微電子器件原理第0章前言本門課的內(nèi)容

以固態(tài)電子論關(guān)于半導(dǎo)體材料中載流子運動基本規(guī)律、基本物理過程、基本物理現(xiàn)象、基本物理特性為基礎(chǔ)，以pn結(jié)、雙極型晶體管器件和場效應(yīng)管為代表，分析微電子器件工作原理、基本特性，即建立起微電子器件工作原理和基本特性與其內(nèi)部載流子運動基本規(guī)律等微觀過程的內(nèi)在聯(lián)系。主要內(nèi)容包括pn結(jié)、雙極型和場效應(yīng)晶體管的基本工作原理、直流特性、交流特性、頻率特性和功率特性的物理基礎(chǔ)，并介紹一些典型器件和新型器件的結(jié)構(gòu)及其特點。要求了解并掌握微電子器件工作原理和基本特性與其內(nèi)部載流子運動基本規(guī)律等微觀過程的內(nèi)在聯(lián)系。掌握：基本概念，基本原理，基本方法（計算）所用教材具體章節(jié)第1章半導(dǎo)體、物理與工藝概要第2章雙極晶體管的直流特性第3章雙極晶體管的頻率特性第4章雙極型晶體管的功率特性第5章雙極型晶體管的開關(guān)特性第6章結(jié)型場效應(yīng)晶體管第7章MOS場效應(yīng)晶體管本課程的地位和作用微電子器件原理固態(tài)電子論微電子工藝基礎(chǔ)集成電路微波器件MEMS半導(dǎo)體器件物理傳感器光電器件晶體管原理應(yīng)用領(lǐng)域本門課的參考資料：教學(xué)用書：

①《晶體管原理》，劉永、張福海，國防工業(yè)出版社，2002.1參考書目：②《半導(dǎo)體物理與器件》，DonaldA.Neamen著，趙毅強等譯，2005.2③《微電子技術(shù)基礎(chǔ)—雙極、場效應(yīng)晶體管原理》，曹培棟，電子工業(yè)出版社，2004.2④《半導(dǎo)體器件電子學(xué)》，R.M.Warner&B.L.Grung著，呂長志、馮士維等譯，電子工業(yè)出版社，2005.2⑤施敏主編《現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理》，科學(xué)出版社，2001.06⑥蘭慕杰《微電子器件原理》課件據(jù)統(tǒng)計：半導(dǎo)體器件主要有67種，另外還有110個相關(guān)的變種所有這些器件都是由少數(shù)的基本模塊構(gòu)成：

pn結(jié)金屬－半導(dǎo)體接觸

MOS結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)超晶格半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)追隨先賢們的腳步：半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程萌芽期成長期成熟期衰退期1874年F.Braun半導(dǎo)體器件的第1項研究金屬－半導(dǎo)體接觸1939年Schottky肖特基勢壘1907年H.J.Round發(fā)光二極管LED1947年

Shockley，Bardeen,Brattain晶體管

(transistor)點接觸式諾貝爾獎1949年Shockleyp-n結(jié)雙極晶體管（BJT〕1940187019301950萌芽期第一個點接觸式的晶體管

(transistor)成為電子現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)Ge晶體管獲1956年諾貝爾物理獎1957年Kroemer異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT諾貝爾獎1952年Schockley結(jié)型場效應(yīng)晶體管JFET第1個半導(dǎo)體場效應(yīng)器件1954年Chapin,Fuller,Pearson硅太陽電池，6％1952年Ebers閘流管模型

thyristor1958年

Esaki隧道二極管諾貝爾獎19601950進入成長期1960年Kahng,Atalla增強型MOSFET1962年Hall,Nathan,Quist半導(dǎo)體激光器1963年Gunn渡越電子二極管Gunn二極管1967年Kahng,Sze非揮發(fā)存儲器1966年

MeadMESFET1965年Johnston,DeLoach,CohenIMPATT二極管197019601962年Wanlass、C.T.SahCMOS技術(shù)1968年Dennard單晶體管DRAM第一個增強型MOSFET利用硅和熱氧化生長的二氧化硅，其上為鋁柵溝道長度：25微米柵氧化層：1000埃第一塊集成電路，1958，KilbyGe襯底上的混合集成電路，美國專利號3138743第一塊單片集成電路，1959，Noyce1970年Boyle,SmithCCD器件1974年Chang,Esaki,Tsu共振隧道二極管1980年Mimura,Hiyamizu,Fujii,NanbuMODFET調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管19801970分水嶺：1970年前發(fā)明的器件全部實現(xiàn)商業(yè)化1971年Intel公司微處理器1980年后出現(xiàn)了大量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件和量子效應(yīng)器件1984年Luryi,Katalskys,Gossard,Hendel電荷注入晶體管CHINT1984年Capasso,Kiehl共振隧穿雙極晶體管RTBT1985年Yokoyama,Imamura,Muto,Hiyamizu,NishiRHET共振隧穿熱電子晶體管19901980理論發(fā)展1947~1949年，在合金管盛行時期確立了均勻基區(qū)晶體管理論1953年，Kyoemer在基區(qū)雜質(zhì)分布存在梯度的晶體管基礎(chǔ)上，發(fā)表了緩變基區(qū)（漂移型）晶體管理論1954年，Webster著眼于注入對中性基區(qū)的影響，用較簡單的理論解釋了電流放大系數(shù)隨注入電流變化的現(xiàn)象，大注入效應(yīng)1956年，Moll和Ross發(fā)表了基區(qū)雜質(zhì)任意分布的晶體管理論1957年，F(xiàn)letcher發(fā)表了大注入下，空間電荷區(qū)載流子濃度與電壓的關(guān)系，分析了由此而引起載流子傳輸方程邊界條件的變化1962年，Kirk針對擴散管提出了基區(qū)擴展效應(yīng)，解釋了大電流下特征頻率下降的實驗事實理論發(fā)展在描述晶體管端點特性的模型理論方面：1954年，首先由Ebers和Moll發(fā)表了關(guān)于晶體管大信號理論的Ebers-Moll模型，沿用至今1957年，Beaufoy和Sparks發(fā)表了晶體管的電荷控制模型，將晶體管視為電荷控制器件，與E-M模型等價end19

微電子器件原理第1章半導(dǎo)體、物理與工藝概要1.1晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)一，半導(dǎo)體單晶晶體主要的物理性質(zhì)特征：固定的熔點、規(guī)則的幾何外形、各向異性等20固體晶體（金屬、半導(dǎo)體及石英、寶石等部分絕緣體）非晶體（非晶硅、玻璃、松香、石蠟、橡膠、塑料等）單晶體多晶體（很多常見金屬）21最重要的三種半導(dǎo)體硅：本征載流子濃度比鍺小三個數(shù)量級，因此Si器件的參數(shù)比Ge器件好很多，得到了廣泛的應(yīng)用。鍺：最早被研究的半導(dǎo)體材料。砷化鎵：具有與Si和Ge不同的性質(zhì)，主要用于微波和光電器件中。22二，能帶理論什么是能帶結(jié)構(gòu)？描述電子能量與電子在晶體中作共有化運動的波矢k之間的關(guān)系E（k）稱為能帶結(jié)構(gòu)，它表明電子在晶體中，其能量可能具有哪些值。23絕熱近似、靜態(tài)近似和單電子近似采用適當勢函數(shù)解薛定諤方程能帶論第一布里淵區(qū)（簡約布里淵區(qū)）K和E的關(guān)系2425三，晶格振動和雜質(zhì)原子對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響晶格振動：熱激發(fā)（對雜質(zhì)或晶格上半導(dǎo)體原子作用）和散射（對自由載流子）雜質(zhì)原子：在晶體中產(chǎn)生附加能級和對自由載流子產(chǎn)生散射261.2半導(dǎo)體中的載流子一，平衡載流子的統(tǒng)計本征激發(fā)、雜質(zhì)電離自由電子返回價帶、自由載流子返回雜質(zhì)束縛位置單位體積內(nèi)自由載流子數(shù)目稱為其濃度或密度，自由電子和自由空穴的濃度分別用n0、p0表示。27二，自由電子和自由空穴濃度的基本公式28？？？29關(guān)于F（E）的值對于是費米子的電子的統(tǒng)計規(guī)律研究應(yīng)該使用費米-狄拉克（F-D）統(tǒng)計，因此可得一個能量為E的量子態(tài)被一個電子所占據(jù)的幾率為同樣對于空穴有

在非簡并半導(dǎo)體中，EF位于禁帶之內(nèi)，低于EC幾個kT時，（1-5）退化為經(jīng)典的玻爾茲曼統(tǒng)計30將上述結(jié)果代入（1-1）和（1-2），有31？a，本征半導(dǎo)體中的EF32比較ni和n0，pi和p0的形式可以得到33b，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的EF分析比較復(fù)雜，但需要知道的一個結(jié)論：因為熱平衡狀態(tài)下，多子和少子濃度乘積只是溫度的函數(shù)，見式(1-20)，所以摻雜半導(dǎo)體中多子濃度越大，少子濃度就越小。但是少數(shù)載流子仍然是很重要的，因為其濃度小易于改變和控制，從而可以用來控制半導(dǎo)體中的許多電學(xué)過程。34三，半導(dǎo)體中的非平衡載流子非平衡載流子的注入：光學(xué)方法（本征激發(fā)）和電學(xué)方法（破壞pn結(jié)平衡）；大小注入；注入和抽取的判據(jù)（np與ni2的大小關(guān)系）；熱平衡態(tài)的判據(jù)（np=ni2成立？）35非平衡載流子的復(fù)合與壽命36A，直接復(fù)合（砷化鎵）但在高濃度摻雜的雙極晶體管中的發(fā)射區(qū)，非輻射的俄歇復(fù)合也會變得很顯著，因為該復(fù)合率正比于載流子濃度。B，間接復(fù)合（鍺、硅）C，表面復(fù)合所以載流子壽命可表示為371.3載流子的運動PN結(jié)的形成：

一個PN結(jié)形成的假想試驗3839PN結(jié)形成：載流子的擴散與漂移運動40一，漂移運動低電場下，漂移速度正比于電場強度，表示式為：41？？影響的因素1，非極性半導(dǎo)體（Si、Ge）中主要是聲學(xué)聲子和電離雜質(zhì)兩種散射機構(gòu)起主要影響。422，極性半導(dǎo)體（GaAs）中主要是光學(xué)聲子和電離雜質(zhì)散射，并且前者較顯著。43

小結(jié)：常溫、較低雜質(zhì)濃度下，聲子（晶格）散射機構(gòu)其主要作用，遷移率較大；隨著雜質(zhì)濃度增加（室溫下大部分雜質(zhì)已電離），電離雜質(zhì)散射變得越來越顯著，遷移率逐漸減小?？偟恼f來，低溫下雜質(zhì)散射起決定作用。對于給定雜質(zhì)濃度，由于半導(dǎo)體電子有效質(zhì)量小于空穴，因此電子遷移率大于空穴遷移率。高溫下，晶格（聲子）散射起決定作用，而雜質(zhì)濃度對影響減弱。雜質(zhì)濃度較低時，無論高溫低溫，遷移率主要由聲學(xué)聲子散射決定。強電場下，漂移速度增加變得緩慢，并最終達到飽和速度，不再隨E而增加。44漂移電流與電導(dǎo)率45二，擴散運動擴散流密度（每秒鐘通過單位截面的載流子數(shù)）由菲克（Fick）定律描述46在均勻半導(dǎo)體中，平衡載流子濃度p0和n0時不隨位置x變化的，因此擴散流密度完全由非平衡載流子引起，所以有471.4半導(dǎo)體中的基本控制方程組

描述載流子在電磁場中運動的基本方程構(gòu)成了半導(dǎo)體中的基本控制方程組，其同時也是各種半導(dǎo)體器件理論的基礎(chǔ)。這些基本方程一般分為三組：電流密度方程連續(xù)性方程電磁場方程（半導(dǎo)體中常用泊松方程）481，電流密度方程49漂移電流擴散電流2，連續(xù)性方程描述在漂移、擴散、產(chǎn)生于復(fù)合同時存在的情況下，自由載流子濃度（n和p）隨這些過程而改變的關(guān)系式。50513，電磁場方程（半導(dǎo)體中常用泊松方程）52PN結(jié)的一維泊松方程

↓←↙泊松-玻爾茲曼方程由（X1-10）可得其中，雙曲函數(shù)，

而稱為本征德拜長度。53解泊松-玻爾茲曼方程所得到的結(jié)論：根據(jù)凈空間電荷的空間分布，PN結(jié)可劃分為三個區(qū)域：遠離冶金結(jié)的電中性區(qū)，這里僅空間電荷密度近似為零。N型區(qū)nn=ND，P型區(qū)pp=NA。邊界區(qū)，這個區(qū)域里可動電荷密度及僅空間電荷密度都隨距離急劇變化。冶金結(jié)附近的耗盡區(qū)，可動載流子密度衰減到遠低于固定電荷密度，空間電荷可看成全部由離化雜質(zhì)中心提供?？臻g電荷區(qū)包括邊界區(qū)和耗盡區(qū)。邊界區(qū)寬度通常比耗盡區(qū)寬度小很多?？臻g電荷區(qū)有時也稱過渡區(qū)或勢壘區(qū)。54551.5PN結(jié)的電學(xué)特性使用兩個近似條件來分析PN結(jié)特性:耗盡近似準中性近似為什么要使用這兩個近似條件？56一，耗盡近似57實際理論分析表明：邊界區(qū)在空間電荷區(qū)總寬度中所占比例不大，其上電勢降落于內(nèi)建電勢相比也很小。因此對于工作在零偏、反偏的PN結(jié)，推導(dǎo)空間電荷區(qū)相關(guān)特性時都通常采用耗盡近似。耗盡近似的內(nèi)容：

假定空間電荷區(qū)內(nèi)載流子全部耗盡，離化雜質(zhì)中心提供空間電荷，空間電荷的分布在邊界上突變到零。邊界區(qū)被忽略。58二，準中性近似計算分析表明，對于雜質(zhì)非均勻分布的半導(dǎo)體來說，遠離冶金結(jié)的區(qū)域中仍存在電場。但是對于一些特殊的分布（如指數(shù)分布或與其相近的高斯分布、余誤差分布）可計算出電場值為常數(shù)＊且實際上很小，所以可以認為是零，也同樣滿足電中性條件。59Q：如果用電壓表測量一個PN結(jié)樣品的兩端，是否可以測出內(nèi)建電場值呢？601.5.1突變結(jié)的空間電荷區(qū)電場和電勢由耗盡近似可知空間電荷密度分布可表示為

代入泊松方程，并考慮到中性區(qū)雜質(zhì)均勻分布，到處電場為零，于是空間電荷區(qū)邊界上必然有61泊松方程利用耗盡近似得到的電場強度，以及PN結(jié)每側(cè)空間電荷區(qū)的寬度，其中Xm為空間電荷區(qū)寬度。62PN結(jié)外加電壓VA時的兩個重要關(guān)系式：空間電荷區(qū)寬度以及電場強度最大值正比于是突變結(jié)最大特征。631.5.2線性緩變結(jié)的空間電荷區(qū)電場和電勢線性緩變結(jié)的雜質(zhì)分布注意：其中VBJ是外加電壓的函數(shù)，因為對于緩變結(jié)來說，隨著空間電荷區(qū)邊界的移動，平衡多子濃度會變化。64651.5.3PN結(jié)直流特性的表象：注入和抽取少子注入：勢壘高度降為q(VBJ-VF)*。外加的正向電壓有一部分降落在pn結(jié)區(qū)，方向與pn結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，pn結(jié)呈現(xiàn)低阻性。66在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。少子抽?。簞輭靖叨壬秊閝(VBJ+VR)。外加的反向電壓有一部分降落在pn結(jié)區(qū)，方向與pn結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時pn結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，pn結(jié)呈現(xiàn)高阻性。67681.5.4PN結(jié)內(nèi)建電勢前提條件:

平衡PN結(jié)的空間電荷區(qū)中，EF位于禁帶中，與價帶頂以及導(dǎo)帶底的距離遠大于kT（非簡并半導(dǎo)體），因此可以援引玻耳茲曼關(guān)系*，電子密度及空穴密度表示為：

69因為有公式

而公式后面的乘積項在通常的本征硅、鍺、砷化鎵半導(dǎo)體中數(shù)值很小，可以忽略。所以可以看出在均勻半導(dǎo)體中EC、EV和Ei間能量差恒定不變，因而可以用Ei做勢能參考點，或者說某些時候可以用Ei代替EC、EV來做計算。70比較方程推導(dǎo)過程利用勢能和電勢的關(guān)系式可以將電子勢能、費米能級轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電子電勢和費米勢，

于是由式（X1-1）

71結(jié)論：常溫下非簡并半導(dǎo)體突變結(jié)的內(nèi)建電勢VBJ等于所以有

其中Ψn、Ψp分別為N區(qū)、P區(qū)電勢。

721.5.5準費米能級Q：為什么要引入“準費米能級”的概念來代替原來的“費米能級”？

A：費米能級是熱平衡的標志，外加偏置電壓后產(chǎn)生了非平衡載流子、熱平衡被打破，半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)，也就不再有統(tǒng)一的費米能級。Q：何謂電子的準費米能級、空穴的準費米能級？

A：因為同一個能帶范圍內(nèi)，熱躍遷十分頻繁，所以極短時間內(nèi)就能導(dǎo)致一個能帶內(nèi)的熱平衡。因此即使半導(dǎo)體平衡態(tài)被破壞存在非平衡載流子時，仍可認為導(dǎo)帶中的電子、價帶中的空穴它們各自基本仍處于平衡狀態(tài)。此時費米能級和統(tǒng)計分布函數(shù)對導(dǎo)帶和價帶仍是分別適用的，也就是說它們有各自的準費米能級。73準費米能級定義式74分析所得空間電荷區(qū)內(nèi)準費米能級位置751.5.6二極管定律：理想PN結(jié)的直流-電壓方程理想PN結(jié)的假定條件：P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。電中性區(qū)寬度遠大于少子擴散長度。冶金結(jié)為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應(yīng)，載流子在PN結(jié)中一維流動?？臻g電荷區(qū)寬度遠小于少子擴散長度，不考慮空間電荷區(qū)中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用，即通過空間電荷區(qū)電子和空穴電流為常量。P型區(qū)和N型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降落在過渡區(qū)上。76二極管定律的推導(dǎo)推導(dǎo)時外加條件限制：正偏工作在小注入；反偏未擊穿。引入兩個重要的關(guān)系式：77利用前面的兩個重要關(guān)系式（a）、（b）以及（X1-60）式計算空間電荷區(qū)邊界上少子的濃度而獲得Shockley邊界條件：78邊界上少子濃度X1-60N型硅中少數(shù)載流子空穴的恒定電場連續(xù)性輸運方程：連續(xù)性方程表示的是某種路徑上必須具有的不間斷的特性。如流體動力學(xué)中“進入一個體積的物資必須從這個體積出來或在它內(nèi)部消失”。79代入Shockley邊界條件，以及在少子擴散區(qū)外非平衡少子密度等于平衡少子密度這一邊界條件，得到：N區(qū)過剩載流子空穴的分布式注意到在一維空穴電流輸運方程中，小注入時，擴散區(qū)中不存在電場，漂移電流為零80將x=xn處（1-75）表示式代入式（1-631），得到邊界處空穴擴散流密度為同理求得在x=-xp處電子擴散流密度為又因為忽略空間電荷區(qū)復(fù)合-產(chǎn)生作用，所以有通過其兩側(cè)邊界的載流子密度分別相等，即81將（X1-77）和（X1-80）代入（X1-801）最終得到重要的理想PN結(jié)電流-電壓方程82長二極管和短二極管根據(jù)少子擴散長度(L)和中性區(qū)寬度(W)的相對大小，定義了長二極管和短二極管。長二極管：Wn>>Lp以及Wp>>Ln

短二極管：Wn<<Lp以及Wp<<Ln

Q：如果一邊滿足長二極管條件一邊滿足短二極管條件，那怎么辦？83歐姆接觸：一種金屬半導(dǎo)體接觸，界面上存在起復(fù)合中心作用的表面能級，通過它電子空穴對復(fù)合或產(chǎn)生電子空穴對。841.5.7二極管定律與實驗結(jié)果的偏離85PN結(jié)正向電流經(jīng)驗公式：

結(jié)論：n在1~2之間變化，隨外加正向偏壓而定；在很低偏壓下，n=2，勢壘區(qū)復(fù)合電流其主要作用，圖中曲線為a段；正偏壓較大時，n=1，擴散電流起主要作用，為曲線b段；發(fā)生大注入時，n=2，曲線c段；大電流時，必須考慮體電阻上壓降，落在勢壘區(qū)電壓變小，正像電流增加更加緩慢，曲線d段；反向偏壓下，PN結(jié)勢壘區(qū)存在產(chǎn)生電流，該值比理想方程計算值大且不飽和（變化的）。86外篇之PN結(jié)的反向電流反向電流的影響隨著芯片中單個器件尺寸的變小和工作電流的減小日益重要。

例如：一個集成度一億的IC芯片，工作電壓1V，每個器件平均反向電流為100納安，則整個芯片不工作時的靜態(tài)功耗就可以達到10瓦！PN結(jié)反向電流＝反向擴散電流＋勢壘電流＋表面漏電流871，反向擴散電流：PN結(jié)反偏時，反偏電場將空間電荷區(qū)邊界處的少子拉到對側(cè)所形成的反向電流，也叫反向飽和電流（PN結(jié)理想電壓－電流方程X1－81中的I0）。

其大小為：882，勢壘產(chǎn)生電流Ig：因為反偏時空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度低于平衡值，故產(chǎn)生率大于復(fù)合率，凈產(chǎn)生率不為零。而空間電荷區(qū)內(nèi)電子－空穴對一旦產(chǎn)生，馬上便會被空間電場分開拉向空間電荷區(qū)兩側(cè)，從而形成了勢壘產(chǎn)生電流。893，表面漏電流：a，擴散區(qū)表面和勢壘區(qū)表面的復(fù)合中心產(chǎn)生電子－空穴對，前者使反向擴散電流增加，而后者使勢壘產(chǎn)生電流增加。b，表面沾污。主要是工藝不良引起Na＋沾污，或者是水汽分子，相當于表面形成一個電導(dǎo)，形成漏電通路。c，SiO2層被Na＋嚴重沾污，或者原材料本身是高補償型的，則在P型SiO2層下Si表面處極易形成反型層。結(jié)果是使PN結(jié)實際面積增大，空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流大大增加。901.5.7pn結(jié)勢壘電容(過渡區(qū)電容)91pnpnxmxm-Δxxmxm+Δx圖1-35p-n結(jié)勢壘邊界處載流子的運動(a)載流子流入，勢壘變窄（充電）；(b)載流子流出，勢壘變寬（放電）勢壘電容與普通電容器的區(qū)別勢壘電容的電容量隨外加電壓而變化，是非線性電容，平行板電容器的電容是固定值；形成勢壘電容的勢壘區(qū)中充滿空間電荷，平行板電容器中間沒有電荷；勢壘電容的大小取決于載流子補償空間電荷區(qū)電荷的情況，因而與pn結(jié)兩側(cè)摻雜情況密切相關(guān)；因為勢壘電容的Qt隨外加電壓Vt的變化不是線性關(guān)系，因此不能寫成普通電容的關(guān)系式C=Q/V，而需要寫成微分形式Ct=dQt/dVt。921.5.8pn結(jié)擴散電容931.5.9正偏電容正偏電容=勢壘電容+擴散電容94第一部分：流過PN結(jié)電流小，擴散電容可以忽略。C隨外加電壓VA緩慢上升。第二部分：擴散電容開始大于過渡區(qū)電容，兩部分同時作用。C隨VA急劇上升。第三部分：擴散電容作用更加明顯。并且由于大注入效應(yīng)，電導(dǎo)調(diào)制出現(xiàn)，而少子分布的變化（電流的變化）也滯后于結(jié)上外加電壓變化而呈現(xiàn)電感效應(yīng)*。C值下降并改變符號。1.5.10PN結(jié)的擊穿95加在p-n結(jié)上的反向電壓超過一定限度時反向電流突然劇增的現(xiàn)象稱為p-n結(jié)擊穿，與之對應(yīng)的反向電壓稱為擊穿電壓，記為VB。熱擊穿電擊穿雪崩擊穿隧道擊穿p-n結(jié)擊穿強反偏強電場載流子加速積累能量與晶格碰撞激發(fā)價電子電子空穴對雪崩倍增效應(yīng)96

隧道擊穿是由隧道效應(yīng)引起的電流劇增。通常發(fā)生在p區(qū)和n區(qū)摻雜濃度都很高的p-n結(jié)中。當很高的反向偏壓作用在兩側(cè)摻雜濃度都很高(xm小)的p-n結(jié)上時，有可能使p區(qū)的價帶頂高于n區(qū)的導(dǎo)帶底。此時p區(qū)部分價帶電子的能量高于n區(qū)導(dǎo)帶電子的能量。p區(qū)價帶電子將按一定的幾率穿透勢壘到達n區(qū)導(dǎo)帶，形成反向電流——隧道電流。這種效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)。由這種效應(yīng)引起的擊穿稱為隧道擊穿。97兩種擊穿形式的比較相同點：電壓微小增加，電流劇增——擊穿特性非破壞性是可逆擊穿。不同點：1、機理不同。

2、隧道擊穿要求高反壓、窄勢壘，故發(fā)生在重摻結(jié)中；雪崩擊穿要求高場強、寬勢壘，發(fā)生在低摻雜結(jié)中；

3、小于4Eg/q為隧道擊穿，大于6Eg/q為雪崩擊穿，兩者之間兩種機制并存。對于硅材料這兩個值分別為4V和7V。

4、溫度影響：隨溫度升高，晶格振動加劇，平均自由程減??；禁帶寬度減小，隧穿幾率上升；故雪崩擊穿電壓有正溫度系數(shù)，隧道擊穿電壓有負溫度系數(shù)。

5、光照、快速粒子轟擊等增加參與倍增載流子數(shù)，使雪崩擊穿電壓下降，而對隧道擊穿電壓無影響。98不可逆的擊穿：熱擊穿

由于熱效應(yīng)引起的p-n結(jié)的破壞性擊穿電流熱損耗結(jié)溫上升電流上升電流劇增p-n結(jié)擊穿99半導(dǎo)體二極管圖片100半導(dǎo)體二極管圖片1.6基本器件工藝101略……END102103

微電子器件原理第2章晶體管的直流特性背景知識介紹：1947年12月貝爾實驗室的WilliamShockley、JohnBardeen和WalterBrattain發(fā)明了點觸晶體管，開創(chuàng)了固體電子學(xué)的新時代。104肖克萊－巴?。祭D1，點觸晶體管輸入電阻低、輸出電阻高->輸入端的電流增量導(dǎo)致很強的輸出端電壓增量->轉(zhuǎn)移電阻放大放大器(Transresistor)->J.R.Pierce提出命名為Transistor。2，大約在點接觸晶體管發(fā)明后一個月，肖克萊初步提出了結(jié)型晶體管的概念。在1949年這一概念最終完善。3，1951年結(jié)型晶體管面世后，性能較差的點接觸式晶體管被逐步淘汰。105106“叛逆八人幫”晶體管分類：結(jié)型晶體管：又稱雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor-BJT）場效應(yīng)晶體管：

(FieldEffectTransistor-FET)又稱單極型晶體管(UnipolarDevices)兩者復(fù)合：如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)107108

半導(dǎo)體三極管的型號國家標準對半導(dǎo)體三極管的命名如下:3

D

G

110B

第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號的序號用字母表示同一型號中的不同規(guī)格三極管2.1雙極晶體管的基本結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布1，基本結(jié)構(gòu)109兩個背靠背靠得很近的p-n結(jié)組成了雙極型晶體管：分為：npn和pnp兩種類型基區(qū)寬度遠遠小于少子擴散長度發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極集電極基極110雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)

雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型:npn型和pnp型。

兩種極性的雙極型晶體管e-b間的pn結(jié)稱為發(fā)射結(jié)(Je)c-b間的pn結(jié)稱為集電結(jié)(Jc)

中間部分稱為基區(qū)，連上電極稱為基極，用B或b表示（Base）；

一側(cè)稱為發(fā)射區(qū)，電極稱為發(fā)射極，用E或e表示（Emitter）；

另一側(cè)稱為集電區(qū)和集電極，用C或c表示（Collector）。

雙極型晶體管的符號在圖的下方給出，發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實際方向。從外表上看兩個N區(qū)，(或兩個P區(qū))是對稱的，實際上發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大，集電區(qū)摻雜濃度低，且集電結(jié)面積大?；鶇^(qū)要制造得很薄，其厚度應(yīng)遠小于少子擴散長度。1112，雜質(zhì)分布112合金管兩個p-n結(jié)都用合金法燒結(jié)而成三個區(qū)內(nèi)雜質(zhì)各自均勻分布發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是突變結(jié)均勻基區(qū)晶體管113合金擴散管發(fā)射結(jié)為合金結(jié)，集電結(jié)為擴散結(jié)發(fā)射結(jié)是突變結(jié)，集電結(jié)是緩變結(jié)基區(qū)雜質(zhì)分布緩變和最初的點觸式晶體管是不同的緩變基區(qū)晶體管114平面管（雙擴散晶體管）＊發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為擴散結(jié)基區(qū)雜質(zhì)分布緩變緩變基區(qū)晶體管115臺面管集電結(jié)均為擴散結(jié)發(fā)射結(jié)可為擴散結(jié)或合金結(jié)基區(qū)雜質(zhì)分布緩變用化學(xué)腐蝕方法制出臺面，消除集電結(jié)邊緣電場集中，提高反壓。2.2BJT中的電流傳輸一些關(guān)于參數(shù)的聲明：116NPNPNP發(fā)射結(jié)正偏VBE>0VEB>0發(fā)射結(jié)反偏VBE<0VEB>0集電結(jié)正偏VBC<0VCB>0集電結(jié)反偏VBC<0VCB<0VJ大于零表示結(jié)正偏，小于零表示反偏。發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏為正向有源區(qū)；發(fā)射結(jié)及集電結(jié)都正偏為飽和區(qū)；發(fā)射結(jié)及集電結(jié)都反偏為截止區(qū)；發(fā)射結(jié)反偏、集電結(jié)正偏則為反向有源區(qū)＊。各個極電流方向以BJT正向有源工作時電流方向為正。117晶體管端電流的組成一個正向有源區(qū)的BJT電流傳輸118載流子傳輸過程：

1.發(fā)射結(jié)注入

2.基區(qū)輸運

3.集電結(jié)收集＊圖示（空穴）1192.3描述晶體管電流傳輸作用和放大性能的參數(shù)120121中間參量：122提高直流電流增益的一般原則：

就是說基區(qū)寬度遠遠小于少子擴散長度，或者說基區(qū)對少子的復(fù)合很少；代表發(fā)射結(jié)的高注入比（因為InE對輸出電流IC有貢獻，因此希望InE在IE中所占比例越大越好），或者說發(fā)射區(qū)重摻雜、基區(qū)低摻雜；取決于集電區(qū)產(chǎn)生流的大小。123為何CB接法的BJT會具有放大能力？1242.4晶體管的直流伏安特性方法：利用簡化的一維BJT模型并在忽略次要因素的情況下進行分析，然后再考慮這些因素對I-V方程予以修正。步驟：1，求出各區(qū)少子分布（連續(xù)性方程）2，求出BJT內(nèi)部各電流分量（電流密度方程）3，構(gòu)造出伏安特性方程1252.4.1均勻基區(qū)BJT的伏安特性前提假設(shè)：外加電壓全部降落在勢壘區(qū)；兩個PN結(jié)都為小注入（無自建電場）；由上面兩個條件可知，注入各區(qū)的少子只做純擴散運動；發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上所加偏壓分別用VE和VC表示，正表示注入，負表示抽取。126基區(qū)P型硅中少數(shù)載流子電子的恒定電場連續(xù)性輸運方程：連續(xù)性方程表示的是某種路徑上必須具有的不間斷的特性。如流體動力學(xué)中“進入一個體積的物質(zhì)必須從這個體積出來或在它內(nèi)部消失”。127128129少子密度130少子密度131132133電流密度步驟2：求各區(qū)電流134135步驟3：最終得到直流方程根據(jù)電流的連續(xù)性，在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)任何一個截面上，電流密度總是不變的，因此我們選取發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢壘邊緣兩個截面就可方便地得到發(fā)射極電流和集電極電流。136137138139理想晶體管或本征晶體管一維的外加電壓只落在PN結(jié)勢壘區(qū)小注入不考慮厄利效應(yīng)，基區(qū)寬度為常數(shù)無勢壘區(qū)復(fù)合和產(chǎn)生電流，無表面復(fù)合電流等140有源放大區(qū)的伏安特性1412.4.2緩變基區(qū)BJT的有源放大區(qū)的伏安特性Moll-Ross方法優(yōu)點：適用于任意雜質(zhì)分布形式的基區(qū)非平衡少子濃度的求解?；炯俣ǎ荷僮釉诨鶇^(qū)的運動是一維的；基區(qū)寬度大于載流子的平均自由程，因而能夠?qū)⑤d流子在基區(qū)的輸運看作是擴散加漂移；基區(qū)中準中性近似成立；載流子遷移率等于常數(shù)，雜質(zhì)濃度超過時引入平均遷移率；小注入，非平衡少子密度低于同一位置上的多子平衡態(tài)密度；忽略基區(qū)復(fù)合，對于現(xiàn)代高β晶體管這一條是成立的。

142基區(qū)自建電場的產(chǎn)生在擴散基區(qū)中，雜質(zhì)分布以及電離產(chǎn)生的多子存在濃度梯度。多子在濃度梯度作用下向低濃度方向擴散，結(jié)果造成正負電荷中心分離，形成電場。該電場對多子的漂移作用阻止多子的進一步擴散，從而使多子達到漂移和擴散的動態(tài)平衡，形成穩(wěn)定的分布。這種因基區(qū)雜質(zhì)濃度分布不均勻（緩變）而自發(fā)地建立起來的電場，稱為緩變基區(qū)自建電場。該電場的存在使基區(qū)中各處的電位不再相等，基區(qū)能帶發(fā)生彎曲。使基區(qū)少子在擴散的基礎(chǔ)上疊加漂移運動。143加速場加速區(qū)阻滯場阻滯區(qū)一，緩變基區(qū)電場的表達式144自建電場145二，緩變基區(qū)BJT中的少子分布和少子電流精確法：求解包括漂移分量在內(nèi)的少子連續(xù)性方程，得出少子分布和少子電流分布從而導(dǎo)出緩變基區(qū)BJT的I-V方程。近似法：忽略少子在基區(qū)輸運過程中的復(fù)合損失，認為基區(qū)少子電流近似為常數(shù)（當WB<<LnB時是很好的近似，本處采用這種方法）146147148η與少子密度分布關(guān)系？149150利用基區(qū)少子密度求得基區(qū)少子電流151發(fā)射區(qū)自建電場152153三，有源放大區(qū)的直流伏安特性154低電流非理想?yún)^(qū)（發(fā)射結(jié)勢壘復(fù)合）理想?yún)^(qū)中等注入?yún)^(qū)（基極電阻分壓）大注入?yún)^(qū)（大注入效應(yīng)）為改善特性，必須減小勢壘區(qū)和基區(qū)表面復(fù)合（通過降低復(fù)合中心或表面陷阱密度）并使基極電阻和大注入效應(yīng)減至最?。ㄍㄟ^改變基區(qū)摻雜分布和器件幾何圖形設(shè)計）1552.5直流電流增益

2.5.1理想BJT的直流增益156中間參量1571581591602.5.2影響直流增益的一些因素161162二，發(fā)射區(qū)重摻雜1631，為了獲得高增益，一般BJT發(fā)射區(qū)摻雜濃度都很高，大約在本征硅原子密度（5＊1022cm-3）的兩百分之一以上，重摻雜發(fā)射區(qū)中的禁帶變窄及俄歇復(fù)合將影響電流傳輸。但在現(xiàn)代的高β晶體管中，發(fā)射區(qū)寬度通常小于少子擴散長度，禁帶變窄是主要影響因素，過剩載流子的復(fù)合是次要的。2，禁帶如何變窄的？

a），輕摻雜半導(dǎo)體中，一定體積內(nèi)雜質(zhì)原子數(shù)量遠小于晶體離子，所以可不考慮雜質(zhì)原子間相互作用以及雜質(zhì)原子對晶體周期勢場的影響。而重摻雜半導(dǎo)體中雜質(zhì)間距離變小，相互作用加強，出現(xiàn)了電子在雜質(zhì)原子間的共有化運動，也就是說禁帶中間分離的雜質(zhì)能級展寬為了雜質(zhì)能帶（這種效應(yīng)在雜質(zhì)濃度高于1018cm-3時，變得很明顯）。另一方面，晶體中大量雜質(zhì)原子的無規(guī)則分布對晶格周期勢場產(chǎn)生了影響，使能帶失去了明確的邊緣，從而產(chǎn)生了一個深入到禁帶中的“尾”。隨著雜質(zhì)濃度增高，雜質(zhì)能帶擴展，帶尾也伸長，導(dǎo)致主能帶和雜志帶合并，禁帶變窄。

b），重摻雜半導(dǎo)體中的高濃度載流子會屏蔽雜質(zhì)中心的勢場，減弱對電子、空穴的束縛，使產(chǎn)生電子空穴對的激活能減少，相當于使禁帶變窄。164165E方向？166167三，表面復(fù)合的影響為減小基區(qū)表面復(fù)合的影響，應(yīng)該注意表面的清潔處理，減少表面復(fù)合中心。實際BJT中，基區(qū)表面復(fù)合主要影響小電流時的電流增益。168四，VCE對BJT電流增益的影響

--基區(qū)寬變效應(yīng)（1），基區(qū)寬變效應(yīng)（2），基區(qū)寬變效應(yīng)對電流增益的影響169170VA？2.6反向電流和擊穿電壓

2.6.1反向電流為什么關(guān)心反向電流？1，反向電流代表BJT中的失控現(xiàn)象；2，消耗能量且可能影響B(tài)JT工作穩(wěn)定性。

ICBO、IEBO、ICEO171一，ICBO什么是ICBO？ICBO的值？172173發(fā)射極浮動電壓VEB（fl）174二，IEBO什么是IEBO？IEBO的值？175176三，ICEO（穿透電流）什么是ICEO？代表了IB的失控現(xiàn)象。ICEO的值？177178（2-7）Why？179Beta值2.6.2擊穿電壓擊穿電壓標志著BJT能承受的電壓上限，通常包括BVEBO、BVCBO和BVCEO，以及與電路條件有關(guān)的BVCES、BVCER、BVCEX和BVCEZ。180一，BVCBO181二，BVEBO什么是BVEBO？IEBO的值？182183三，VBCEO、VBCES、VBCER、VBCEX、VBCEZ什么是VBCE…？VBCE…的值？184185186負阻現(xiàn)象-電流劇增電壓卻下降187Beta值1881892.6.3穿通電壓

外加偏壓還未達到使集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿就產(chǎn)生電流突然增大現(xiàn)象，這是由于穿通效應(yīng)造成的。分為：基區(qū)穿通外延層穿通190一，基區(qū)穿通191二，外延層穿通1922.7基極電阻BJT的基極電阻是表征其性能好壞的一個重要參數(shù)。影響著BJT的輸入阻抗、產(chǎn)生電壓反饋及發(fā)射極電流集邊或集中效應(yīng)，對BJT的功率特性、頻率特性、噪聲系數(shù)等都有重要影響。盡量減小基極電阻。193一，梳狀晶體管中小功率BJT普遍采用的一種圖形結(jié)構(gòu)。194195為什么發(fā)射極下基區(qū)電流不均勻？196197198199200二，圓形晶體管也是一種常見的BJT圖形結(jié)構(gòu)。201202發(fā)射區(qū)下基極電阻rB1、發(fā)射極外部基極電阻rB2和基極歐姆電阻rCON2032042.8特性曲線2.8.1輸入特性曲線反映了輸入電壓與輸入電流之間的關(guān)系205206基區(qū)寬變效應(yīng)對IE的影響基區(qū)寬變效應(yīng)對IB的影響2.8.2輸出特性曲線反映了輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系207208II區(qū)為什么是線性增加的？基區(qū)寬變效應(yīng)使曲線傾斜兩種組態(tài)輸出特性的比較BJT是一種電流控制器件。共射接法電流增益遠大于共基接法。共射輸出特性曲線上翹程度比共基接法明顯很多。因為基區(qū)寬變效應(yīng)影響對比對大很多。如從0.99稍稍變大到0.998，則從99變化到499。而共射IB=0上翹是因為。共射VCE下降到0之前，IC就開始下降而共基要在VCB為負時才開始下降。I、II、III分別對應(yīng)有源放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。2092.8.3BJT的直流小信號h參數(shù)由晶體管的特性曲線不僅可以得到各種直流參數(shù)也可以得到直流小信號（即低頻下交流小信號）參數(shù)。210偏置與信號放大211IB與VBE是非線性的指數(shù)關(guān)系，所以盡管IB與IC線性，輸入電壓信號VBE與輸出IC也不是線性關(guān)系。微變等效電路或增量等效電路概念解釋和符號約定頻率特性：器件處理連續(xù)信號時所表現(xiàn)出來的性能叫做器件的頻率特性*。瞬變特性（開關(guān)特性）：處理數(shù)字信號以及脈沖信號時，器件在兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間往復(fù)躍變，躍變過程中表現(xiàn)出來的性能叫做開關(guān)特性，也稱瞬變特性。大信號工作：通過器件的信號電流或信號電壓幅值變化范圍很大。此時信號電流和電壓不滿足線性變化關(guān)系。比如各類功率電路。小信號工作：信號幅值遠小于電路中的偏置電流和電壓。此時信號電流和電壓滿足線性變化關(guān)系。比如放大電路。

符號約定：小寫字母大寫角標表示瞬態(tài)值；大寫字母大寫角標表示直流分量；小寫字母小寫角標表示交變分量（交流分量）。212參數(shù)方程兩個回路兩個方程、四個外部變量兩個自變量。因此共有六種可能選擇但是只有兩組-y參數(shù)和h參數(shù)-對描述BJT的小信號特性有實際意義（其它如z、s、g、t參數(shù)等用于高頻等特性的分析）。自變量為輸入電壓和輸出電壓-y參數(shù)自變量為輸入電流和輸出電壓-h參數(shù)自變量為輸入電流和輸出電流-z參數(shù)213214多小算小呢？共射結(jié)法BJT的h參數(shù)方程低頻小信號下的二極管瞬態(tài)特性215BJT放大公式↘2162172.9晶體管模型晶體管模型的用途：用于計算機輔助分析（CAA）、計算機輔助設(shè)計（CAD）或電子設(shè)計自動化（EDA）建立方法：使用一些基本的元件（電阻、電容、二極管、受控電壓源或電流源）構(gòu)造一個四端網(wǎng)絡(luò)，而該四端網(wǎng)絡(luò)和晶體管端特性相同即可。因此模型構(gòu)造具有一定隨意性，不同的模型應(yīng)用于不同的分析。根據(jù)模型構(gòu)造途徑可分為：一，物理模型。物理意義明確，反映了器件的內(nèi)部物理過程。如低頻小信號模型。二，電路模型。只從器件端特性來構(gòu)造而不關(guān)心內(nèi)部發(fā)生的過程。如小信號y、h參數(shù)模型等。其中各參數(shù)的意義比較明確，對電路分析很方便，并且也可以與器件內(nèi)部參數(shù)聯(lián)系起來。218E-M方程的建立，是為了用計算機來模擬BJT的特性。目前BJT的模型有兩種：E-M模型和G-P模型。E-M模型是最早的將器件物理參數(shù)與終端特性相聯(lián)系的數(shù)學(xué)模型模型越精確，建模就越復(fù)雜，因而要折中考慮E-M模型簡單而實用，是計算機模擬的基本模型其簡單形式只需3個獨立參數(shù)計入串聯(lián)電阻、勢壘電容及厄爾利效應(yīng)，參數(shù)增至9個進一步發(fā)展的G-P（Gummel-Poon）模型，也稱積分電荷控制模型，更為精確，但參數(shù)達25個，簡化后回到E-M模型2192.9.1埃伯爾斯—莫爾（Ebers-Moll）模型E-M模型是一種非線性直流模型，未考慮器件中的電荷存儲效應(yīng)，為與后來的改進模型相區(qū)別，記作E-M1計及非線性電荷存儲效應(yīng)及歐姆電阻等，構(gòu)成二級復(fù)雜程度的E-M2包括基區(qū)寬度調(diào)制、大電流下及正向渡越時間的變化、集電結(jié)電容的分布性及器件參數(shù)隨溫度的變化等二階效應(yīng)，構(gòu)成E-M3（與G-P模型等價）E-M1基于電流-電壓方程：I-V方程側(cè)重描述結(jié)構(gòu)參數(shù)與I-V關(guān)系E-M模型側(cè)重器件終端特性，適于電路模擬，而將器件參數(shù)歸納成為模型參數(shù)從E-M模型理解開路、短路飽和電流及其相互關(guān)系，進一步理解p-n結(jié)的相互作用220E-M模型把晶體管看成由一個正向晶體管和一個反向晶體管疊加而成。晶體管中的兩個p-n

結(jié)分別用兩個二極管來代表而基區(qū)載流子的傳輸特性則由電流源來代替。1954年Ebers和Moll提出的原始型E-M方程適用于BJT所有的工作區(qū)簡單直觀，物理概念清晰。BJT是由兩個背靠背的p-n結(jié)構(gòu)成的221222均勻基區(qū)BJT電流223稱為埃-莫方程的互易定理本質(zhì)：晶體管eb結(jié)與cb結(jié)有共同部分——基區(qū)，無論哪一個結(jié)短路，另一個反偏結(jié)的反向飽和電流都含有共同的部分——基區(qū)少子擴散電流（反向抽?。?。

2242252.9.2BJT各工作區(qū)的模型226227228

微電子器件原理第3章晶體管的頻率特性第3章晶體管的頻率特性

在實際運用中，晶體管大多數(shù)都是在直流偏壓下放大交流信號。隨著工作頻率的增加，晶體管內(nèi)部各個部位的電容效應(yīng)將起著越來越重要的作用，因而致使晶體管的特性發(fā)生明顯的變化。本章討論在高頻信號作用下晶體管的哪些特性參數(shù)發(fā)生什么樣的變化以及這些這些變化與工作頻率的關(guān)系等，以便能更好地認識高頻下晶體管特性的變化規(guī)律，更重要的是了解應(yīng)設(shè)計制造什么樣的晶體管以滿足高頻工作條件的要求。為此，首先介紹晶體管高頻工作下的特殊參數(shù)，然后再討論這些參數(shù)與結(jié)構(gòu)、工作條件的關(guān)系等。2293.1基本概念2302313.1.2描述BJT頻率特性的參數(shù)2322332342353.2電流增益的頻率變化關(guān)系-截止頻率和特征頻率3.2.1交流小信號電流的傳輸過程236發(fā)射結(jié)勢壘電容充放電效應(yīng)、基區(qū)電荷存儲效應(yīng)或發(fā)射結(jié)擴散電容充放電效應(yīng)、集電結(jié)勢壘區(qū)渡越過程、集電結(jié)勢壘電容充放電效應(yīng)2372382392402413.2.2共基極電流增益和α截止頻率242243244直流分量交流分量2452462472483.2.3共射極電流增益、β截止頻率和特征頻率249250利用矢量圖分析ic與ib的變化251二，特征頻率252三，特征頻率與截止頻率的關(guān)系253四，特征頻率與晶體管工作點的關(guān)系254五，提高特征頻率的措施255同樣結(jié)構(gòu)下npn和pnp誰fT大？3.3高頻功率增益和最高振蕩頻率256一，晶體管的功率增益257258二，最佳功率增益259三，晶體管的高頻功率增益2602612622633，功率增益隨工作點的變化2643.4雙極晶體管的噪聲特性265266267268269270

微電子器件原理第4章雙極型晶體管的功率特性第4章雙極型晶體管的功率特性大功率晶體管工作在高電壓和大電流條件下，電流增益和特征頻率等比直流情況下會顯著下降；本章將討論影響功率特性的最大電流、最高電壓、最大耗散功率、二次擊穿等。2714.1基區(qū)大注入效應(yīng)對電流放大系數(shù)的影響272基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)和自建電場一，大注入自建電場273二，大注入下基區(qū)少子分布及電流特性274275276277a圖以電場因子h為參量；b圖給出了h=8時歸一化電子濃度分布隨電流密度的變化，其中δ=JneWb/qDnbNb(0)表示歸一化電流密度。

結(jié)論：大注入對緩變基區(qū)晶體管基區(qū)電子及其電流密度的影響與對均勻基區(qū)晶體管的相似。這是因為在大注入條件下的緩變基區(qū)中，大注入自建電場對基區(qū)多子濃度梯度的要求與基區(qū)雜質(zhì)電離以后形成的多子濃度梯度方向是一致的，這時雜質(zhì)電離生成的多子不再象小注入時那樣向集電結(jié)方向擴散并建立緩變基區(qū)自建電場，而是按照基區(qū)大注入自建電場的要求去重新分布。因此，不同電場因子的緩變基區(qū)在大注入下有相同的電子濃度分布?？梢哉f，在大注入情況下，大注入自建電場取代（掩蓋）了由于雜質(zhì)分布不均勻所形成的電場（緩變基區(qū)自建電場）。

278三，基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)279注入載流子以及為維持電中性而增加的多子使得基區(qū)電阻率顯著下降，并且電阻（導(dǎo)）率隨注入水平變化，稱為基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)可見，非平衡少子濃度的變化引起基區(qū)電阻率的變化（調(diào)制）實際上，引起電阻率變化的因素包括高濃度的非平衡少子，但作為基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)影響電流放大系數(shù)（發(fā)射效率）的是基區(qū)多子——空穴四，基區(qū)大注入對電流放大系數(shù)的影響280發(fā)射效率項勢壘復(fù)合項基區(qū)輸運（體復(fù)合）項表面復(fù)合項281表示發(fā)射結(jié)勢壘復(fù)合的第二項在大注入下可以忽略，故只需討論其余三項在大注入下如何變化。

第一項：小注入時的發(fā)射效率項。大注入下基區(qū)電阻率的變化使發(fā)射效率項變?yōu)椋?-19）第三項：體復(fù)合項，它表示基區(qū)體復(fù)合電流IvB與發(fā)射極注入的電子電流InE之比。若基區(qū)電子壽命為tnB，則（4-20）282（4-22）第四項：基區(qū)表面復(fù)合項，表示基區(qū)表面復(fù)合電流與發(fā)射極電子電流之比。將式(4-23)與式(4-21)相比，即可得到大注入下基區(qū)表面復(fù)合項。（4-24）283這里用基區(qū)邊界的注入電子濃度近似代表整個基區(qū)內(nèi)的注入電子濃度。

都很大（4-25）由于基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，相當于基區(qū)摻雜濃度增大，穿過發(fā)射結(jié)的空穴電流分量增大，使g降。第二項、第三項表明，由于大注入下基區(qū)電子擴散系數(shù)增大一倍，可視為電子穿越基區(qū)的時間縮短一半，復(fù)合幾率下降，所以使體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合均較小注入時減少一半。284圖4-31/b隨Ie的變化[14]在小電流下，大注入自建電場的作用使基區(qū)輸運系數(shù)增加（極限2倍）在大電流下，基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引起發(fā)射效率下降（起主要作用）五，大注入對基區(qū)渡越時間的影響285緩變基區(qū)中，大注入自建電場的作用破壞了緩變基區(qū)自建電場，在特大注入時，基區(qū)少子完全受大注入自建電場的作用，和均勻基區(qū)情況一樣，擴散系數(shù)增大一倍?；鶇^(qū)渡越時間都趨于Wb2/4Dnb4.2基區(qū)擴展效應(yīng)有效基區(qū)擴展效應(yīng)是引起大電流下晶體管電流放大系數(shù)下降的另一重要原因。因系大電流下集電結(jié)空間電荷分布情況發(fā)生變化而造成的下降(以及fT下降)，因此又稱為集電結(jié)空間電荷區(qū)電荷限制效應(yīng)。所對應(yīng)的最大電流稱為空間電荷限制效應(yīng)限制的最大集電極電流。由于合金管與平面管集電結(jié)兩側(cè)摻雜情況不同，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷分布及改變規(guī)律不同，對電流的影響也不同。286287圖X-5均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展均勻基區(qū)晶體管（合金管）單邊突變結(jié)近似空間電荷區(qū)主要向基區(qū)側(cè)擴展小電流下，按耗盡層近似，有大電流下，大量空穴流過空間電荷區(qū)，不再滿足耗盡層近似正電荷區(qū)電荷密度負電荷區(qū)電荷密度結(jié)上電壓VC不變，則電場強度曲線包圍面積不變，于是，正電荷區(qū)收縮，負電荷區(qū)略展寬P+P+n0xpxnXn”WbWb’Wcib1.均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)4.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)2882.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)

對于平面管（以n+-p-n-n+為例），其基區(qū)雜質(zhì)濃度高于集電區(qū)，集電結(jié)空間電荷區(qū)主要向集電區(qū)一側(cè)擴展。當大量載流子——電子穿過集電結(jié)空間電荷區(qū)時，引起另一種類型的有效基區(qū)擴展效應(yīng)。由于電子的流入，引起負空間電荷區(qū)（基區(qū)側(cè)）電荷密度增加，正空間電荷區(qū)（集電區(qū)側(cè)）電荷密度減小。為保持電中性，負空間電荷區(qū)寬度變窄，而正空間電荷區(qū)展寬。當電流密度很大時，載流子——電子的濃度達到以至超過原正空間電荷密度，使原正空間電荷區(qū)變成中性區(qū)以至負電荷區(qū)，正負電荷區(qū)邊界改變，發(fā)生有效基區(qū)擴展。

4.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)289圖4-5緩變基區(qū)晶體管cb結(jié)空間電荷區(qū)電場分布圖X-5均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展P+n0xpxnXn”WbWb’WcibE2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)4.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)290

由于電流密度與載流子濃度、載流子漂移速度成正比，半導(dǎo)體中載流子遷移率（漂移速度）又隨電場強度而變化，所以，不同電場強度下，同樣的電流密度可有不同的載流子濃度，對空間電荷的補償作用及規(guī)律也不同。緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)分強場和弱場兩種情況：在強場中，載流子以極限漂移速度運動，電流的增大依靠載流子濃度的增大；在弱場中，電流的增大依靠載流子漂移速度的增大（電場有限地增大），載流子濃度可以不變。2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)4.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)2912.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)4.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)強場情況弱場情況2924.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)強場情況(E>104V/cm)（4-27）（4-26）（4-28）2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)2934.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)強場情況（4-28）a.小注入，耗盡層近似；b.隨Jc增大，斜率下降，斜線變平緩；c.當Jc=Jcr=qNDvsl時，E(x)=E(0)，正負電荷在n區(qū)兩側(cè)，集電區(qū)電場恒定；d.當Jc>Jcr時，n區(qū)出現(xiàn)負電荷，曲線斜率為負，在Jc=Jcr`時，邊界在CB冶金結(jié)處，E(0)=0；e.當Jc>Jcr'時，發(fā)生基區(qū)擴展效應(yīng)。2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)2944.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)強場情況（4-30）（4-31）因Jc>Jcr'開始有效基區(qū)擴展，故Jcr'被稱為平面管強場下有效基區(qū)擴展的臨界電流密度。2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)2954.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)強場情況（4-32）（4-33）2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)當Jc>Jcr‘時，基區(qū)已經(jīng)擴展，此時JC可以表示為：（4-34）2964.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)強場情況緩變基區(qū)晶體管集電結(jié)空間電荷區(qū)主要向集電區(qū)側(cè)擴展大量載流子流過電荷區(qū)，改變其中電荷密度強場時，載流子達到極限漂移速度，電流增大是因為載流子濃度增大Jc=Jcr=qNDvsl時，載流子電荷恰好中和集電區(qū)電荷，正負電荷分布在集電區(qū)兩側(cè)Jc=Jcr‘時，E(0)=0，Jcr'被稱為平面管強場下有效基區(qū)擴展的臨界電流密度感應(yīng)基區(qū)擴展的極限是n-n+交界面小結(jié)2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)2974.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)弱場情況2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)2984.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)弱場情況如果Jc=Jcr=qvslND(NA)時，cb結(jié)勢壘區(qū)場強小于104V/cm,則處于弱場情況載流子在勢壘區(qū)中尚未達到極限漂移速度，載流子的漂移速度與電場強度成正比電流(Jc=qvncn)的增加依靠載流子速度的提高來實現(xiàn)載流子速度的提高依靠電場強度的提高此時n=Nc，集電結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)凈電荷為零，電場保持均勻隨著Jc增大，勢壘區(qū)保持均勻電場向襯底收縮，同時均勻的電場強度增大，發(fā)生緩變基區(qū)晶體管弱場下的有效基區(qū)擴展效應(yīng)2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)2994.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)弱場情況當n=Nc時，dE/dx=0.

隨著Jc增大，若n增加，使n>Nc，則有凈電荷，使|E(x)|隨x增大。而若|E(x)|增大，則n減小，這將使|E(x)|減小所以，當n=Nc時，弱場下，電場區(qū)將保持n=Nc，而dE/dx=02.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)3004.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)弱場情況有多余部分n積累在電場區(qū)邊界做為負電荷層以維持電場，弱場中只允許n=Nc的電子流過。外加電壓不變，電場分布曲線包圍面積不變，E(x)曲線包圍區(qū)域隨Jc增大而變窄、增高，直至達到強場，n才可以大于Nc，v=vsl。2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)3014.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)弱場情況2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴展效應(yīng)感應(yīng)基區(qū)Wcib？（4-35）（4-36）（4-37）302感應(yīng)基區(qū)Wcib？準飽和狀態(tài)下的正偏集電結(jié)3034.2有效基區(qū)擴展效應(yīng)小結(jié)有效基區(qū)擴展效應(yīng)是大電流（密度）下造成晶體管電流放大系數(shù)下降的重要原因之一。根據(jù)晶體管結(jié)構(gòu)和工作條件，有效基區(qū)擴展效應(yīng)分三種類型，有各自的擴展規(guī)律、機制和臨界電流密度。1.均勻基區(qū)：有即有擴展，時

2.緩變強場：時，開始擴展。

3.緩變?nèi)鯃觯簳r，開始擴展。由于的變化，改變了空間電荷區(qū)電場和電荷分布，出現(xiàn)有效基區(qū)擴展，本質(zhì)上都是集電結(jié)空間電荷區(qū)總電荷在一定的集電結(jié)偏壓作用下恒定的限制所造成的，故也稱集電結(jié)空間電荷區(qū)電荷限制效應(yīng)。一般認為，實際情況下的基區(qū)橫向和縱向擴展導(dǎo)致有效基區(qū)寬度WB增加，而使和fT下降3044.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)305實際晶體管中，基極電流平行于結(jié)平面流動基極電流在狹長的基極電阻上產(chǎn)生平行于結(jié)平面方向的橫向壓降大電流下，橫向壓降也很大，明顯改變eb結(jié)各處實際電壓，導(dǎo)致各處實際注入電流的懸殊差異電流大部分集中在發(fā)射區(qū)邊界，使發(fā)射區(qū)面積不能充分利用電流的局部集中使得在小電流下局部也有較大的電流密度，從而引起局部的“大注入”效應(yīng)和有效基區(qū)擴展效應(yīng)3063074.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)1.發(fā)射極電流分布（X-37）由于p-n結(jié)電流與結(jié)電壓的指數(shù)關(guān)系，發(fā)射結(jié)偏壓越高，發(fā)射極邊緣處的電流較中間部位的電流越大，這種現(xiàn)象稱為發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。這種效應(yīng)是由于基區(qū)體電阻的存在引起橫向壓降所造成的，又稱之為基極電阻自偏壓效應(yīng)。3084.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)圖4-13發(fā)射極上的電流分布1.發(fā)射極電流分布3094.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)2.發(fā)射極有效寬度

發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(或基極電阻自偏壓效應(yīng))增大了發(fā)射結(jié)邊緣處的電流密度，使之更容易產(chǎn)生大注入效應(yīng)或有效基區(qū)擴展效應(yīng)，同時使發(fā)射結(jié)面積不能充分利用，因而有必要對發(fā)射區(qū)寬度的上限作一個規(guī)定。

為充分利用發(fā)射區(qū)面積，限制集邊效應(yīng)，特規(guī)定：發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降為kT/q時所對應(yīng)的發(fā)射極條寬為發(fā)射極有效寬度，記為2Seff。Seff稱為有效半寬度。3104.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)2.發(fā)射極有效寬度3114.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（4-38）（4-39）rb的自偏壓2.發(fā)射極有效寬度3124.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（4-40）0E區(qū)VYV(Y)VE(y)V(y)——沿Y方向的電勢分布VE(y)——沿Y方向eb結(jié)上電壓分布2.發(fā)射極有效寬度3134.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（4-42）邊界條件：解得：（X4-48）2.發(fā)射極有效寬度取基區(qū)中央y=0處V（0）=0和JE（0）=0，根據(jù)式4-38有：3144.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（X4-49）可代替JE(0)計算Seff，意義更明顯，運用更方便。2.發(fā)射極有效寬度3154.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)

有關(guān)定義均以發(fā)射極寬度等于有效寬度為前提。當發(fā)射極寬度大于有效寬度時，可認為中心附近區(qū)域（Seff之外區(qū)域)對器件工作不起作用，或沒有電流（實際很?。?。

上述討論以y=0為坐標原點，但Seff是從發(fā)射極邊緣向中心計算的。2.發(fā)射極有效寬度3164.3發(fā)射極電流集邊效應(yīng)3.發(fā)射極有效長度定義：沿極條長度方向，電極端部至根部之間壓降為kT/q時所對應(yīng)的發(fā)射極長度稱為發(fā)射極有效長度作用：類似于基極電阻自偏壓效應(yīng)，但沿Z方向，作用在結(jié)的發(fā)射區(qū)側(cè)計算：與基極電阻求法相同。圖4-12沿發(fā)射極條長方向的電流分布3174.4發(fā)射極單位周長電流容量——線電流密度由于電流集邊效應(yīng)，使得在大電流情況下晶體管的電流容量不是取決于發(fā)射區(qū)面積，而是取決于發(fā)射區(qū)的周長。為此，特定義單位發(fā)射極周長上的電流為線電流密度：3184.4發(fā)射極單位周長電流容量——線電流密度上式中JCM為保證不發(fā)生基區(qū)擴展效應(yīng)或基區(qū)大注入效應(yīng)的最大(面)電流密度。由于二者數(shù)值不等，在設(shè)計晶體管時應(yīng)按較小的電流密度做為計算依據(jù)。一般說來，合金型晶體管基區(qū)雜質(zhì)濃度遠遠低于集電區(qū)雜質(zhì)濃度，容易發(fā)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。而外延平面(臺面)管，因基區(qū)雜質(zhì)濃度遠遠高于集電區(qū)雜質(zhì)濃度，易于發(fā)生向集電區(qū)延伸的有效基區(qū)擴展效應(yīng)。3194.4發(fā)射極單位周長電流容量——線電流密度按基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)計算，定義：注入到基區(qū)eb結(jié)側(cè)邊界少子濃度達到基區(qū)雜質(zhì)濃度時所對應(yīng)的發(fā)射極電流密度為受基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)限制的最大發(fā)射極電流密度。對于均勻基區(qū)管：對于緩變基區(qū)管：3204.4發(fā)射極單位周長電流容量——線電流密度按有效基區(qū)擴展效應(yīng)計算，定義：基區(qū)開始擴展時的臨界電流密度為最大集電極電流密度。對于均勻基區(qū)管：對于緩變基區(qū)管：強場弱場圖4-6基區(qū)寬度隨電流的變化3214.4發(fā)射極單位周長電流容量——線電流密度在晶體管設(shè)計時，應(yīng)按上述各式求出發(fā)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及有效基區(qū)擴展效應(yīng)的最大電流密度，選其中較小者作為設(shè)計的上限，以保證在正常工作時晶體管中不會發(fā)生嚴重的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及基區(qū)擴展效應(yīng)。3224.4發(fā)射極單位周長電流容量——線電流密度

在功率晶體管中，常常會遇到“改善大電流特性”的問題。所謂改善大電流特性，就是指設(shè)法將b0或fT開始下降的電流提高一些，或者說是如何提高集電極最大工作電流ICM的問題。對于圖形確定的外延平面晶體管，改善大電流特性主要是提高發(fā)射極單位周長電流容量(即提高線電流密度)，可以考慮的途徑是：①外延層電阻率選得低一些，外延層厚度盡可能小些；②直流放大系數(shù)b0或fT盡量做得大些;③在允許的范圍內(nèi)適當提高集電結(jié)的偏壓及降低內(nèi)基區(qū)方塊電阻。其中①、②兩項可調(diào)整的范圍大些，但第①項又受擊穿電壓指標的限制，第②項受成品率等的限制，b0、fT也不能做得