作原理,4.1.3 晶体管的直流电流放大系数,1.电流放大系数定义和电流放大能力,0反映出发射极输入电流IE中有多大比例传输到集电极成为输出电流IC，或

3、者说由发射极发射的电子有多大比例传输到集电极。由于前面讲到的传输过程中的两次损失，0总是小于1。,（1）共基极直流电流放大系数0,要提高发射效率，就是要使发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，这样发射区注入到基区的电子电流就远远大于基区注入到发射区的空穴电流，发射效率很接近于1。,发射效率0,基区输运系数,可见，减小基区体内复合电流IVR是提高基区输运系数的有效途径，而主要措施是减薄基区宽度W，使基区宽度远小于电子在基区的扩散长度。,4.1 晶体管结构与工作原理,4.1 晶体管结构与工作原理,虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率

4、放大。,（2）共发射极直流电流放大系数,（3）0和0的关系,（4）晶体管的放大能力和具备放大能力的条件,0一般在20-200之间，所以IB的微小变化将引起IC的很大变化，也就是说晶体管具有电流放大能力。,晶体管要具有放大能力，必须具有哪些条件？,4.1 晶体管结构与工作原理,1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，以保证发射效率0很接近于1. 2）基区宽度Wb远小于LnB，保证基区输运系数很接近于1。 3）发射结正偏，使电子从发射区注入基区；集电极反偏，将电子从基区收集到集电区。,4.1 晶体管结构与工作原理,4.1 晶体管结构与工作原理,2.缓变基区晶体管的电流放大系数,（1）基区晶体管中存

5、在的自建电场,基区存在杂质浓度梯度，同时基区多数载流子空穴也存在浓度梯度，因此就要往浓度低的方向扩散，其结果破坏了基区的电中性条件，使基区靠近发射区的一侧带负电，靠近集电区的一侧带正电，这样就形成一个自右向左的电场。 平衡时该电场作用下的空穴漂移电流和空穴扩散电流大小相等、方向相反，相互抵消，这种平衡时的基区电场称为自建电场。,（2）缓变基区晶体管的电流密度,4.1 晶体管结构与工作原理,（3）缓变基区晶体管的发射效率,方块电阻的概念,它的大小决定于单位面积薄层中所含的杂质总量。若薄层内杂质分布不均匀：,4.1 晶体管结构与工作原理,发射效率,4.1 晶体管结构与工作原理,（4）缓变基区晶体管

6、的基区输运系数,（5）缓变基区晶体管的电流放大系数,可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外，提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流放大系数。,4.2 晶体管的直流特性,4.2.1 晶体管的伏安特性曲线,共基极输入特性曲线,共基极输入特性曲线实际就是正向PN结的特性曲线，由于基区宽变效应，输入特性曲线随UCB增大而右移,1.共基极晶体管特性曲线,共基极输出特性曲线,1.共发射极晶体管特性曲线,共发射极输入特性曲线,输入特性曲线与正向PN

7、结伏安特性相似。当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，IB也就减少。所以，特性曲线随VCE的增加而右移。,4.2 晶体管的直流特性,共发射极输出特性曲线,注意：基区宽变效应使输出特性曲线微微上翘。,4.2 晶体管的直流特性,4.2 晶体管的直流特性,4.2.2 晶体管的反向电流,1. ICBO和IEBO,ICBO和IEBO与第二章讨论的PN结反向饱和电流没什么区别，理论上由反向扩散电流和反向势垒产生电流两部分组成。但是，实际上晶体管的反向扩散电流和反向势垒产生电流都很小，引起反向电流过大的原因往往是表面漏电流太大。,4.2 晶体管的直流特性,2. ICEO,式中的是

8、集电极电流为ICEO时的小电流放大系数，比正常工作时的要小得多。因此，一般来讲ICEO比ICBO大不了多少。,4.2 晶体管的直流特性,4.2.3 晶体管的击穿电压,1. BUCBO和BUEBO,BUEBO是集电极开路时，发射极与基极间的击穿电压，他由发射结的雪崩击穿电压决定。对于平面管来说，由于发射结由两次扩散形成，表面处结两边杂质浓度最高，因此雪崩击穿电压在结侧面最低。,BUCBO是发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压，一般为集电结雪崩击穿电压。如果是外延平面管，当外延层厚度小于在击穿电压下的势垒区宽度时，击穿电压将降低。则外延层总厚度至少应为：,4.2 晶体管的直流特性,2. BUCE

9、O,式中n为常数。集电结低掺杂区为N型时，硅管n=4，锗管n=3。集电结低掺杂区为P型时，硅管n=2，锗管n=6。,BUCEO是基极开路时，集电极与发射极间的击穿电压，有下列关系式：,4.2.4 晶体管的穿通电压,当有些晶体管b、c之间加了太高的反向电压，虽然还没有引起它的击穿，但会引起势垒穿通现象，这时电流IC也会突然增大，特性曲线会显示出和击穿时差不多的图形。,随着集电结反向电压的升高，它的势垒向两边扩展，使基区有效宽度减小。在一般双扩散型晶体管中，因为基区杂质浓度比集电区高，集电结势垒区主要向集电区扩展，而向基区扩展的比较少，不容易和发射结势垒区相连。但是，由于材料缺陷或者工艺不良等原因

10、，发射结结面会出现尖峰，该处的基区宽度较小，这样局部穿通就有可能发生。,4.2 晶体管的直流特性,4.3 晶体管的频率特性,4.3.1 晶体管的频率特性和高频等效电路,1.晶体管的频率特性和频率参数,当晶体管工作频率高到一定程度时，电流放大系数将随工作频率的升高而下降，同时也发生了相移。如图为幅频特性曲线的示意图，反映了晶体管的放大倍数随频率变化的大致情况。,为了表示晶体管频率特性的这种区别，在生产和应用中采用了一系列的“频率参数” ：截止频率f，截止频率f，特征频率fT，最高振荡频率fm。,4.3 晶体管的频率特性,2.共基极高频等效电路,为分析问题方便，常常用电阻、电容、恒流源构成的线性电

11、路来等效晶体管的放大与输入、输出特性。应当注意，用线性电路来表示非线性的晶体管，只有在晶体管的输入、输出信号都比较小的条件下才成立。,4.3 晶体管的频率特性,4.3.2 高频时晶体管电流放大系数下降的原因,1.发射结势垒电容充放电效应对电流放大系数的影响,发射极延迟时间,交流发射效率,2发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响,4.3 晶体管的频率特性,发射结扩散电容的充放电时间常数,b也可称为基区渡越时间，意思就是电子穿越基区所用的时间， b和基区宽度以及电子在基区的扩散速度有关。,交流基区输运系数*的分析计算的方法和交流发射效率完全一样,4.3 晶体管的频率特性,3集电结势垒区渡越过

12、程对电流放大系数的影响,集电结空间电荷区输运系数：,集电结空间电荷区延迟时间,载流子以极限速度穿过集电结势垒区所需的时间为,4.3 晶体管的频率特性,4.集电结势垒电容充放电效应对电流放大系数的影响,集电区衰减因子,集电极延迟时间,4.3 晶体管的频率特性,4.3.3 晶体管的电流放大系数,1.共基极交流电流放大系数,特征频率,4.3 晶体管的频率特性,2.共发射极交流电流放大系数,直流情况下的关系式,近似成立,可见，共基极电路比共发射极电路频带更宽，常见于宽频和高频电路中。,4.3 晶体管的频率特性,4.3.4 晶体管的极限频率参数,1.特征频率,当工作频率远大于f时，工作频率和电流放大系数

13、的乘积是一个常数。可以作为选用晶体管的一个重要参数，也可以用于测量。,增益带宽积,4.3 晶体管的频率特性,2.提高特征频率的途径？,4.3 晶体管的频率特性,3.最高振荡频率,为了能准确的描述晶体管的功率放大能力随频率的变化，我们定义晶体管的最佳功率增益Gpm,它是指晶体管向负载输出的最大输出功率与晶体管获得的最大输入功率之比。可以证明，晶体管在高频工作时的最佳功率增益为:,当频率很高时，发射极引线电感对功率增益的影响不可忽略，晶体管的功率增益的表达式修正为:,4.3 晶体管的频率特性,可见，晶体管的最高振荡频率主要决定于其内部参数，即晶体管的输入阻抗、输出电容、引线电感及特征频率等。,当晶

14、体管工作频率f等于最高振荡频率fm时,Gpmf2称为功率增益-带宽积。对于特定的晶体管，要想获得较高的功率增益，频带宽度必然减小，要想获得较大的频带宽度，功率增益必然降低。高频优值全面反映了晶体管的频率和功率性能，而且只与晶体管本身的参数有关。因此，高频优值是设计和制造高频功率晶体管的重要依据之一。,4.4 晶体管的功率特性,4.4.1 大电流工作时产生的三个效应,1基区电导调制效应,特征频率在大注入情况下，注入到基区的电子浓度已经接近或大于空穴的平衡浓度，这时为了维持基区电中性，就必须在基区建立起与注入电子有同样的浓度梯度的空穴浓度分布。在这种情况下，基区空穴浓度将显著增加，从而使基区电阻率

15、明显下降，这种现象称为基区电导调制效应。,基区电阻率的下降会造成发射效率降低，电流放大系数因此下降。,4.4 晶体管的功率特性,2基区扩展效应,当通过集电极的电流增大时，通过集电结空间电荷区的电子浓度也增大，它的存在，使集电结势垒区的负空间电荷浓度增加了，正空间电荷浓度减少了。如果集电极压降不变，靠基区一侧的负空间电荷区将缩小，而靠集电区一侧的正空间电荷区将往衬底方向扩大。,4.4 晶体管的功率特性,当n=NC时电离施主的正电荷恰好为电子所带负电荷所抵消，此时，集电区外延层不能形成正空间电荷区，正空间电荷区将移到衬底区靠外延层交界处的薄层内同时，基区一侧的负空间电荷区也将进一步缩小。这样，正、

16、负空间电荷将位于集电区外延层的两端，而集电区外延层内则没有净空间电荷，电场强度分布均匀。我们将此时的集电区电流密度称为集电区临界电流密度Jcr,4.4 晶体管的功率特性,基区纵向扩展效应认为，随着IC进一步增大，集电结的电流密度大于Jcr，集电结空间电荷区将向衬底方向移动，使有效基区宽度增大。,基区横向扩展效应认为，集电结的电流密度不能大于Jcr,IC的增加是靠增加电流通道的有效面积来实现的。注入基区的电子流将沿着基区横向散开，这使得一部分电子通过基区的路程加长了，相当于有效基区宽度增大。,基区纵向扩展效应,基区横向扩展效应,4.4 晶体管的功率特性,无论基区是横向还是纵向扩展，最终结果是使有

17、效基区宽度增大。根据：,显然，直流电流放大系数和特征频率都将下降。因此，Jcr是防止基区出现扩展效应的最大集电结电流密度，也是一般平面晶体管的最大电流密度限制。,强场条件下,4.4 晶体管的功率特性,3发射结电流集边效应,基区存在一定的电阻，当电流流过基区时，将产生平行于结面的横向压降，使发射结偏压从边缘到中心逐渐减小，发射结电流密度也会从边缘到中心逐渐减小。,对于大功率晶体管来说，通常基极电流比较大，所以基极横向压降比较大。因此，发射极电流集边现象就更为显著。由于电流集边效应会使晶体管发射结有效面积变小，从而使得在较小的发射极电流下，通过集电区的电流密度就有可能达到了临界电流密度，出现电流放

18、大系数和特征频率下降的现象。克服集边效应的关键在于减小发射结下面的基区（内基区）电阻。,发射极单位周长的电容量,发射极有效半宽度,4.4 晶体管的功率特性,4.4 晶体管的功率特性,4.4.2 晶体管的最大耗散功率和热阻,耗散功率,散热,当单位时间内管芯上产生的热量和散发出去的热量相等时，管芯温度就达到稳定值。考虑到散热速度与发热物体和周围环境的温差成正比，此时有：,最大允许耗散功率,式中K为一个常数，称为热导，由晶体管散热能力而定。,热阻,4.4 晶体管的功率特性,4.4.3 功率晶体管的安全工作区,1.集电极最大工作电流,通常规定，共发射极电流放大系数0下降到最大值0的一半时所对应的集电极

19、电流为集电极最大工作电流ICM。,4.4 晶体管的功率特性,2晶体管的二次击穿,当集电结反向偏压增大到某一值时，集电结电流急剧增加，这时出现的击穿现象就称为一次击穿。如图，当集电结反向偏压进一步增大,IC增大到某一个临界值时，晶体管上的压降突然降低，而电流继续增长，这个现象称为二次击穿。,二次击穿现象,二次击穿机理,对于二次击穿的机理，一般分为热型（又称热不稳定型）和电流型（又称雪崩注入型）两种。,4.4 晶体管的功率特性,晶体管的安全工作区,安全工作区是由最大耗散功率线、热不稳定二次击穿临界线、雪崩注入二次击穿临界线与电流极限线、电压极限线所限度的区域。,扩大安全工作区的方法主要是：改善器件

20、的二次击穿特性；通过选择合适的材料和正确的设计，进一步提高器件的耐压和工作的最大电流；降低热阻，提高晶体管的耗散功率。,4.5 晶体管的开关特性,4.5.1晶体管的开关作用,当晶体管输入是正脉冲或正电平时，基极就有了注入电流，将引起了很大的集电极电流，可近似看作是短路。此时晶体管的作用相当于一个接通的开关S。,当输入是负脉冲或零电平，那么基极没有注入电流，集电极只有很小的漏电流，可近似看作是断路。此时晶体管的作用就好象是一个被切断的开关。,4.5 晶体管的开关特性,4.5.2 开关晶体管的工作状态,1.饱和区,临界饱和集电极电流,临界饱和基极电流,过驱动电流,4.5 晶体管的开关特性,过驱动基

21、极电流造成空穴在基区中积累。为保持基区的电中性，存储在基区中的电子也要相应的增加积累，于是电子密度的分布曲线上移。由于集电结正偏，过驱动基极电流提供的空穴同时注入到集电区，在集电区形成空穴的积累。,基区复合电流随着超量存储电荷的增加而上升。当过驱动电流正好补充超量存储电荷因复合而消失的空穴数时，晶体管进入稳定的深度饱和状态。,4.5 晶体管的开关特性,2.截止区,当基极输入负电压时，晶体管处于截止态，发射结和集电结都反偏，基极电流为零，集电极电流很小，少子分布如图。,4.5 晶体管的开关特性,4.5.3 晶体管的开关过程,1.理想晶体管和实际晶体管的开关波形,分析过程抓住两点： 1）发射结、集

22、电结势垒电容充放电情况，两个结的偏置情况。 2）基区、集电区电荷储存情况。,1）延迟时间 2）上升时间 3）储存时间 4）下降时间,4.5 晶体管的开关特性,给发射结势垒电容充电，发射结由反偏变正偏。,基区有电子积累，浓度分布由“1”变为“2”，集电结电流由0增大0.1ICS到 。,减小延迟时间的途径？,（1）延迟过程,4.5 晶体管的开关特性,（2）上升过程,基区电子浓度梯度增大，集电极电流逐渐增大0.9ICS，晶体管达到临界饱和状态。,给发射结势垒电容充电，发射结正偏电压逐渐增大到0.7V。,给集电结势垒电容充电，集电结由反偏变为零偏。,上升结束，若晶体管处于过驱动状态，集电结将正偏，基区、集电区将出现超量存储电荷。,减小上升时间的途径？,4.5 晶体管的开关特性,（3）超量储存电荷消失过程,在较大的基极反向电流作用下，基区和集电区的超量存储电荷被抽走（减少的另一途径是体内复合），在超量存储电荷被抽完之前，发射结集电结仍处于正偏，集电极电流维持不变，在超量存储电荷抽完后，集电极电流开始下降到0.9IC