1、半一復(fù)習(xí)筆記By瀟然2018.1.121.1平衡PN結(jié)的定性分析pn結(jié)定義：在一塊完整的半導(dǎo)體晶片(Si、Ge、GaAs等)上，用適當(dāng)?shù)膿诫s工藝使其一邊形成n型半導(dǎo)體，另一邊形成p型半導(dǎo)體，則在兩種半導(dǎo)體的交界面附近就形成了pn結(jié)緩變結(jié)：雜質(zhì)濃度從p區(qū)到n區(qū)是逐漸變化的，通常稱(chēng)為緩變結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)：空間電荷區(qū)中的這些電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū)，即從正電荷指向負(fù)電荷的電場(chǎng)耗盡層：在無(wú)外電場(chǎng)或外激發(fā)因素時(shí)，pn結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡，沒(méi)有電流通過(guò)，內(nèi)部電場(chǎng)E為恒定值，這時(shí)空間電荷區(qū)內(nèi)沒(méi)有載流子，故稱(chēng)為耗盡層1.2平衡PN結(jié)的定量分析平衡PN結(jié)載流子濃度分布平站就就子報(bào)度曲布IIU丿耗盡區(qū)近似：一般室溫條件，對(duì)于

2、絕大多部分勢(shì)壘區(qū)，載流子濃度比起N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子濃度小的多，好像已經(jīng)耗盡了，此時(shí)可忽略勢(shì)壘區(qū)的載流子，空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度，即為耗盡區(qū)近似。所以空間電荷區(qū)也稱(chēng)為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)兩側(cè)，載流子濃度維持原來(lái)濃度不變。理想PN結(jié)的伏安特性(直流)理想PN結(jié)：符合以下假設(shè)條件的pn結(jié)稱(chēng)為理想pn結(jié)小注入條件一注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多；AnnO,AppO,突變耗盡層條件外加電壓和接觸電勢(shì)差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的。通過(guò)耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用；玻耳茲曼邊界條件

3、在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布。2.理想pn結(jié)模型的電流電壓方程式（肖特來(lái)方程式）:產(chǎn)生-復(fù)合電流1.反偏PN結(jié)的產(chǎn)生電流2.正偏PN結(jié)的復(fù)合電流1.6理想PN結(jié)交流小信號(hào)特性1.擴(kuò)散電阻2.擴(kuò)散電容_qlT_gDrT32JcT1.7勢(shì)壘電容在考慮正偏時(shí)耗盡層近似不適用的情況下，大致認(rèn)為正偏時(shí)勢(shì)壘電容為零偏時(shí)的四倍，即Ct=4Ct（0）=4aJ2（箒:常雋6105）1.8擴(kuò)散電容定義：正偏PN結(jié)內(nèi)由于少子存儲(chǔ)效應(yīng)而形成的電容勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容的比較T=A-勢(shì)壘區(qū)中電離雜質(zhì)電荷隨外加電壓的變化率：正負(fù)電荷在空間上是分離的；與直流偏壓成壽函數(shù)關(guān)系星T=A-勢(shì)壘區(qū)中電離雜質(zhì)電荷隨外加電

4、壓的變化率：正負(fù)電荷在空間上是分離的；與直流偏壓成壽函數(shù)關(guān)系星正偏反偏下均存在。反偏可作電容器使用：在低頻和高頻下都很重耍要使丁卜應(yīng)使W心T（A3,反偏f）。c二qu2kT中性區(qū)中非平衡載流子電荷隨外加電壓的變化率；正負(fù)電荷在空間上是重疊的；與直流電流成線性關(guān)系.與直流偏壓成指數(shù)關(guān)系f貝存在于正偏下；在PN結(jié)反向偏置時(shí)，少子數(shù)量很少，電容效應(yīng)很少，也就可以不若慮了。在低頻時(shí)很重要、在高頻時(shí)可以忽略;要使應(yīng)使（/扛正偏D，rhNPN結(jié)的瞬態(tài)PN結(jié)擊穿雪崩擊穿定義：在反向偏壓下，流過(guò)pn結(jié)的反向電流，主要是由p區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的電子電流和由n區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的空穴電流所組成。當(dāng)反向偏壓很大時(shí)，勢(shì)壘

5、區(qū)中的電場(chǎng)很強(qiáng)，在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴受到強(qiáng)電場(chǎng)的漂移作角，具有很大的動(dòng)能，它們與勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時(shí)，能把價(jià)鍵上的電子碰撞出來(lái)，成為導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。(4)特點(diǎn)與摻雜濃度有關(guān)，摻雜濃度越高，擊穿電壓越低0帶隙大，電子躍遷所需要的能量就大，故載流子需要更高的能量才能便晶格原子電離A與半導(dǎo)體的禁帶寬度有關(guān)化同樣的摻雜濃度，禁帶寬度大的半導(dǎo)體，擊穿電壓高隨溫度的升高而增加溫度越大，載流子的平均自由程就小.即載流子還沒(méi)有獲得足夠的動(dòng)能就參與了碰撞，所以擊穿電壓大隨溫度的升高而增加溫度越大，載流子的平均自由程就小.即載流子還沒(méi)有獲得足夠的動(dòng)能就參與了碰撞，所以擊穿電壓大（5）提高雪崩

6、擊穿電壓的方法/降低結(jié)兩邊的摻雜濃度，特別是低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度/外延層要足夠厚/結(jié)要深（增大曲率半徑，減小邊角電場(chǎng)）/降低表面電荷（表面鈍化）齊納擊穿（1）定義：隧道擊穿是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價(jià)帶穿過(guò)禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。（2）特點(diǎn)齊納擊穿發(fā)生在兩邊重?fù)诫s的pn結(jié)，其擊穿電壓較?。ㄔ赩6Eg/q,齊納過(guò)程對(duì)pn結(jié)擊穿電流有明顯的貢獻(xiàn)，而當(dāng)VB1時(shí)叮=入，故提高n可以提高電流增益提高電流放大系數(shù)的措施適當(dāng)增大E區(qū)Gummel數(shù)GE適當(dāng)減小NB減小基區(qū)寬度加強(qiáng)工藝控制2.4非理想特性（nonidealeffects）厄利效應(yīng)（基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)）（EarlyEf

7、fect）定義：當(dāng)晶體管的集電結(jié)反向偏壓發(fā)生變化時(shí)，空間荷區(qū)寬度Xmc也將發(fā)生變化，因而會(huì)引起有效基區(qū)寬度的相應(yīng)變化，如圖所示。這種由于外加電壓引起有效基區(qū)寬度變化的現(xiàn)象稱(chēng)為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)影響：有效基區(qū)寬度變窄，Ic增加（根據(jù)B區(qū)少子濃度曲線斜率），同時(shí)B0增加厄利電壓VA理想情況下VA趨近于負(fù)無(wú)窮影響因素：基區(qū)摻雜NB、基區(qū)寬度XB。降低兩者均會(huì)使B0增大，而厄利效應(yīng)嚴(yán)重Sah效應(yīng)（E-B結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合）定義：發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流IER使得IE增大，（根據(jù)定義）注射效率Y0降低影響：對(duì)IE、IB均有貢獻(xiàn)，但對(duì)IC無(wú)貢獻(xiàn)，故BO降低Webster效應(yīng)（BaseConductanceMod

8、ulation/基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)）基區(qū)大注入定義、影響：當(dāng)VBE較大、注入電子時(shí)一基區(qū)中也有大量的空穴積累（并維持與電子相同的濃度梯度）,這相當(dāng)于增加了基區(qū)的摻雜濃度,使基區(qū)電阻率下降基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)一IEp增大一注射效率Y導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)一IEp增大一注射效率Y降低，B0下降注：是引起大電流BO下降的主要原因4.Kirk效應(yīng)（BasePushOut/基區(qū)展寬效應(yīng)）發(fā)射區(qū)大注入效應(yīng)定義：在大電流時(shí)，基區(qū)發(fā)生展寬的現(xiàn)象過(guò)程B(n)(P)勢(shì)壘區(qū)ilIIilililHHHII是小注入，是注入的電子正好中和集電區(qū)一邊的正空間電荷影響：a.基區(qū)存儲(chǔ)少子電荷增加b.B0下降c.頻率特性變差（嚴(yán)重影響高頻特性）措

9、施：提高NC、設(shè)定最大Ic等發(fā)射極電流集邊效應(yīng)使大注入加劇定義：發(fā)射極電流集中在發(fā)射極的邊緣原因：基極電阻引起橫向電壓一E極輸入電流密度由邊緣至中央指數(shù)下降一IE將集中在發(fā)射結(jié)邊緣附近影響：a.使發(fā)射結(jié)邊緣處電流密度f(wàn),易產(chǎn)生邊緣Webster效應(yīng)及Kirk效應(yīng),B0下降b.局部過(guò)熱c.影響功率特性措施：a.采用插指結(jié)構(gòu)b.NB不能太低（降低基極電阻）發(fā)射區(qū)禁帶變窄原因：E區(qū)重?fù)揭唤麕挾茸冋绊懀喊l(fā)射結(jié)注入效率Y下降總結(jié)：BJT中的一些重要效應(yīng)調(diào)變出現(xiàn)的條件出現(xiàn)的現(xiàn)象產(chǎn)生的影響減弱的措施3親鬣豔豔砂調(diào)變出現(xiàn)的條件出現(xiàn)的現(xiàn)象產(chǎn)生的影響減弱的措施3親鬣豔豔砂鹹降低）秋嚇大硼診飜器熾勰馮集辺比：；

10、小工作電流速度均降低JH大L發(fā)射結(jié)注射效率降低速度均降低JH大L發(fā)射結(jié)注射效率降低（大電提高基流P降低）度;a截止頻率fa定義：共基極短路電流放大系數(shù)下降到低頻的3dB所對(duì)應(yīng)的頻率B截止頻率fB定義：共發(fā)射極電流放大系數(shù)B下降到低頻BO的3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率特征頻率fT定義：共發(fā)射極電流放大系數(shù)|B|=1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率最高振蕩頻率fM定義：共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)，功率增益等于1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，此時(shí)晶體管的輸出功率等于輸入功率工工?=&鍛哽N超耗縣/7+H對(duì)卑位2.6共基極交流小信號(hào)a頻率特性分析交流小信號(hào)電流傳輸過(guò)程卜IIeIII通過(guò)發(fā)射結(jié)iCTe為發(fā)射結(jié)勢(shì)壘結(jié)電容分流電流基區(qū)輸運(yùn)階段3=3+A/B+

11、tDeiCDe表示發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容分流電流集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越階段通過(guò)集電區(qū)階段fc41(4)yCTc丿;（羽）+心，為集電區(qū)衰減因子綜上，交流小信號(hào)相比于直流，其多了E結(jié)勢(shì)壘電容CTe的充放電電流、E結(jié)擴(kuò)散電容CDe的充放電電流、集電結(jié)渡越時(shí)間中電流衰減、C結(jié)勢(shì)壘電容CTc的充放電電流影響：使電流增益下降、使信號(hào)延遲產(chǎn)生相位差晶體管共基極高頻等效電路3.共基極交流電流放大系數(shù)a及截止頻率fa的定量分析丿;(兀)厶(&)幾(XJ3.共基極交流電流放大系數(shù)a及截止頻率fa的定量分析4Z/X)4(X)皿廠6基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)aT和基區(qū)渡越時(shí)間Tb發(fā)射區(qū)注入效率Y和發(fā)射結(jié)電容充電時(shí)間Te2.7共射極交流小信號(hào)B

12、頻率特性分析1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)B和截止頻率fB2.特征頻率fT定義：共射組態(tài)下電流失去放大能力的頻率表達(dá)式I川=.l2=In）1十（/厶門(mén)（KAA因?yàn)閎所以frn久扌&=:2疋（陥+巧+J+4）咅二鳳=丙=莎耳齊r與fa、fB的關(guān)系提高特征頻率的有效途徑減小基區(qū)寬度（Tb）減小結(jié)面積（Te、TC的電容）適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率及其厚度（降低rc提高tc，又不至于影響擊穿電壓,使功率特性差；降低Td）兼顧功率特性和頻率特性的外延晶體管結(jié)構(gòu)（npnn+）2.8基區(qū)串聯(lián)電阻RB定義：基極電流IB經(jīng)基極引線經(jīng)非工作基區(qū)流到工作基區(qū)所產(chǎn)生的壓降，當(dāng)做一個(gè)電阻產(chǎn)生，則其為基區(qū)串聯(lián)電阻影響基區(qū)自偏壓效

13、應(yīng)導(dǎo)致的電流集邊效應(yīng)使輸入阻抗增大在線路應(yīng)用中形成反饋（影響晶體管的功率特性和頻率特性）發(fā)射極電流集邊效應(yīng)與晶體管圖形設(shè)計(jì)基區(qū)自偏壓效應(yīng)定義：大電流f較大IB流過(guò)基極電阻，產(chǎn)生較大橫向壓降f發(fā)射結(jié)正向偏置電壓由邊緣至中心逐漸減少，電流密度則由中心至邊緣逐漸增大線電流密度：發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量提高線電流密度措施外延層電阻率選得低一些直流放大系數(shù)B0或fT盡量做得大些在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)提高集電結(jié)偏壓及降低基區(qū)方塊電阻BJT的擊穿電壓與外延參數(shù)確定穿通機(jī)理：隨著收集結(jié)上反偏電壓的不斷增加，收集結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)展至整個(gè)基區(qū)穿通時(shí)的BC結(jié)電壓丘nbnc+nb其意為：基極開(kāi)路時(shí)擊穿電壓比真實(shí)的雪崩擊穿電壓

14、小，縮小的比例為n次開(kāi)方B提高Vpt的方法提高WB、NB,與提高增益矛盾減小NC,與提高fT矛盾實(shí)際設(shè)計(jì)中令VptBVCBO,即防止C結(jié)雪崩擊穿前先發(fā)生穿通外延結(jié)構(gòu)晶體管特點(diǎn)同時(shí)滿足擊穿特性與頻率特性（N+襯底降低rC）,較好解決矛盾BJT的安全工作區(qū)二次擊穿以零偏為例：當(dāng)電人到D點(diǎn)時(shí)集電結(jié)發(fā)生雪崩效應(yīng)，晶體管電流上升到B點(diǎn),經(jīng)過(guò)一短暫的時(shí)間后，電圧將會(huì)突然減小到E點(diǎn)，同時(shí)電流急劇增大,如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施（限流措施八電渝將會(huì)繼續(xù)增大，從而造成晶體永久性損傷口措施：加入肖特基鉗位二極管肘嚴(yán)N箝位二極管的擊穿電壓低于buCB0在BC肘嚴(yán)N箝位二極管的擊穿電壓低于buCB0在BC結(jié)擊穿之前，箝位

15、二極管先擊穿，擊穿電流從二極管流過(guò)，不會(huì)形成BC結(jié)的反偏擊穿大電流NPN晶體管肖特基箝位晶體管2.12BJT的開(kāi)關(guān)作用肯特起b飽和狀態(tài)：飽和狀態(tài)又分為臨界飽和與深.飽和。集電結(jié)UBC=0的情況稱(chēng)為臨界飽和；當(dāng)集電結(jié)偏壓UBC0時(shí)成為深飽和飽和深度S2.13BJT的開(kāi)關(guān)過(guò)程分析1.提高開(kāi)關(guān)速度途徑內(nèi)部：摻金，減少少子壽命，減少飽和時(shí)的超量存貯電荷減小結(jié)面積，降低發(fā)射極集電極結(jié)電容減小基區(qū)寬度，從而減小Qb，使基區(qū)少子濃度變化更快采用外延結(jié)構(gòu)，降低飽和壓降UCES外部：加大IB從而縮短td和tr,同時(shí)為了防止深飽和，選S=4加大反向IB考慮工作在臨界飽和狀態(tài)在UCC與IB一定時(shí)，選擇較小的RL可使

16、晶體管不進(jìn)入太深的飽和狀態(tài)BC結(jié)并聯(lián)肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，BC結(jié)為正偏，于是肖特基二極管也變?yōu)檎?，由于其開(kāi)啟電壓較小，大部分過(guò)剩的IB被分流走了，因此存儲(chǔ)在B區(qū)和C區(qū)的過(guò)剩少子電荷大大減少2.14BJT的開(kāi)關(guān)參數(shù)與模型0.E-M模型：可以描述兩個(gè)結(jié)在不同工作狀態(tài)下的情況，也就是可以應(yīng)用于任何模式的晶體管1.EM-115（晶體管飽和電流）BF（正向電流放大系數(shù)）BR（反向電流放大系數(shù)NF（正向電流發(fā)射系數(shù)）EM-2串聯(lián)電阻考慮3個(gè)電極的串聯(lián)電阻，新增3個(gè)模型參數(shù)半RB.RE和RG勢(shì)壘電容反偏情況下勢(shì)壘電容的一般表達(dá)式為：尸j一共有3個(gè)參數(shù)。其中Cm是零偏勢(shì)壘電容，與結(jié)面積以及工

17、藝有關(guān)卡“是勢(shì)壘內(nèi)建電勢(shì)，與材料類(lèi)型以及摻雜濃度有關(guān)卡呵是電容指數(shù)，與結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)分布情況有關(guān)?？紤]由結(jié)勢(shì)壘電容，新增3個(gè)模型參數(shù)：CTEO.開(kāi)和皿?？紤]珈結(jié)勢(shì)壘電容，新增3個(gè)模型參數(shù)；CTCOVJ和、EK考慮襯底結(jié)勢(shì)壘電容，新增3個(gè)模型參數(shù)：CTSO.YJS和在正偏條件下，勢(shì)壘電容的表達(dá)式為：CJ=Cp)(l-Fc)-(l-Fc(l+nij)+mjV/VJ)又新增一個(gè)模型參數(shù)K(勢(shì)壘電容正偏系數(shù)h擴(kuò)散電容發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容為：C/T/qdkT)新增模型參數(shù)：TF(正向渡越時(shí)間)集電結(jié)擴(kuò)散電容為半C(lc=TR(qIEC/kT)新增模型參數(shù)：TR(反向渡越時(shí)間)因此，EM-2模型中新增15個(gè)模型參數(shù)

18、。EM-3考慮Early效應(yīng)因此，考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，引進(jìn)了兩個(gè)新的模型參數(shù)VA（正向Early電壓）和B仮向Edriy電壓）。新增兩個(gè)考慮小電流下勢(shì)壘復(fù)合與基區(qū)表面復(fù)合為此，引入下述基區(qū)復(fù)合電流項(xiàng)描述bE結(jié)的影響；h（復(fù)合）=L=ISEexP（qVb./NekT）-l對(duì)權(quán)結(jié)，采用同樣方法，引入又一項(xiàng)基區(qū)復(fù)合電流:I4=IscIexp（qVhr/NckT）-l相當(dāng)于等效電路中1已增加兩個(gè)電流分量口ISE（發(fā)射結(jié)漏飽和電流）ISC（集電結(jié)漏飽和電流）NE（發(fā)射結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù)）N（集電結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù)）新增四個(gè)考慮大注入效應(yīng)呵0陽(yáng)訂）-1/1+（1心呵（qV胡2kT）IKF：表征大電流下正向電流放大系數(shù)下降的膝點(diǎn)電流IKR：大電流下反向電流放大系數(shù)下降的膝點(diǎn)電流新增兩個(gè)考慮Ki