中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)第十章

雙極晶體管?雙極晶體管的工作原理基本工作原理工作模式?少子分布?電流增益?非理想效應(yīng)?頻率特性?開關(guān)特性中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)?雙極結(jié)型晶體管（Bipolar

Junction

Transistor，BJT），簡稱為雙極型晶體管或雙極晶體管。晶體管可以用來放大電流、電壓、或功率，是一種有源器件。三端器件，通過控制兩端之間的電壓來控制另外一端的電流。（電壓控制電流源）雙極的意義在于：在這種器件中存在著兩種極性相反的載流子和電流兩個耦合的PN結(jié)有多種偏置狀態(tài)組合，即不同的工作模式中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件§10.1雙極晶體管的工作原理基本結(jié)構(gòu)三個摻雜區(qū)，兩個PN結(jié)P+n++nEBCn+p++pEBCCB

ECB

E++代表重摻雜，+代表較重的摻雜中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件實際器件結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)雙極型集成電路中的BJT結(jié)構(gòu)埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用PN結(jié)；中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件實際器件結(jié)構(gòu)圖中北大學(xué)先進的雙層多晶硅BJT結(jié)構(gòu)埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用絕緣介質(zhì)；中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件注意：npn和pnp的雙極晶體管不是對稱結(jié)構(gòu)，從實際器件結(jié)構(gòu)圖和各區(qū)的摻雜濃度的不同都可以反映出這一點。P+n++nE中北大學(xué)BC中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?基本工作原理npn型BJT與pnp型BJT是完全互補的兩種雙極型晶體管，以npn型器件為例來進行討論分析，其結(jié)論對pnp型器件也完全適用。典型雜質(zhì)濃度：E：1e19；B：1e17~1e18；C：1e15n++

P+nCBE(Nd-Na)E中北大學(xué)BC中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件定性分析熱平衡和偏置狀態(tài)注意這里沒有反映出各個區(qū)雜質(zhì)濃度的區(qū)別正向有源區(qū)，電子的輸運過程中北大學(xué)中中中中北北北北大大大大學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)B-E結(jié)正偏；B-C結(jié)反偏；正向有源模式注意基區(qū)寬度回憶：短二極管中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)發(fā)射結(jié)正偏，電子擴散注入基區(qū)B-C結(jié)反偏，基區(qū)中靠近B-C結(jié)邊界處電子濃度為零?；鶇^(qū)中電子存在著較大的濃度梯度，因此電子可以通過擴散流過基區(qū)，和正偏的PN結(jié)二極管類似，少子電子在通過中性基區(qū)的過程中也會與其中的多子空穴發(fā)生一定的復(fù)合。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)電子擴散通過基區(qū)后，進入反偏的B-C結(jié)空間電荷區(qū)，被B-C結(jié)電場抽取進入搜集區(qū)，能夠被拉向收集區(qū)的電子數(shù)目取決于由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子數(shù)目（復(fù)合掉的電子數(shù)目）。流入到收集區(qū)中的電子數(shù)量（構(gòu)成收集極電流）取決于發(fā)射結(jié)上的偏置電壓，此即雙極型晶體管的放大作用，即：BJT中流過一個端點的電流取決于另外兩個端點上的外加電壓。其他因素：發(fā)射極空穴電流，基區(qū)復(fù)合電流，集電極反向漏電流中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?通過前邊的分析，簡單結(jié)論：BJT中兩個PN結(jié)不是獨立無關(guān)的PN結(jié)正向有源狀態(tài)下，反偏BC結(jié)的電流大部分來源于EB結(jié)的正偏電流三個區(qū)摻雜不同，E重摻，B較高摻，C輕摻短基區(qū)、大集電區(qū)在后邊的分析中我們還會逐漸了解到，BJT的這種結(jié)構(gòu)特點是因為只有這樣才能獲得較大的電流增益，具有良好的放大作用。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?晶體管電流的簡化表達形式有用電流和無用電流電子電流和空穴電流擴散電流、漂移電流、復(fù)合電流、產(chǎn)生電流中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件集電極電流線性假設(shè)基區(qū)寬度：注意實際為基區(qū)中性區(qū)寬度iC由BE結(jié)電壓所控制BE結(jié)面積中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件發(fā)射極電流IS2是飽和空穴電流，為少數(shù)載流子空穴的參數(shù)共基極電流增益中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件共基極電流增益集電極電流與集電極電壓無關(guān)，雙極晶體管如同一個恒流源中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件基極電流·發(fā)射極電流成分iE2（空穴擴散電流）實際上也是基極電流的一個組成部分；基極電流的另一個組成部分則是基區(qū)中的多子空穴與電子的復(fù)合電流iBb，它與電子濃度相關(guān)，因而這二者都與exp(vBE/Vt)成正比從而集電極電流和基極電流之比為一個定值：共射極電流增益中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?工作模式截止模式正向有源模式飽和模式反向有源模式不同的工作模式下，EB結(jié)和BC結(jié)處于不同的偏置狀態(tài)，其電路功能也不同中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件截止模式·兩個結(jié)均反偏，發(fā)射極、集電極電流均為零正向有源模式·EB結(jié)正偏，BC結(jié)反偏；·集電極電流受BE結(jié)電壓控制；·電流放大作用共發(fā)射極應(yīng)用時，C-E電壓和集電極電流IC之間存在著線性關(guān)系，這種線性關(guān)系稱為負載線中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件·負載線中北大學(xué)1/R中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)飽和模式·BE結(jié)正偏、BC結(jié)正偏，集電極電流反向（相對于放大模式）并不受BE結(jié)電壓控制反向有源模式·和正向有源模式相對的一種模式狀態(tài)，但是由于晶體管本身結(jié)構(gòu)的非對稱性，因而其特性和正向有源模式有著很大的不同，在應(yīng)用中一般會避免出現(xiàn)這種狀態(tài)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?四種不同的工作模式及其對應(yīng)的PN結(jié)偏置條件示意圖中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?雙極晶體管放大電路中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件EB結(jié)上附加的正弦信號電壓；相應(yīng)的基極電流和集電極電流負載RC上輸出的放大后的信號電壓中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件§10.2

少子的分布晶體管為少數(shù)載流子工作器件，少數(shù)載流子的分布決定著器件內(nèi)部各處的電流成分在各種工作模式下對晶體管各區(qū)的少子分布進行計算，在此基礎(chǔ)上分析電流增益和器件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系中北大學(xué)中中中中北北北北大大大大學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件符號定義npn和pnp晶體管NE，NB，NCxE，xB，xCDE，DB，DC

LE，LB，LCτE，τ

B，τCnpn晶體管E、B和C區(qū)中的摻雜濃度（下標代表區(qū)域）電中性E、B和C區(qū)的寬度E、B和C區(qū)中的少子擴散系數(shù)E、B和C區(qū)中的少子擴散長度E、B和C區(qū)中的少子壽命pE

0

，nB

0

，pC

0pE(x’)，nB(x)，pC(x’’)δpE(x’)，

δ

nB(x)，

δ

pC(x’’)pnp晶體管nE

0

，pB

0

，nC

0E、B和C區(qū)中的熱平衡少子濃度E、B和C區(qū)中總的少子濃度E、B和C區(qū)中的過剩少子濃度E、B和C區(qū)中的熱平衡少子濃度nE(x’)，pB(x)，nC(x’’)E、B和C區(qū)中總的少子濃度δnE(x’)，

δpB(x)，

δ

nC(x’’)E、B和C區(qū)中的過剩少子濃度中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?正向有源模式中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件利用定性的分析我們知道了三個區(qū)中少數(shù)載流子的大致分布情況，這里將對各區(qū)內(nèi)載流子的分布做具體的計算和推導(dǎo)中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件基區(qū)內(nèi)少子電子的穩(wěn)態(tài)雙極疏運方程過剩電子濃度定義：解的一般形式為：因基區(qū)寬度為有限值，故兩個指數(shù)系數(shù)都必須保留?；鶇^(qū)中過剩少數(shù)載流子電子的濃度在基區(qū)的兩個邊界處分別為如下兩式所示：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件由于B-E結(jié)處于正偏狀態(tài)，因此在x=0處過剩載流子濃度的邊界條件為：而B-C結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此在x=xB處過剩載流子濃度的邊界條件為：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件利用上述邊界條件，可以求得上述雙極輸運方程解得一般形式中的系數(shù)為：這樣我們就可以求出基區(qū)中過剩少數(shù)載流子電子的濃度分布為：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件當xB<<LB時，上式可簡化為：即基區(qū)中的過剩少數(shù)載流子電子的濃度分布確實可以近似為線性分布。這一點也可以從下面的雙曲正弦函數(shù)變化曲線看出。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件問題：基區(qū)寬度應(yīng)該短還是長？基區(qū)寬度和擴散長度的比值大約是多少？相同寬度的P型基區(qū)和N型基區(qū)，少數(shù)載流子分布那個更接近于線性？E10.1中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件發(fā)射區(qū)少子濃度分布 穩(wěn)態(tài)雙極輸運方程：過?？昭舛榷x為：解的一般形式為：其中LE為發(fā)射區(qū)中少數(shù)載流子空穴的擴散長度，即：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件類似地，中性區(qū)寬度xE一般為有限值，兩個指數(shù)項系數(shù)都需要保留邊界條件：（注意坐標的方向）由于B-E結(jié)處于正偏狀態(tài)，因此在發(fā)射區(qū)中x=0處，過剩少數(shù)載流子空穴濃的邊界條件為：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件如果BJT器件的發(fā)射區(qū)厚度xE也足夠薄的話，同樣可以得出發(fā)射區(qū)中過剩少數(shù)載流子空穴的濃度分布為線性分布的結(jié)論，即：而在發(fā)射區(qū)表面，復(fù)合速度為無窮大，因此在x’=xE處邊界條件為利用上述邊界條件求出系數(shù)C和D，由此可以求得發(fā)射區(qū)中過剩少數(shù)載流子空穴的濃度分布為：注意與第八章短二極管相對應(yīng)中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件如果BJT器件的發(fā)射區(qū)厚度xE與發(fā)射區(qū)中少數(shù)載流子空穴的擴散長度LE相當或可以比擬的話，則發(fā)射區(qū)中過剩少數(shù)載流子空穴的濃度為指數(shù)分布。集電區(qū)少子濃度分布對于集電區(qū)來說，一般其寬度比較長，其過剩少數(shù)載流子分布同反偏PN結(jié)的結(jié)果完全相同中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?其它工作模式下的少數(shù)載流子分布截止模式中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件由于發(fā)射結(jié)和收集結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)，因此在這兩個結(jié)的空間電荷區(qū)邊界處的少數(shù)載流子濃度均為零，又因為基區(qū)寬度通常遠遠小于少子擴散長度，因此基區(qū)中的少子已經(jīng)基本上被空間電荷區(qū)的反向電場抽走，其濃度基本為零。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件飽和模式中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件器件發(fā)射結(jié)和收集結(jié)均處于正偏狀態(tài)，但是對于共發(fā)射極應(yīng)用來說，器件中的電流仍然是由收集極流向發(fā)射極，即電子由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，最后通過擴散流向收集區(qū)。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件反向有源模式發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，而收集結(jié)處于正偏狀態(tài)，電子由收集區(qū)注入到基區(qū)，最后擴散到發(fā)射結(jié)附近并被發(fā)射結(jié)電場拉向發(fā)射區(qū)，基區(qū)中的過剩少子電子的濃度梯度也與正向放大狀態(tài)正好相反。中北大學(xué)中中中中北北北北大大大大學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件BJT中三個區(qū)域摻雜濃度不同，幾何結(jié)構(gòu)也非對稱。反向有源模式下BJT的電流增益將大大

下降，如圖所示，由于發(fā)射極的面積遠小于收集結(jié)的面積，因此由收集區(qū)注入到基區(qū)的電子只有很少一部分能夠被發(fā)射區(qū)所收集。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件§10.3低頻信號下的共基極電流增益信號放大電流增益電流成分電流增益電流成分少數(shù)載流子分布少數(shù)載流子分布具體應(yīng)用電流增益電流成分少子分布結(jié)構(gòu)參數(shù)中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件BJT的基本工作原理是集電極電流受到發(fā)射結(jié)電壓的控制作用。而共基極電流增益也就是定義為BJT器件的集電極電流與發(fā)射極電流之比。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?影響共基極電流增益的因素一個處于正向放大模式的雙極型晶體管，其內(nèi)部存在著多種不同的粒子流，所對應(yīng)的電流密度如圖所示。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)JnE為基區(qū)中x=0處由于少子電子的擴散所引起的電流；JnC為基區(qū)中x=xB處由于少子電子的擴散所引起的電流；JRB則為JnE與JnC之差，它是由基區(qū)中過剩少子電子與多子空穴的復(fù)合所引起的，即為補償基區(qū)內(nèi)因復(fù)合而損失的空穴數(shù)目，必須由基極提供的空穴電流；JpE為發(fā)射區(qū)中x’=0處由于少子空穴的擴散所引起的電流；JR為正偏發(fā)射結(jié)中的載流子復(fù)合電流；Jpc0為器件集電區(qū)中x’’=0處由于少子空穴的擴散所引起的電流；JG為反偏集電結(jié)中的載流子產(chǎn)生電流。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件其中JRB、JpE和JR這三個電流僅僅流過發(fā)射結(jié)，并沒有流過集電結(jié)，而Jpc0和JG這兩個電流則僅僅流過收集結(jié)，并沒有流過發(fā)射結(jié)。因此這些電流成分對晶體管作用或電流增益并沒有任何貢獻。直流情況下

BJT器件的共基極電流增益定義為：如果我們假設(shè)BJT器件的發(fā)射結(jié)面積與收集結(jié)面積相等，則上式可表示為中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)我們真正感興趣的實際上是器件的集電極電流如何隨著發(fā)射極電流的改變而變化，即在正弦小信號情況下，BJT器件的共基極電流增益可定義為：中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件注意，上述幾個因子的定義公式僅僅是對npn型BJT器件而言的，對于PNP型BJT器件來說，這些因子的定義公式也是完全類似的，只是公式中的電子電流和pnp電流要互相對調(diào)一下。在理想情況下我們總是希望α=1，但是由上式可見，實際的α總是小于1的。空穴電流成分比重對電流增益的影響有效輸運性，即基區(qū)中復(fù)合電流對電流增益的影響B(tài)-E結(jié)耗盡區(qū)復(fù)合對電流增益帶來的影響，pn結(jié)的非理想因素中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?影響電流增益因素的數(shù)學(xué)推導(dǎo)發(fā)射極注入效率因子：考慮理想情況下的發(fā)射極注入效率因子，有：中北大學(xué)中北大學(xué)雙曲正切雙曲余弦雙曲正弦函數(shù)的圖形半導(dǎo)體物理與器件函數(shù)名稱

函數(shù)的表達式中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件利用已經(jīng)求得的正向放大模式下BJT中各區(qū)的少數(shù)載流子濃度分布，上述兩個電流密度表示為：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件由此可得BJT的發(fā)射極注入效率為：當滿足條件：則可進一步簡化為：基區(qū)輸運因子：根據(jù)定義，有：使注入效率近似等于1的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇：中北大學(xué)N

<<NB

E中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件上式中的兩個電流密度可表示為：JnE的表達式前面已經(jīng)求出，利用基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度分布公式可以求得JnC的表達式為：當滿足下述條件：有：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件因此有當滿足條件：時，則有：上式還可以進一步簡化為：復(fù)合因子：根據(jù)定義，我們可以進一步將復(fù)合因子表示為：使基區(qū)輸運系數(shù)近似等于1的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件：xB<<LB中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件其中JR可表示為：而JnE可表示為：其中Js0為：因此復(fù)合因子為：復(fù)合因子是發(fā)射結(jié)正向偏置電壓的函數(shù)，隨著VBE增加，復(fù)合電流成分減少，復(fù)合系數(shù)接近于1使復(fù)合因子近似為1的條件：VBE足夠大；結(jié)

構(gòu)條件：xBE盡可能?。篍、B區(qū)重摻雜中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件另外，復(fù)合因子中通常還必須考慮表面復(fù)合效應(yīng)的影響，如下圖所示，當電子由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)之后，由于基區(qū)表面復(fù)合效應(yīng)的影響，有一部分電子還將會向基區(qū)表面擴散。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?小結(jié)以上我們對npn型BJT器件的少數(shù)載流子濃度分布以及電流增益做了初步的分析，上述分析對PNP型BJT器件也是完全適用的，只是電子和空穴的濃度必須對調(diào)，同時外加電壓的極性和電流的方向也必須反轉(zhuǎn)。對于共基極pnpBJT的直流電流增益為：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)中中中中北北北北大大大大學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件限制因素小結(jié)發(fā)射極注入效率基區(qū)輸運系數(shù)復(fù)合系數(shù)共基極電流增益共發(fā)射極電流增益中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?結(jié)構(gòu)參數(shù)與增益：共基極電流增益

中的每一項都小于1

，為了得到盡可能大的電流增益，要求每一項都盡可能接近于1NB<<NE注入效率γ

1xB↓

輸運系數(shù)αT

1VBE>>VT

復(fù)合系數(shù)δ

1是不是根據(jù)電流增益對結(jié)構(gòu)的要求而將結(jié)構(gòu)參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整就可以得到任意大的電流增益呢？實際并非如此

非理想效應(yīng)例10.1～10.4中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件§10.4

非理想效應(yīng)前邊分析所涉及到的理想假設(shè)：·均勻摻雜·小注入·發(fā)射區(qū)和基區(qū)寬度恒定·禁帶寬度為定值·電流密度均勻·非擊穿理想中性區(qū)雙極輸運方程不考慮偏置影響禁帶寬度和雜質(zhì)1維器件模型電壓限制中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)基區(qū)寬度被B-C結(jié)反向偏壓所調(diào)制P.282例10.5中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件基區(qū)寬變效應(yīng)引起基區(qū)少子濃度梯度增加，從而造成電流增大，這導(dǎo)致實際的集電極電流iC隨B-C結(jié)反向偏壓增大而緩慢增大。又稱為厄利效應(yīng)?！だ硐肭闆r下器件集電極電流與集電結(jié)上的反偏電壓無關(guān)，即輸出電導(dǎo)為零；然而由于基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，器件的輸出電導(dǎo)不為零，輸出特性曲線變斜，斜線交點處的電壓值稱為厄利電壓，通常在100～300V之間。P.283例10.6中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件由輸出特性曲線可得：其中VA、VCE均定義為正值，g0為BJT的輸出電導(dǎo)，因此有：考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)之后，BJT器件的集電極電流與集電結(jié)上的外加反向電壓相關(guān)。問題：為了盡量減小厄利效應(yīng)，基區(qū)和集電區(qū)摻雜以及基區(qū)寬度應(yīng)當如何設(shè)計？中北大學(xué)中中中中北北北北大大大大學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?大注入效應(yīng)當VBE增大到一定程度時，注入到基區(qū)的少數(shù)載流子——電子的濃度有可能超過基區(qū)多數(shù)載流子空穴的濃度，這種情況為大注入。為了保持電中性，注入

的電子超過空穴濃度時，空穴濃度也要有相應(yīng)的

增加。需要補充的這部

分空穴來源于基極電流，并造成注入到發(fā)射區(qū)的

空穴濃度增加，空穴電

流增大，注入效率降低，增益減小。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件集電極電流和電流增益的關(guān)系。當器件的集電極電流增大到一定程度之后，BJT的電流增益將開始下降，這就是因為基區(qū)中多數(shù)載流子濃度增加導(dǎo)致器件發(fā)射結(jié)注入效率下降的結(jié)果。注意在小電流下，由于B-E結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流的影響，造成在小電流下，增益下降。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件大注入的另一方面的影響：在小注入條件下，npn型BJT器件基區(qū)中x=0處多數(shù)載流子空穴的濃度為：同一位置處少數(shù)載流子電子的濃度為：二者的乘積滿足：在大注入條件下，上式仍然成立，但是此時pp(0)也會有所增大，特別是在大注入時，可以認為其隨VBE增大的速率與np(0)相同中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件因此在大注入條件下np(0)隨VBE增大的速率將逐漸逼進下述關(guān)系：由式可見，在發(fā)射結(jié)由小注入逐步進入到大注入的過程中，基區(qū)中過剩載流子空穴的濃度隨著VBE增大的速率將逐步減慢，因此集電極電流隨著VBE增大的速率也將逐漸減慢，如右圖所示，可見大注入效應(yīng)非常類似于PN結(jié)中串聯(lián)電阻的影響。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄效應(yīng)注入效率與發(fā)射區(qū)的摻雜濃度有關(guān)問題：是不是摻雜濃度越高，注入效率越大？隨著摻雜濃度不斷增大，雜質(zhì)能級之間的相互作用增強，雜質(zhì)能級不再是局域化的分立能級，而開始分裂成雜質(zhì)能帶，導(dǎo)致有效禁帶寬度降低。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件對于重摻雜的發(fā)射區(qū)來說，其本征載流子濃度可表示為：公式說明了隨著反射區(qū)有效禁帶寬度的降低，本征載流子濃度將增大。施主能帶本征導(dǎo)帶簡并導(dǎo)帶Eg

能帶邊沿尾部

E′g價帶中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件注入效率γ與E、B區(qū)的少子濃度比值有關(guān)。而平衡少子濃度pE0隨著本征載流子濃度增加增加的很快：可以看到，在輕摻雜情況下，禁帶寬度不變，隨著E區(qū)摻雜濃度的提高，少數(shù)載流子濃度pE0下降，但隨著重摻雜程度的加深，禁帶寬度的減小導(dǎo)致本征載流子濃度呈指數(shù)方式增大，因而少數(shù)載流子濃度不再減小反而增大，此時若再施以更重的摻雜，則會造成發(fā)射極注入效率下降而導(dǎo)致增益下降。因而：對于注入效率來講，并非發(fā)射極的摻雜濃度越大越好。P.286例10.7中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)?發(fā)射極電流集邊效應(yīng)：對于一個典型的平面集成化BJT器件來說，其基區(qū)寬度通常不會超過一個微米，因此位于發(fā)射區(qū)下方的內(nèi)基區(qū)（也稱為本征基區(qū)，如下頁圖所示）電阻就會比較大，這樣一來基極電流在這個電阻上就會產(chǎn)生比較大的壓降，而器件的發(fā)射區(qū)通常為重摻雜，因此整個發(fā)射區(qū)可以看作是一個等勢體。由于BJT器件的發(fā)射極電流與其發(fā)射結(jié)上的壓降成指數(shù)關(guān)系，因此流過整個發(fā)射結(jié)的電流就會出現(xiàn)集邊效應(yīng)。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)如下圖所示，對于實際的平面集成化BJT器件來說，基區(qū)可分為本征基區(qū)（位于發(fā)射結(jié)下方）和非本征基區(qū)（位于發(fā)射結(jié)下方以外）兩部分。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)本征基區(qū)電阻的影響如下圖所示，從圖中可見，當基極電流流過本征基區(qū)電阻時將產(chǎn)生壓降，由此導(dǎo)致BJT器件的發(fā)射結(jié)電流出現(xiàn)集邊效應(yīng)。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)當BJT器件中出現(xiàn)發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)時（如下圖所示），靠近發(fā)射結(jié)邊緣處的電流密度將遠遠大于發(fā)射結(jié)中心處的電流密度，因此整個發(fā)射結(jié)流過的總電流將不隨發(fā)射結(jié)面積的增加而線性增大，而只隨著發(fā)射結(jié)周長的增加而線性增大。對于要求輸出電流比較大的功率型BJT器件來說，一般不是采用簡單地增大發(fā)射結(jié)面積的方法來提高輸出電流，而是采用多個長條形的發(fā)射極和基極交錯排列，形成所謂的插指狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如下頁圖所示。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件需要輸出較大電流的功率型

BJT器件通常采用多發(fā)射極長條和多基極長條交錯排列的插指狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)，如左圖所示，以避免發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)，并充分利用BJT有效的發(fā)射結(jié)面積，同時減小基極電阻。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)?非均勻基區(qū)摻雜效應(yīng)：在前面的分析中，我們一直假設(shè)BJT的基區(qū)摻雜濃度是均勻的，然而實際情況卻并非完全如此，例如在雙擴散型BJT中，器件基區(qū)的摻雜濃度就是非均勻的，如下圖所示。圖中的BJT器件采用均勻摻雜的N型硅襯底材料，然后由表面向襯底體內(nèi)擴散受主雜質(zhì)，形成補償?shù)腜型基區(qū)，最后再采用同樣的方法形成二次補償?shù)腘型發(fā)射區(qū)。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件器件內(nèi)部緩變的雜質(zhì)分布將引起內(nèi)建電場，BJT器件中非均勻的基區(qū)摻雜濃度也會在基區(qū)中形成一個內(nèi)建電場。對于P型基區(qū)來說，在熱平衡狀態(tài)下，多數(shù)載流子空穴的電流應(yīng)該為零，即：中北大學(xué)由上頁圖中可見，基區(qū)摻雜濃度的梯度為負值，因此上式表明，內(nèi)建電場的方向沿著x軸的負方向。當電子由N型發(fā)射區(qū)注入到P型基區(qū)中之后，將通過擴散運動流向集電區(qū)，此時內(nèi)建電場將對這些電子的擴散運動起到加速作用，因此這個內(nèi)建電場也稱為加速場。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)?BJT器件的擊穿電壓：在BJT器件中，通常存在著兩種截然不同的擊穿機理。第一種是所謂的基區(qū)穿通擊穿機理。如下圖所示，當器件發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上的外加偏置電壓均為零時，

BJT器件處于熱平衡狀態(tài)，整個器件中沒有電流流過。而當集電結(jié)上外加反偏電壓時，集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度將逐漸擴展。隨著集電結(jié)上反偏電壓的不斷增加，集電結(jié)空間電荷區(qū)有可能擴展至整個基區(qū)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件如右圖所示，當集電結(jié)反偏電壓為VR1時，集電結(jié)空間電荷區(qū)尚未擴展至整個基區(qū)，發(fā)射結(jié)勢壘高度也未受影響，因此晶體管中的電流基本為零；而當集電結(jié)反偏電壓為VR2時，集電結(jié)空間電荷區(qū)則已經(jīng)擴展至整個基區(qū)，發(fā)射結(jié)勢壘高度降低，此時集電結(jié)反偏電壓的微小增加就會引起晶體管中電流的急劇增大，此即所謂的基區(qū)穿通擊穿。E中北大學(xué)BC中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件根據(jù)下圖所示的基區(qū)穿通擊穿模型，忽略發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度的影響，我們可以計算出發(fā)生基區(qū)穿通擊穿時器件集電結(jié)上外加的反偏電壓，即：BJT器件中常見的另一種擊穿機理則是所謂的雪崩擊穿，只不過此時需要考慮晶體管電流放大作用的影響，而基于隧道效應(yīng)的齊納擊穿則通常不會發(fā)生。中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)下面左圖為器件集電結(jié)上外加反偏電壓，而發(fā)射極處于開路狀態(tài)，集電結(jié)反偏漏電流為ICBO；右圖為

BJT器件C-E之間外加偏置電壓，而基極處于開路狀態(tài)，此時集電結(jié)同樣處于反偏狀態(tài)，晶體管C-E之間的漏電流記為ICEO；從右圖可見，ICBO是正常的集電結(jié)反偏電流，其中有一部分是由集電區(qū)的少數(shù)載流子空穴越過集電結(jié)勢壘流向基區(qū)形成的，而流入基區(qū)的空穴又將使得發(fā)射結(jié)變?yōu)檎?，從而在發(fā)射結(jié)上產(chǎn)生一個正向注入電流ICEO，該電流以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流為主。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流ICEO也會受到復(fù)合作用的影響，該電流中最終能夠被集電區(qū)集電到的部分為αICEO，其中α為共基極電流增益，由此我們

不難得到：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)上式中n為經(jīng)驗常數(shù)，通常介于3到6之間，BVCBO是發(fā)射極開路條件下BJT器件集電結(jié)的擊穿電壓。而當晶體管處于基極開路狀態(tài)時，如果器件發(fā)生擊穿，集電結(jié)電流將得到倍增，即：中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)§10.5

混合π型等效電路模型應(yīng)用于開關(guān)電路和放大電路時，晶體管前者工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，后者在放大區(qū)。通過對PN結(jié)進行研究，可以推導(dǎo)出多種BJT器件模型，這里我們主要介紹用于小信號放大的混合π模型。H-P模型主要從PN結(jié)的正弦小信號模型出發(fā)，根據(jù)晶體管的結(jié)構(gòu)構(gòu)造出雙極晶體管的小信號等效電路模型。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件左邊為一個用于小信號放大的共發(fā)射極BJT器件，右

邊則為BJT器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中C、B、E為晶體管的外部電極引線端，而C’、B’、E’點則為理想器件內(nèi)部的集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)。中北大學(xué)中中中中北北北北大大大大學(xué)學(xué)學(xué)學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件?E-B間等效電路模型從PN結(jié)的小信號模型出發(fā)，構(gòu)造E-B結(jié)間的等效電路模型。其中擴散電容和擴散電阻都是與發(fā)射結(jié)勢壘電容Cje相并聯(lián)的，rex是發(fā)射極外部引線電極與發(fā)射區(qū)之間的串聯(lián)電阻，該電阻通常很小，一般在1～2個歐姆之間。電阻rb是基極電極B與內(nèi)基

區(qū)B’之間的基區(qū)串聯(lián)電阻，E’-B’處于正偏狀態(tài)，Cπ和rπ分別是發(fā)射結(jié)的擴散電容和擴散電阻，這與pn結(jié)的小信號等效電路模型是完全相同的。對照：P.211Fig.8.15(b)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件電阻rc是集電極電極C與內(nèi)部集電區(qū)C’之間的串聯(lián)電阻，CS是電區(qū)與襯底之間反偏pn結(jié)之間的勢壘電容，受控電流源gmVb’e反映的是BJT器件集電極電流受發(fā)射結(jié)電壓的控制關(guān)系，電阻r0則是器件輸出電導(dǎo)g0的倒數(shù)，它主要由厄利效應(yīng)決定。?C-E’等效電路中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件Cμ是反偏C-B結(jié)的勢壘電容，而電阻rμ則是反偏C-B結(jié)的擴散電阻。一般情況下rμ在兆歐姆的數(shù)量級，往往可以忽略不計，電容Cμ通常也比Cπ要小，但是由于負反饋作用引起的密勒效應(yīng)，Cμ的影響通常不能忽略。中北大學(xué)?反偏C’-B’結(jié)等效電路中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)?將上述三部分等效電路組合起來，就形成了一個BJT器件完整的混合π型等效電路模型中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件由于上述完整的混合π型等效電路模型中包含較多的電路元件，因此往往采用計算機來進行計算求解。然而，我們可以用簡化的模型來對晶體管的頻率響應(yīng)進行適當?shù)墓烙?，這樣我們可以得到晶體管的增益為信號頻率的函數(shù)這樣一個重要的結(jié)論。中北大學(xué)P.298例10.11中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)§10.6

BJT的頻率限制因素在混合π型等效電路模型中，通過電阻、電容效應(yīng)的影響實際上已經(jīng)引入了BJT器件的頻率特性。這一節(jié)中我們將進一步討論限制BJT器件頻率特性的幾個主要因素。?時間延遲因子：雙極型晶體管實際上是一種渡越時間器件，當輸入信號的頻率增大時，載流子的渡越時間就會與輸入信號的周期可比擬，此時輸出響應(yīng)就會跟不上輸入信號的變化，因而電流增益也會出現(xiàn)下降的趨勢。我們可以將載流子由發(fā)射區(qū)渡越到集電區(qū)總的延遲時間劃分為以下四個獨立的部分。中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件re’為發(fā)射結(jié)的擴散電阻，Cp為發(fā)射結(jié)的寄生電容。中北大學(xué)發(fā)射結(jié)電容充電時間中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件基區(qū)渡越時間少數(shù)載流子擴散通過中性基區(qū)所需的時間，對npn型BJT晶體管來說，基區(qū)中的電子電流密度可表示為：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時間假設(shè)電子以飽和漂移速度vs通過集電結(jié)耗盡區(qū)，則BJT器件的集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時間可表示為：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件上式中Cμ為集電結(jié)電容，CS為集電區(qū)與襯底之間的電容，rC為集電區(qū)串聯(lián)電阻，τC通常比較小，在有些情況下可以忽略不計。?BJT器件的截止頻率：對于交流小信號情形，電流增益是頻率的函數(shù)。共基極電流增益和頻率有關(guān)系：集電極電容充電時間xdc為集電結(jié)耗盡區(qū)寬度中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件當輸入信號頻率f達到共基極電流增益截止頻率fα時，BJT器件共基極電流增益的幅度將下降為低頻時的1/

倍。利用共發(fā)射極電流增益與共基極電流增益之間的關(guān)系，可求出當f=fα時共射極電流增益與頻率的關(guān)系：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件上式中β0是低頻條件下BJT器件的共發(fā)射極電流增益，fβ是共發(fā)射極電流增益β的截止頻率，當輸入信號頻率f達到共發(fā)射極電流增益截止頻率fβ時，BJT器件共發(fā)射極電流增益的幅度將下降為低頻時的1/

倍。利用前面給出的關(guān)系式可得：中北大學(xué)中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)p.301例.10.12中北大學(xué)半導(dǎo)體物理與器件中北大學(xué)§10.7

BJT