第三章雙極結(jié)型晶體管

第1頁第三章雙極結(jié)型晶體管發(fā)展歷史:

1947.12.23日第一只點接觸晶體管誕生-BellLab.(Bardeen、Shockley、Brattain)

1949年提出PN結(jié)和雙極結(jié)型晶體管理論-BellLab.(Shockley)

1951年制造出第一只鍺結(jié)型晶體管-BellLab.(Shockley)

1956年制造出第一只硅結(jié)型晶體管-美得洲儀器企業(yè)（TI）

1956年Bardeen、Shockley、Brattain獲諾貝爾獎

1956年中國制造出第一只鍺結(jié)型晶體管-（吉林大學(xué)高鼎三）

1970年硅平面工藝成熟，雙極結(jié)型晶體管大批量生產(chǎn)第2頁3.1雙極結(jié)型晶體管結(jié)構(gòu)第3頁晶體管種類很多，按使用要求，普通分為低頻管和高頻管，小功率管和大功率管，高反壓管和開關(guān)管等等。但從基本結(jié)構(gòu)來看，它們都由兩個十分靠近，分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)P-N結(jié)組成。兩個P-N結(jié)將晶體管劃分為三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。由三個區(qū)引出電極分別稱為發(fā)射極、基極和集電極，用符號E、B、C（e、b、c）表示。晶體管基本形式可分為PNP型和NPN型兩種。

第4頁3.1雙極結(jié)型晶體管結(jié)構(gòu)

第5頁合金管

合金管是早期發(fā)展起來晶體管。其結(jié)構(gòu)是在N型鍺片上，一邊放受主雜質(zhì)銦鎵球，另一邊放銦球，加熱形成液態(tài)合金后，再慢慢冷卻。冷卻時，鍺在銦中溶解度降低，析出鍺將在晶片上再結(jié)晶。再結(jié)晶區(qū)中含大量銦鎵而形成P型半導(dǎo)體，從而形成PNP結(jié)構(gòu)，如圖所表示。圖中Wb為基區(qū)寬度，Xje和Xjc分別為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)結(jié)深。合金結(jié)雜質(zhì)分布特點是：三個區(qū)雜質(zhì)分布近似為均勻分布，基區(qū)雜質(zhì)濃度最低，且兩個P-N結(jié)都是突變結(jié)。合金結(jié)主要缺點是基區(qū)較寬，普通只能做到10微米左右。所以頻率特征較差，只能用于低頻區(qū)。

第6頁第7頁第8頁平面管第9頁

平面晶體管發(fā)射區(qū)和基區(qū)是用雜質(zhì)擴散方法制造得到，所以在平面管三層結(jié)構(gòu)即三個區(qū)域雜質(zhì)分布是不均勻。其雜質(zhì)分布可依據(jù)擴散工藝推算出來，如圖所表示。第10頁3.1雙極結(jié)型晶體管結(jié)構(gòu)芯片是經(jīng)過以下步驟制造出來襯底制備

襯底為低阻N型硅，電阻率在左右，沿（111）面切成厚約圓片，研磨拋光到表面光亮如鏡。外延

外延層為N型，按電參數(shù)要求確定其電阻率及厚度。

一次氧化

高溫生長氧化層用來阻擋硼、磷等雜質(zhì)向硅中擴散，同時也起表面鈍化作用。光刻硼擴散窗口

第11頁3.1雙極結(jié)型晶體管結(jié)構(gòu)硼擴散和二次氧化硼擴散后在外延層上形成P型區(qū)，熱生長氧化層用來阻擋磷向硅中擴散，并起鈍化作用。光刻磷擴散窗口

磷擴散和三次氧化磷擴散后在P型區(qū)磷雜質(zhì)賠償硼而形成N+區(qū)，熱氧化層用作金屬與硅片間電絕緣介質(zhì)。

光刻發(fā)射極和基極接觸孔蒸發(fā)鋁

在鋁上光刻出電極圖形

第12頁

晶體管基區(qū)雜質(zhì)分布有兩種形式：●均勻分布（如合金管），稱為均勻基區(qū)晶體管。均勻基區(qū)晶體管中，載流子在基區(qū)內(nèi)傳輸主要靠擴散進行，故又稱為擴散型晶體管?！窕鶇^(qū)雜質(zhì)是緩變（如平面管），稱為緩變基區(qū)晶體管。這類晶體管基區(qū)存在自建電場，載流子在基區(qū)內(nèi)除了擴散運動外，還存在漂移運動，而且往往以漂移運動為主。所以又稱為漂移型晶體管。第13頁3.2基本工作原理第14頁3.2基本工作原理雙極晶體管有四種工作模式，對應(yīng)地稱為四個工作區(qū)。令，，分別為基極對發(fā)射極和基極對集電極電壓。則四種工作模式是：（1）

正向有源模式：

0，

0；（2）

反向有源模式：0，

0；（3）

飽和模式：0，

0；（4）

截止模式：

0，

0。第15頁工作模式和少子分布(1)正向有源工作模式：

0，

0基區(qū)少子滿足邊界條件為，(2)反向有源工作模式：<0，>0

對應(yīng)邊界條件為:,(3)飽和工作模式：

0，

0對應(yīng)邊界條件為:,(4)截止工作模式:<0，<0對應(yīng)邊界條件為:前面指出，雙極晶體管有四種工作模式，取決于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)偏置情況。第16頁NPN晶體管作為放大應(yīng)用時，少數(shù)載流子濃度分布示意圖

第17頁

發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)將向基區(qū)注入非平衡少子。注入少子在基區(qū)邊界積累，并向基區(qū)體內(nèi)擴散。邊擴散，邊復(fù)合，最終形成一穩(wěn)定分布，記作nB(x)。一樣，基區(qū)也向發(fā)射區(qū)注入空穴，并形成一定分布，記作pE(x)。

集電結(jié)反偏，集電結(jié)勢壘區(qū)對載流子起抽取作用。當(dāng)反向偏壓足夠高時，在基區(qū)一邊，凡是能夠擴散到集電結(jié)勢壘區(qū)XmC電子，都被勢壘區(qū)電場拉向集電區(qū)。所以，勢壘區(qū)邊界X3處少子濃度下降為零；一樣，在集電區(qū)一邊，凡是能夠擴散到XmC空穴，也被電場拉向基區(qū)，在X4處少子濃度也下降為零，其少子濃度分布為pC(x)。

第18頁3.4愛拜耳斯-莫爾方程

四種工作模式及對應(yīng)少子分布

另外，

0正向有源飽和截止反向有源圖3-14晶體管四種不一樣工作模式對應(yīng)少數(shù)載流子分布第19頁3.2基本工作原理共基極連接晶體管放大作用

第20頁3.2基本工作原理共基極連接晶體管放大作用

圖3-6（b）NPN晶體管共基極能帶圖

當(dāng)晶體管作為放大利用時發(fā)射結(jié)加正向偏壓VE集電結(jié)加反向偏壓VC

第21頁3.2基本工作原理電流分量

第22頁3.2基本工作原理電流分量

是從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中電子流。是抵達集電結(jié)電子流。是基區(qū)注入電子經(jīng)過基區(qū)時復(fù)合所引發(fā)復(fù)合電流是從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)空穴電流是發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)復(fù)合電流。是集電結(jié)反向電流，它包含集電結(jié)反向飽和電流和集電結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流。

第23頁3.2基本工作原理電流分量

（3-1）

（3-2）

（3-3）

（3-4）

第24頁3.2基本工作原理電流增益

為描述晶體管增益特征引進以下物理量

發(fā)射極注射效率

（3-5）

（3-7）

基區(qū)輸運因子

共基極直流電流增益

（3-6）

第25頁3.2基本工作原理電流增益

顯然

（3-8）

（3-10）

利用（3-3）式，（3-7）式能夠改寫成考慮到集電結(jié)正反兩種偏壓條件完全表示式為（3-9）

第26頁減小基區(qū)體內(nèi)復(fù)合電流是提升βT有效路徑，主要辦法是減薄基區(qū)寬度WB，使基區(qū)寬度遠小于少子在基區(qū)擴散長度LnB，即WB遠小于LnB。所以，在晶體管生產(chǎn)中，必須嚴格控制基區(qū)寬度，從而得到適當(dāng)電流放大系數(shù)。若基區(qū)太寬，甚至比基區(qū)少子擴散長度大得多，則晶體管相當(dāng)于兩個背靠背二極管。發(fā)射結(jié)相當(dāng)于一只正向偏壓二極管，集電結(jié)相當(dāng)于一只反向偏壓二極管，互不相干。這么，晶體管就失去放大電流、電壓能力。

第27頁3.2基本工作原理式中定義

共發(fā)射極接法

第28頁晶體管放大作用

晶體管在共射極利用時，IC=hFEIB。因為hFE遠大于1，輸入端電流IB微小改變，將引發(fā)輸出端電流IC較大改變，所以含有放大電流能力。在共基極利用時，IC=αIE。因為α靠近于1，當(dāng)輸入端電流IE改變△IE時，引發(fā)輸出端電流IC改變量△IC小于等于△IE。所以起不到電流放大作用。不過能夠進行電壓和功率放大。

第29頁晶體管含有放大能力，必須含有下面條件（1）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度比基區(qū)雜質(zhì)濃度高得多，即NE遠大于NB，以確保發(fā)射效率γ≈1；（2）基區(qū)寬度WB遠小于LnB，確?；鶇^(qū)輸運系數(shù)βT≈1；（3）發(fā)射結(jié)必須正偏，使re很?。患娊Y(jié)反偏，使rc很大，rc遠大于re。第30頁晶體管特征曲線

晶體管特征曲線形象地表示出晶體管各電極電流與電壓間關(guān)系，反應(yīng)晶體管內(nèi)部所發(fā)生物理過程，以及晶體管各直流參數(shù)優(yōu)劣。所以，在生產(chǎn)過程中慣用特征曲線來判斷晶體管質(zhì)量好壞。晶體管接法不一樣，其特征曲線也各不相同。第31頁共基極輸入特征曲線

輸出電壓VCB一定時，輸入電流與輸入電壓關(guān)系曲線，即IE～VBE關(guān)系曲線。第32頁

因為發(fā)射結(jié)正向偏置，所以，IE～VBE輸入特征實際上就是正向P-N結(jié)特征，因而IE隨VBE指數(shù)增大。但它與單獨P-N結(jié)間存在差異，這是因為集電結(jié)反向偏置VCB影響結(jié)果。若VCB增大，則集電結(jié)勢壘變寬，勢壘區(qū)向基區(qū)擴展，這么就使有效基區(qū)寬度隨VCB增加而減?。ㄟ@種現(xiàn)象稱為基區(qū)寬變效應(yīng)）。因為WB減小，使少子在基區(qū)濃度梯度增加，從而引發(fā)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子電流InE增加，因而發(fā)射極電流IE就增大。所以，輸入特征曲線隨VCB增大而左移。

第33頁共射極輸入特征曲線

在輸出電壓VCE一定時，輸入端電流IB與輸入端電壓VBE關(guān)系曲線，即IB～VBE曲線。

第34頁

因為發(fā)射結(jié)正偏，如將輸出端短路，VCE=0時，就相當(dāng)于將發(fā)射結(jié)與集電結(jié)兩個正向P-N結(jié)并聯(lián)。所以，輸入特征曲線與正向P-N結(jié)伏安特征相同。當(dāng)集電結(jié)處于反偏時，因為基區(qū)寬度減小，基區(qū)內(nèi)載流子復(fù)合損失降低，IB也就降低。所以，特征曲線隨VCE增加而右移。而且，當(dāng)VBE=0時，IpE和IVR都等于零，故IB=-ICBO。因而在VBE=0處，特征曲線下移至ICBO。

第35頁共基極輸出特征曲線輸出端電流隨輸出電壓改變關(guān)系曲線，即IC～VCB關(guān)系曲線。

第36頁

當(dāng)IE=0，即發(fā)射結(jié)不發(fā)射載流子時，輸出電流IC=ICBO，這時輸出特征就是集電結(jié)反向特征，即圖中最靠近水平坐標而且基本上平行于坐標軸曲線。當(dāng)IE≠0時，伴隨IE增加，IC按αIE規(guī)律增大。若IE取不一樣數(shù)值，就得到一組基本上相互平行IC～VCB關(guān)系曲線，這就是共基極輸出特征曲線。

第37頁共射極輸出特征曲線IC～VCE關(guān)系曲線

第38頁

當(dāng)IB=0（基極開路）時，IC=ICEO。這是因為共射極電路輸出電壓為VCE，這個電壓即使主要降落在集電結(jié)上，使集電結(jié)反偏，但也有一小部分電壓降落在發(fā)射結(jié)上，使發(fā)射結(jié)正偏。所以共射極電路中，當(dāng)IB=0時，IE并不為零，這部分發(fā)射極電流輸運到集電極上，使輸出電流ICE0比ICB0大，這就是圖中下面第一條曲線。當(dāng)IB≠0時，伴隨IB增加，IC就按βIB規(guī)律增加。IB取不一樣數(shù)值，IB～VCE關(guān)系就得到一組曲線。第39頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸?shù)?0頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

3.3.1電流傳輸

理想晶體管主要假設(shè)及其意義：

（1）各區(qū)雜質(zhì)都是均勻分布，所以中性區(qū)不存在內(nèi)建電場；（2）結(jié)是理想平面結(jié)，載流子作一維運動；（3）橫向尺寸遠大于基區(qū)寬度，而且不考慮邊緣效應(yīng)，所以載流子運動是一維；（4）基區(qū)寬度遠小于少子擴散長度；（5）中性區(qū)電導(dǎo)率足夠高，串聯(lián)電阻能夠忽略，偏壓加在結(jié)空間電荷區(qū)上；（6）發(fā)射結(jié)面積和集電結(jié)面積相等；（7）小注入，等等

第41頁晶體管中載流子濃度分布及傳輸

設(shè)發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)雜質(zhì)皆為均勻分布，分別用NE、NB、NC表示，且NE遠大于NB大于NC。

We

發(fā)射區(qū)寬度Wb

基區(qū)寬度Wc

集電區(qū)寬度Xme

發(fā)射結(jié)勢壘寬度Xmc

集電結(jié)勢壘寬度第42頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

3.3.1電流傳輸

圖3-10是理想雙極結(jié)型晶體管雜質(zhì)分布和耗盡區(qū)示意圖以及所采取坐標。第43頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

一、電流傳輸

中性基區(qū)（0

）少子電子分布及其電流：

邊界條件為：（3-16）

（3-17）

（3-18）

第44頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

電子電流

（3-16）

（3-19）

（3-20）

第45頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

二、發(fā)射區(qū)少子空穴分布及其電流：邊界條件：

（3-21）

（3-23a）

第46頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

若

，（3-23a）式能夠?qū)懽鳎?/p>

（3-23b）

（3-24）

空穴電流為：第47頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

三、集電區(qū)少子空穴分布及其電流

邊界條件：

（3-23）

（3-26）

（3-25）

第48頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

3.3.2正向有源模式一、少數(shù)載流子分布

在情況下，（3-27a）式簡化

（3-27a）

（3-27b）

第49頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

3.3.2正向有源模式圖3-11正向有源模式下晶體管各區(qū)少數(shù)載流子分布第50頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

二、電流分量

基區(qū)電子電流：

（3-28）

（3-29）

若

（3-30）

（3-31）

（3-32）

第51頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

空穴電流

（3-24）

（3-33）

正偏壓發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流：

（3-34）

第52頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

（3-35）

（3-36）

第53頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

晶體管輸出特征曲線

圖3-12NPN晶體管靜態(tài)電流

電壓特征

第54頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

三、共發(fā)射極電流增益（3-37）

第55頁3.3理想雙極結(jié)型晶體管中電流傳輸

四、共發(fā)射極電流增益與工作電流關(guān)系圖3-13電流增益對集電結(jié)電流依賴關(guān)系

第56頁3.11擊穿電壓第57頁功率晶體管二次擊穿和安全工作區(qū)

二次擊穿是功率晶體管早期失效或損壞主要原因，它已成為影響功率晶體管安全可靠使用主要原因。自從1957年發(fā)覺二次擊穿現(xiàn)象以來，二次擊穿一直受到極大重視。

第58頁晶體管二次擊穿試驗曲線

第59頁

擊穿曲線上可用A、B、C、D四點將其分為四個區(qū)域。當(dāng)電壓VCE增加到集電結(jié)雪崩擊穿電壓時，首先在A點發(fā)生雪崩擊穿；雪崩擊穿后，集電極電流IC隨電壓增加很快上升。當(dāng)電流增加到B點，并在B點經(jīng)過短暫停留后，晶體管將由高壓狀態(tài)躍變到低壓大電流C點，若電路無限流辦法，電流將繼續(xù)增加，進入低壓大電流區(qū)域CD段，直至最終燒毀。

第60頁二次擊穿

器件承受電壓突然降低，電流繼續(xù)增大，器件由高壓小電流狀態(tài)突然躍入低壓大電流狀態(tài)一個現(xiàn)象。

第61頁

二次擊穿對晶體管含有一定毀壞作用。在二次擊穿狀態(tài)下停留一定時間后，會使器件特征惡化或失效。若外加限流電阻，并適當(dāng)減小使用功率，對于二次擊穿耐量高晶體管，能夠得到可逆二次擊穿特征，利用此特征能夠制成二次擊穿振蕩器。二次擊穿耐量低晶體管，經(jīng)屢次二次擊穿后必定失效。

第62頁二次擊穿機理

●熱型（熱不穩(wěn)定型）：二次擊穿是局部溫度升高和電流集中往復(fù)循環(huán)結(jié)果。而循環(huán)和溫度升高都需要一定時間，所以熱型二次擊穿觸發(fā)時間較長。（慢速型）●電流型（雪崩注入型）：由雪崩注入引發(fā)雪崩擊穿即刻發(fā)生，所以此種擊穿特點是器件由高壓小電流狀態(tài)向低壓大電流狀態(tài)過渡十分快速，所需延遲時間很短，所以電流型二次擊穿是快速型二次擊穿。

第63頁晶體管安全工作區(qū)（SOA）

晶體管能安全可靠地工作，并含有較長壽命工作范圍。由最大集電極電流ICM，極限電壓BVCE0，最大功耗線和二次擊穿臨界限PsB所限定區(qū)域。第64頁功率晶體管直流安全工作區(qū)

第65頁

最大功耗線（圖中實線）

由最大耗散功率PCm、熱阻、最高結(jié)溫和環(huán)境溫度決定。功耗線右邊（Ⅰ區(qū)）為功率耗散過荷區(qū)。功率過大，將產(chǎn)生大量熱量，造成引線熔斷和鎳鉻電阻燒毀等。

第66頁

二次擊穿臨界限（圖中虛線）

由試驗測定，它隨改進二次擊穿特征辦法實施而逐步靠近最大功耗線。區(qū)域Ⅱ為熱型二次擊穿區(qū)。工作在此區(qū)內(nèi)，晶體管將產(chǎn)生過熱點，最終造成材料局部熔化，結(jié)間產(chǎn)生熔融孔而永久失效。

第67頁

Ⅲ區(qū)為雪崩注入二次擊穿區(qū)，若外電路無限流辦法，一樣會造成晶體管永久失效。

Ⅳ區(qū)為雪崩擊穿區(qū)。在Ⅲ、Ⅳ兩區(qū)內(nèi)，若采取限流辦法，均不會造成晶體管永久失效，

Ⅴ區(qū)為電流過荷區(qū)，電流過荷區(qū)將會使β、特征頻率等參數(shù)嚴重下降，晶體管性能惡化。

第68頁

晶體管安全工作區(qū)

（圖中陰影部分）

安全工作區(qū)大小與電路工作狀態(tài)相關(guān)。從設(shè)計和制造角度考慮，盡可能擴大晶體管安全工作區(qū)仍是高頻功率管主要任務(wù)。第69頁

怎樣擴大安全工作區(qū)

首先，努力做到使安全工作區(qū)由最大集電極電流ICM，最高集電極電壓BVCE0和最大功耗線所限定。（改進器件二次擊穿特征，將二次擊穿臨界限移到最大功耗線之外，最少也要移到最大功耗線上。）其次，經(jīng)過選擇適當(dāng)材料和正確設(shè)計。（提升器件耐壓；增大器件最大電流；降低熱阻，提升晶體管耗散功率）第70頁

晶體管中最高電壓根本限制與在P-N結(jié)二極管中相同，即雪崩擊穿或齊納擊穿。不過，擊穿電壓不但依賴于所包括P-N結(jié)性質(zhì)，它還依賴于外部電路結(jié)構(gòu)。一、共基極連接在發(fā)射極開路情況下，晶體管集電極和基極兩端之間允許最高反向偏壓:經(jīng)驗公式（對于共基極電路）：圖3-27中，在處突然增加.從集電極電流與發(fā)射極電流之間關(guān)系來看，包含雪崩效應(yīng)有效電流增益增大M倍，即（3-99）

（3-100）

第71頁3.11擊穿電壓當(dāng)M靠近無窮時滿足擊穿條件。

圖3-27共發(fā)射極和共基極電路擊穿電壓第72頁3.11擊穿電壓二、共發(fā)射極連接因為，所以，包含雪崩效應(yīng)共發(fā)射極電流增益為當(dāng)?shù)竭_條件時，新電流增益變?yōu)闊o窮，即發(fā)生擊穿。因為非?？拷?，當(dāng)不要比1大很多時就能滿足共發(fā)射極擊穿條件?；鶚O開路情況下?lián)舸╇妷河帽硎?。令?-99）式中并使等于，能夠解得硅數(shù)值在2到4之間，在值較大時，共發(fā)射極擊穿電壓可比共基極擊穿電壓低很多。（3-101）

（3-102）

第73頁3.11擊穿電壓共發(fā)射極擊穿特征也示于圖3-27中