5.5

結(jié)型晶體管晶體管分為兩大類，一類為結(jié)型晶體管，另一類是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。兩類雖然都叫做晶體管，但其工作原理是不同的。結(jié)型晶

體管也稱為雙極型晶體管、雙極結(jié)晶體管（Bipolar-Junction

Transistor），

上稱作晶體管或晶體三極管，英文簡(jiǎn)稱為

BJT。由于它的低成本結(jié)構(gòu)、相對(duì)較高的工作頻率、低噪聲性能及高功率容量，BJT是目前最廣泛運(yùn)用的射頻有源器件之一。其名稱的由來(lái)是由于在這類晶體管中有兩種極性的載流子-電子和空穴都參與器件的工作。本節(jié)介紹結(jié)型晶體管的工作原理、結(jié)構(gòu)和等效電路、特性。1結(jié)型晶體管5.5.

1

工作原理1．基本工作過(guò)程盡管反向偏壓可以很大，流過(guò)的電流總是很小的，因?yàn)榉聪螂娏魇怯蒔、N區(qū)的少子形成的。如果PN結(jié)加上的是正向偏壓，即使電壓較小，也可產(chǎn)生較大電流。P

N

N

P正、反向偏壓PN結(jié)這時(shí)P區(qū)中的空穴注入到N區(qū)，產(chǎn)生少子注入，使N區(qū)空間電荷區(qū)邊界處的空穴濃度大大提高，可見少子注入是增加N區(qū)空穴濃度的一種

。2結(jié)型晶體管PPNPNP型雙極晶體管結(jié)構(gòu)ECB將兩個(gè)PN結(jié)的N區(qū)結(jié)一塊，而且使后的N區(qū)較薄，薄到它的寬度可以比注入空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度小很多，則由左方正偏PN結(jié)注入到N區(qū)的空穴，可以被右方反偏PN結(jié)所“收集”。這樣就構(gòu)成了一個(gè)結(jié)型晶體管，稱為PNP型晶體管W左方的PN結(jié)（正偏）叫發(fā)射結(jié)，右方的PN結(jié)（反偏）叫收集結(jié)或集電結(jié)，左方的P區(qū)叫發(fā)射區(qū)，右方的P區(qū)叫做收集區(qū)或集電區(qū)，中間的N區(qū)叫基區(qū)，三個(gè)電極分別稱為發(fā)射極（E）、集電極（C）和基極（B）。34結(jié)型晶體管晶體管的基本工作原理：在工作狀態(tài)下，發(fā)射結(jié)的作用在于向基區(qū)提供少子，收集結(jié)的作用在于收集從基區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的少子，結(jié)果是：發(fā)射結(jié)的電流能夠控制集電結(jié)的電流。具體地說(shuō)，在某一瞬間發(fā)射結(jié)注入的空穴多，則集電結(jié)的電流就大；反之，發(fā)射結(jié)注入的空穴少，集電結(jié)的電流就小。如果把一個(gè)信號(hào)加于發(fā)射結(jié)，使發(fā)射結(jié)電流隨信號(hào)改變，則能在集電極的電流變化中把這個(gè)信號(hào)重現(xiàn)出來(lái)。為保證這一控制過(guò)程順利進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)上的先決條件使基區(qū)寬度W

小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp

。如果三極管是由兩層N區(qū)和一層P區(qū)構(gòu)成的NPN結(jié)構(gòu)，其工作原理與PNP管是完全類似的，區(qū)別僅在于發(fā)射結(jié)向基區(qū)注入的少子是電子。需要說(shuō)明的是實(shí)際上常用的微波雙極晶體管是硅NPN型。5結(jié)型晶體管PNP型雙極晶體管的連接方式共基極連接PPNECBBEPNPB3.

連接方式共基極連接、共發(fā)射極連接和共集電極連接。三種連接方式都可以使發(fā)射結(jié)處于正偏、有注入少子作用，使集電結(jié)處于反偏、有收集作用。C

ECPNP共發(fā)射極連接共集電極連接6結(jié)型晶體管NPN型雙極型晶體管電路符號(hào)ECBECPNP型BPPNPNP型雙極晶體管各極電流構(gòu)成0WEBCxICpICnCIVCBIBB1I

I

B2

I

B3I

EnIEpVEB7結(jié)型晶體管4.

等效電路RBRB

RC

RCRERERe

Cte基區(qū)體電阻基；區(qū)歐姆接觸電

集阻電；區(qū)體電阻；集電極歐姆接阻觸；電阻發(fā)射；結(jié)的結(jié)電發(fā)射區(qū)的體電阻；可忽略發(fā)發(fā)射射極結(jié)歐的姆勢(shì)接壘觸電電容阻；；RCDEC發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電容；~

電流放大系數(shù)；集電結(jié)的結(jié)電阻；一般由于反偏較大可忽略若考慮封裝因素在內(nèi)，等效電路中還必須加上封裝電容和封裝引線電感；89晶體管的伏安特性曲線輸入端與公共端之間的電流-電壓關(guān)系稱為輸入特性；輸出端與公共端之間的電流-電壓關(guān)系稱為輸出特性。這些特性用曲線形式表示出來(lái)就是特性曲線。對(duì)應(yīng)于三種連接方式，總共有三種輸入特性曲線和三種輸出特性曲線。晶體管的工作基礎(chǔ)在于兩個(gè)結(jié)之間的相互作用，因而會(huì)導(dǎo)致輸入對(duì)輸出、輸出對(duì)輸入存在相互之間的影響，所以還有一種轉(zhuǎn)移特性曲線。輸入特性發(fā)射極連接輸入特性曲線VCE

為參數(shù)10VCE

0電路的輸出端短路，由于發(fā)射結(jié)處于正偏，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)處于正偏下并聯(lián)，其曲線與

PN結(jié)的正向伏安特性相似。VCE

0集電結(jié)處于反偏，集電結(jié)空間電荷區(qū)展寬，基區(qū)有效寬度將減小，基區(qū)內(nèi)復(fù)合損失也將減小，就減

小，因而曲線向右移。發(fā)射極與基極短路，流過(guò)基極的將是集電結(jié)反向飽和電流EBV

0ICBO輸出特性放大區(qū)在放大區(qū)，共發(fā)射極輸出特性曲線比共基極情形時(shí)上翹更為顯著。截止區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)1112晶體管的工作特性1）頻率特性12Tf

B

CfTf

8R

Cmax2）功率特性一般來(lái)說(shuō)，欲使晶體管輸出較大的功率，可以通過(guò)提高集電結(jié)的反向耐壓和增大集電極電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這兩方面都有限制。下面介紹晶體管在大信號(hào)下的特性改變和極限值。133）溫度特性研究結(jié)果表明，溫度對(duì)于晶體管的特性影響是相當(dāng)大的，過(guò)高的溫度還會(huì)導(dǎo)致“熱擊穿”，溫度和散熱處理是晶體管工作的一個(gè)重要方面。144）噪聲特性155）開關(guān)特性PN結(jié)在正向偏置時(shí)，具有低阻抗，可流過(guò)很大的電流，在反偏時(shí)，具有高阻抗，僅有很小的反向漏電流流

過(guò)，這種特性稱為“開關(guān)”特性。與PN結(jié)管類似，雙極型晶體管也具有‘開關(guān)“特性”。只要在晶體管的輸入端加上正、負(fù)脈沖，就能使晶體管在截止與飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到開關(guān)作用。同樣，由于晶體管也存在電荷，其開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也不可能立刻完成，有一定的“開啟時(shí)間”和“關(guān)閉時(shí)間”。一般來(lái)說(shuō)，晶體管的開關(guān)速度跟不上微波頻率的變化。與PIN管類似，利用這一點(diǎn)可以在晶體管輸入端加上低頻

的控制電壓，以決定晶體管的通與斷。16175.6

場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field

Effect

Transistor）， 上稱作場(chǎng)效應(yīng)管，英文簡(jiǎn)稱為FET。場(chǎng)效應(yīng)管也稱為“單極型晶體管”，構(gòu)成其工作的只有一種載流子，或是空穴，或是電子，形成的是多子電流。從原理上說(shuō)，它是一種利用電場(chǎng)的作用，來(lái)改變多子電流流通通道的幾何尺寸，從而改變通道導(dǎo)電能力的一種器件。場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以分為四類：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、金屬絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及異質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由于存在由柵極和絕緣體或負(fù)偏置PN結(jié)形成的大電容，

MOSFET和JFET具有較低截止頻率，通常工作于低和中等頻率范圍內(nèi)，在1GHz以下。GaAsMESFET可使用在60~70GHz范圍內(nèi)。而HEMT可工作超過(guò)100GHz。因?yàn)槲覀儍A向于射頻應(yīng)用，所以將著重介紹后兩種類型。結(jié)型晶體管5.6.1

金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管1．基本結(jié)構(gòu)與工作原理典型GaAs

MESFET的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。如果在柵極和源極之間加上負(fù)電壓V_GS（柵壓），使金半結(jié)處于反偏，這時(shí)空間電荷層將展寬，使溝道變窄，從而加大溝道電阻、減小I_D。因此控制柵壓V_GS可以靈敏地改變耗盡層寬窄，從而調(diào)制溝道厚度，達(dá)到最終控制漏流I_D的目的。18結(jié)型晶體管2.

源、漏間電壓電流關(guān)系－一般情況19結(jié)型晶體管3.源、漏間電壓電流關(guān)系－短?hào)臛aAsMESFET情況204.等效電路MESFET在電路中的符號(hào)見右下圖。21晶體管的工作特性1）頻率特性

CDGfT

2CGSgm0S22rDf

fT2

RG

RGS

Rmax2）功率特性PCM=VDS·I

D右圖表示了MESFET的功率極限情況。233）噪聲特性②噪聲系數(shù)與工作頻率的關(guān)系?？梢郧蟮妹枋鯩ESFET最小噪聲系數(shù)特性的常用近似表達(dá)式為T24fminF

1

2

P

R

1

C

2

f3）噪聲特性25結(jié)型晶體管5.6.2

異質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管異質(zhì)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的典型代表是高電子遷移率晶體管（HEMT）。高電子遷移率晶體管也稱為調(diào)制摻雜場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它利用不相似半導(dǎo)體材料諸如GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)帶隙能上的差別，可以大大突破MESFET的最高頻率限制，而同時(shí)保持其低噪聲性能和高功率額定值。1．基本結(jié)構(gòu)圖5.6-14給出了HEMT的基本結(jié)構(gòu)。圖中最上部的N+型GaAs層是為了提供一個(gè)良好的源極和漏極接觸電阻，形成源極和漏極引線的歐姆接觸；在柵極下形成金屬引線與半導(dǎo)體的金半接觸；最下部為半絕緣的GaAs襯底。在N型GaAlAs和非摻雜的GaAs之間加了一層非摻雜的GaAlAs薄層。26結(jié)型晶體管2.

工作原理HEMT的特性來(lái)源于其GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)的特殊能帶結(jié)構(gòu)，當(dāng)GaAlAs和GaAs緊密接觸形成異質(zhì)結(jié)后，其能帶結(jié)構(gòu)如圖。由于電子載流子從摻雜GaAlAs和未摻雜GaAs層之間界面上的施主位置分離出來(lái)，進(jìn)入到GaAs層一側(cè)的量子勢(shì)阱中，在那里它們被局限于非常窄（約10nm厚）的層內(nèi)，在垂直于界面方向受到阻擋，只可能平行于界面作運(yùn)動(dòng)，由于這部分電子在空間上已脫離了原來(lái)施主雜質(zhì)離子的

，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受雜質(zhì)散射的作用大大減弱，因此載流子遷移率大為提高。27結(jié)型晶體管3.電壓電流關(guān)系28294.特性HEMT最突出的特性即是其高工作頻率和低噪聲。與MESFET類似，HEMT的高頻特性也取決于渡越時(shí)間和電子遷移率?？梢钥吹?，由于載流子的高遷移率，顯然HEMT的特征頻率和最高振蕩頻率遠(yuǎn)高于MESFET。目前工藝水平下，HEMT的工作頻率已經(jīng)可超過(guò)

100GHz。而目前正在開展的研究，如GaInAs/AlIn異質(zhì)結(jié)、包含多個(gè)2DEG溝道的多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望使其工作頻率提高到更高的水平。5.7

SiGe

HBT與SiGe

MOSFET簡(jiǎn)介在

全球超過(guò)2500億

的半導(dǎo)體市場(chǎng)中，90%以上的產(chǎn)品都是使用硅材料的器件與集成電路。相對(duì)其它半導(dǎo)體材料而言，硅具有廉價(jià)豐富、易于生長(zhǎng)大尺寸、高純度的晶體及熱性能與機(jī)械性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。然而正如前節(jié)所述，為滿足微波頻段的需要，幾十年來(lái)微波器件與集成電路一直使用價(jià)值昂貴的GaAs或InP作襯底材料，并為此發(fā)展了一套全新的加工工藝和邏輯設(shè)計(jì)方法。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)上認(rèn)為硅若作為微波器件與電路的襯底，有兩個(gè)明顯的缺陷：一是電子技術(shù)發(fā)展所依賴的兩種重要晶體管—硅BJT和MOSFET的工作速度太低，達(dá)不到微波電路的頻率要求；二是常用硅的電阻率太?。?～100

），將引起過(guò)高的介質(zhì)損耗，使硅襯底微波傳輸線與無(wú)源元件的衰減比GaAs襯底平均高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，不能投入實(shí)際使用。3031為了使硅材料的器件與集成電路達(dá)到微波電路的要求，同時(shí)又保持硅襯底電路在產(chǎn)量、成本及制作工藝方面的傳統(tǒng)優(yōu)

勢(shì)，使硅襯底電路與目前在射頻及微波電路中占主導(dǎo)地位的

Ⅲ-Ⅴ族化合物GaAs及InP技術(shù)展開競(jìng)爭(zhēng)，解決