1、第二章 雙極型晶體管,*雙極晶體管基本結構與原理； *雙極晶體管直流放大特性； *雙極晶體管頻率特性； * 異質(zhì)結雙極晶體管(HBT)；,電子和空穴二種極性載流子同時參與輸運的具有電流和功率放大能力的三端半導體器件，通常簡稱晶體管。,按功能- 高頻晶體管、低頻晶體管、大功率晶體管、小功率晶體管、開關晶體管、低噪聲晶體管，等。,由滿足一定幾何結構參數(shù)和材料物理參數(shù)要求的二只背靠背的pn結構成； 直流和交流工作狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的電學特性。,雙極型晶體管:,基本特征：,分 類:,按材料 Ge晶體管、 Si晶體管、GaAs、SiGe晶體管等。,按能帶結構 同質(zhì)結雙極晶體管，一般稱其為晶體管(BJT) 。

2、異質(zhì)pn結雙極晶體管，簡稱異質(zhì)結晶體管(HBT) 。異質(zhì)結晶體管具有更優(yōu)良的電學特性。,重點討論晶體管器件物理-載流子分布、載流子輸運物理過程及圖像，各種特性產(chǎn)生機理和表征參數(shù)。,約定：未作說明，則討論的是同質(zhì)結晶體管。,2.1 晶體管基本結構,1.基本原理結構與條件 -基于放大能力,如同二只孤立pn結,產(chǎn)生新電學特性,正偏pn結與反偏背靠背pn結,共用區(qū)寬度小于少子擴散長度,基本原理結構,2) 基本結構條件,基本條件：偏置； 結構； ？,2.基本類型,2) 電極結構 基 區(qū)：pn結共用區(qū)。該區(qū)電極稱基極(B) 。 發(fā)射區(qū)：正偏pn結的非共用區(qū)域。該區(qū)電極稱發(fā)射極(E)。 集電區(qū)：反偏pn結的

3、非共用區(qū)域。該區(qū)電極稱集電極(C) 。 發(fā)射結：正偏pn結。 集電結：反偏pn結。,1) 類型,共用區(qū)為p型： 稱npn型； 共用區(qū)為n型：稱pnp型,3.晶體管制造與摻雜分布,A.平面工藝技術,-緩變基區(qū)晶體管 (漂移(型)晶體管 ),-均勻基區(qū)晶體管 (擴散(型)晶體管),B. CVD等技術,結構中n+的作用？,4. 基本結構參數(shù),pnp與npn晶體管器件物理基本相同，本章以npn晶體管為例。,A. 幾何結構參數(shù),縱 向:,發(fā)射結結深xje； 集電結結深xjc； 基區(qū)寬度wb； 集電 區(qū)寬度wc，等。,橫 向：,晶體管表面腑視圖所見: 基區(qū)和發(fā)射區(qū)寬度、長度； 基區(qū)和發(fā)射區(qū)金屬引線尺寸；

4、它們之間的邊距，等。,B. 材料物理參數(shù),發(fā)射區(qū)摻雜濃度及分布- NE(x); 基區(qū)摻雜濃度及分布- NB(x); 集電區(qū)摻雜濃度及分布 NC(通常是常數(shù)); 少子壽命及遷移率(尤其基區(qū)) ，等。,縱向、橫向幾何結構參數(shù)和材料物理參數(shù)決定晶體管特性。,2.2 晶體管直流放大機理(npn),發(fā)射結正偏，集電結反偏；基區(qū)寬度小于少子擴散長度。 一、放大狀態(tài)載流子分布及輸運,特征： A. 勢壘區(qū)二側(cè)邊界處少子濃度與孤立pn結相同; B. 發(fā)射區(qū)與集電區(qū)少子擴散長度內(nèi)少子分布分別與孤立pn結相同; C. 基區(qū)少子濃度及濃度梯度分布由發(fā)射結側(cè)與集電結側(cè)邊界條件決定。,1. 少數(shù)載流子分布,2.載流子輸運

5、過程,a.發(fā)射區(qū)電子注入基 區(qū)，邊擴散邊復合-IVB； b.基區(qū)空穴注入發(fā)射區(qū)，邊擴散邊復合-IpE； c.發(fā)射區(qū)注入基 區(qū)的電子擴散至集電結空間電荷區(qū)邊界被反偏電場抽至集電區(qū)，形成電流-InC； d.集電結反向電流-ICBO。,3. 電流(載流子)輸運關系,發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子流-用nE表示；,基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴流-用pE表示。,流過發(fā)射結總電流(發(fā)射極流入的總電子流)-E表示，忽略發(fā)射結空間電荷區(qū)復合，為：,輸運至集電結勢壘區(qū)邊界并輸運至集電區(qū)的電子流-nC表示； 集電結反向電流-ICBO表示。,B. 通過集電結(集電極)電流：,A. 通過發(fā)射結(發(fā)射極)電流：,集電結總電流(集電極

6、電流)-用C表示，為,IC = InC + ICBO,IE = InE + IpE,忽略復合,C. 通過基極的電流,基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴流-IpE表示 在基區(qū)與發(fā)射區(qū)注入電子相復合的空穴流-vB表示 流出基極的集電結反向電流(空穴流)-CBO表示,IB =IpE + IVB - ICBO IVB = InE - InC,流入基極凈空穴流用IB表示， 為:,D. 結 論 IE = InE + IpE IC = InC + ICBO IB =IpE + IVB - ICBO IVB = InE - InC IE = IB+ IC,即，發(fā)射極電流等于基極電流與集電極電流之和 。,若 Wb NB(x)

7、 ，可使 pEIB 所以，如將基極電流IB作為輸入信號，集電極電流IC作為輸出信號，則晶體 管實現(xiàn)了電流放大。 另外，晶體管的正偏發(fā)射結電阻遠遠小于反偏集電結的電阻。這樣，輸出回路負載電阻可以很大。因此，晶體管具有電壓放大和功率放大的能力。,二、電流放大能力分析 用電流放大系數(shù)(電流增益)表征。通常有共基極和共射極電流放大系數(shù)。,1. 共基極電流放大系數(shù)-0表示,A. ：發(fā)射效率,B. *基區(qū)輸運系數(shù)：, 1,IpE / InE,NBNE,WbLnb,2. 共射極電流放大系數(shù)-0表示,or,1,3. 其它電流關系,a.根據(jù)定義,有 共基極 IC=0IE +ICBO,當IB=0(即共射極基極開路

8、)，有 IC= （1+0）ICBO = ICEO-？ 即，在基極開路時，C-E間電流（稱反向電流）是集電結反向電流的（1+0）倍。此時的電流放大系數(shù)0是小電流時的放大系數(shù)。,有共射極 IC=0IB +（1+0）ICBO,令（1+0）ICBO=ICEO,則：IC=0IB +（1+0）ICBO=0IB +ICEO,b.利用 IE = IC + IB 及0與0關系：,IC= 0IE +ICBO= 0（IC +IB）+ICBO IC= 0IB/(1-0 )+ICBO /(1-0 ),三、晶體管其它工作狀態(tài),a.發(fā)射結反偏，集電結反偏 - 稱晶體管處于截止狀態(tài)。 b.發(fā)射結反偏，集電結正偏-稱晶體管處反

9、向放大狀態(tài)。若晶體管縱、橫向結構參數(shù)完全對稱，其放大能力與正常放大偏置相同。否則，放大系數(shù)會很小。？ c.發(fā)射結正偏，集電極正偏-稱晶體管處于飽和狀態(tài)（電流方向 ?）。 0IB IC (IB=IpE+IVB+ IpC) (IC=InC - IpC) d.發(fā)射結正偏，集電結零偏，稱晶體管處于臨界飽和狀態(tài)。 此時 0 IB = IC,載流子分布？放大能力？,A.晶體管具有電流放大能力，須具備三個條件： E(x)B(x)-使發(fā)射效率盡可能接近于； wb Lnb-使基區(qū)輸運系數(shù)* 接近于； 發(fā)射結正偏，集電結反偏-使載流子從發(fā)射區(qū)渡越至收集區(qū) B.晶體管共基極電流放大系數(shù)0（可以）接近于; C.共射極

10、電流放大系數(shù)0一般遠大于； D.輸入阻抗低，輸出阻抗高，有足夠大的電壓和功率放大能力。,4. 小結,ex: 1. 試講述晶體管具有放大能力的結構與偏置條件及其機理？ 2. 畫出不同偏置下晶體管載流子分布，簡述飽和態(tài) 0IB IC 機理。,2.3 均勻基區(qū)晶體管直流伏安特性方程,假 設: 1.空間電荷區(qū)沒有載流子產(chǎn)生-復合; 2.外加電壓主要降在勢壘區(qū)； 3.注入少子遠低于平衡多子-小注入； 4.晶體管的發(fā)射結和集電結偏置電壓分別為E和C。,IE=? IC=?,E和C滿足各種偏置,特征？,InE 擴散流方程 nb(x) 基區(qū)連續(xù)性方程,InC,IpE 擴散流方程 pe(x) 發(fā)射區(qū)連續(xù)性方程,I

11、pC 擴散流方程 pc(x) 集電區(qū)連續(xù)性方程,思 路：,IC=InC+IpC,仍用放大狀態(tài)符號表示,少子擴散運動,一、基區(qū)少子濃度及電流分布 1. nb(x):,邊界條件,基區(qū)發(fā)射結側(cè)非平衡少子,基區(qū)集電結側(cè)非平衡少子,2. 電流密度:,pe(x)x= = pe() = pne,二、發(fā)射區(qū)少子濃度及電流分布 1. pe(x),邊界條件,2.電流密度:,三、集電區(qū)少子濃度及電流分布,與發(fā)射區(qū)同樣過程，有：,四、電流-電壓方程 (適合于各種偏置),# IE和IC皆與VE、VC有關電流疊加,考慮電流實際反向有：,# 特性方程物理意義：,一般滿足：WbLnb,當(Wb /Lnb) 1時： Sh(Wb

12、 /Lnb) X，Ch(Wb /Lnb) 1 有：,發(fā)射結電流項 （集電結偏壓為零）,集電結注入基區(qū)發(fā)射結側(cè)電子電流項 （發(fā)射結偏壓為零）,發(fā)射結注入基區(qū)集電結側(cè)電流項 （集電結偏壓為零）,集電結電流項 （發(fā)射結偏壓為零）,基區(qū)中電子流物理意義？前述方程中出現(xiàn)雙曲函數(shù)的原因？,2.4 均勻基區(qū)晶體管輸出短路電流放大系數(shù),1.考慮集電結零偏，即輸出短路電流放大系數(shù)(電流放大系數(shù)是集電結偏置電壓的函數(shù))； 2.要求：明確電流放大系數(shù)與結構參數(shù)的關系； 3.集電結反偏時的情況后續(xù)討論。,一、發(fā)射效率,wbLnb th (wb/Lnb)wb/Lnb,= 1/1W ,b,方塊電阻單位面積下，從平行于表面

13、二側(cè)呈現(xiàn)的電阻電阻,#方塊電阻物理意義,L,L,= L/LW ,二、基區(qū)輸運系數(shù)*,wbLnb sech(x)=1 - x2/2!,三、輸出短路電流放大系數(shù),Wb/Lnb,2.5 緩變基區(qū)晶體管直流放大系數(shù),一、緩變基區(qū)晶體管特征,基區(qū)自建電場、發(fā)射區(qū)自建電場,-加速基區(qū)少子渡越-IVB Jnc；,-阻止少子擴散，JpE,緩變基區(qū)晶體管直流放大系數(shù)高,2.作用,1.特征-自建電場,3.基區(qū)自建電場-,基區(qū)凈空穴流,4.發(fā)射區(qū)自建電場-,電場因子,設：,NB(x),取：pe=pb，nb=ne,與均勻基區(qū)晶體管結果相同，其物理意義也相同。,三、基區(qū)輸運系數(shù),少子渡越基區(qū)時間,基區(qū)少子壽命,復合幾率

14、,JnE,四、輸出短路電流放大系數(shù),均勻基區(qū)與緩變基區(qū)晶體管電流放大系數(shù)表征公式相似，物理意義相同。 提高晶體管電流放大系數(shù)： 1.提高NENB之比，為保證電流放大系數(shù)足夠大，一般(NENB)102； 2.減小基區(qū)寬度wb； 3.提高基區(qū)電場因子； 4.提高基區(qū)少子壽命和遷移率。,作業(yè),試證明：緩變基區(qū)晶體管載流子的基區(qū)渡越時間,其中：,2.共射極:,IC=0IB +ICEO,VBE,VCE,IB =IpE + IVB - ICBO,VCE,Wb,IVB,IB,xmc,VBE導通電壓,輸出特性曲線二個特征: IE與IB較小或較大時，0和0較小，而且IC越大或越小0和0越小; 隨VCB或VCE的

15、增大，輸出電流IC略有增大，反映出0和0增大。,3.電流放大系數(shù)與電流關系：,VCE,三、發(fā)射結空間電荷區(qū)復合-小電流放大系數(shù)低的機理 載流子在發(fā)射結空間電荷區(qū)內(nèi)的復合是小電流時放大系數(shù)小的主要原因。,IE = InE + IpE + IER,小電流(低VE)時，勢壘區(qū)復合電流所占比例大，隨電流(VE)增大，復合電流影響逐漸減小, 0、0增大,四、大注入效應-大電流電流放大系數(shù)下降的機理 大注入：發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的非平衡少子濃度nb(x)接近甚至超過基區(qū)多子濃度的現(xiàn)象。 大注入效應：大注入下，晶體管內(nèi)產(chǎn)生三種物理現(xiàn)象，即三個效應，分別稱為 1.基區(qū)電導調(diào)制效應； 2.有效基區(qū)擴展效應； 3.發(fā)射

16、結電流集邊效應。 它們都將造成晶體管電流放大系數(shù)的下降。這里將它們統(tǒng)稱為大注入效應。 大注入效應通常發(fā)生在工作電流密度高的功率晶體管中。,1.基區(qū)電導調(diào)制效應,基區(qū)多子濃度： pb(x)= NB(x) + nb(x),pb(x), =1/b=qpb Pb(x)= qpb NB(x) + nb(x),定義：基區(qū)電導隨注入基區(qū)少子濃度增大而增大(電阻率減小)的現(xiàn)象。,設：Wb=C,2.有效基區(qū)擴展效應 定義：大電流密度下，晶體管有效基區(qū)寬度隨注入基區(qū)電流(載流子) 密度的增大而展寬，這種現(xiàn)象稱為晶體管有效基區(qū)擴展效應，又稱kirk效應。,設：VCB=C，即：電場曲線下所圍面積不變,大注入效應、基區(qū)

17、擴展效應同時發(fā)生,基區(qū)擴展效應,3.發(fā)射結電流集邊效應 定義：發(fā)射結電流密度從發(fā)射結（橫向）中心到發(fā)射結邊緣逐漸增大的現(xiàn)象。,基區(qū)橫向壓降：基極電流在基區(qū)體電阻上產(chǎn)生的從發(fā)射結中心到邊緣逐漸增大的壓降-用V(x)表示 。發(fā)射區(qū)橫向等電位。,影響： 1.發(fā)射結有效面積減小; 2.中心區(qū)域結面產(chǎn)生反向電流及存在勢壘電容； 3.導致基區(qū)電導調(diào)制效應或基區(qū)擴展效應在發(fā)射結邊緣發(fā)生，造成電流放大系數(shù)下降。,機理：,發(fā)射結電流根部集中效應,發(fā)射結電流沿發(fā)射區(qū)金屬電極條縱向流向外電極引線；,金屬電極層較薄，電阻不可忽略，發(fā)射極電流在金屬電極層產(chǎn)生縱向壓降；,縱向壓降造成外引線端側(cè)發(fā)射區(qū)電位低于另一端；,基區(qū)

18、在縱向等電位；,引起發(fā)射結正偏向引線端逐漸升高，電流密度逐漸增大。,定義：發(fā)射結電流密度在縱向沿發(fā)射區(qū)向外電極引線處逐漸升高的現(xiàn)象。,結果：根部集中效應和電流集邊效應使發(fā)射結電流密度在在引線端發(fā)射結的二個彎角處最高，首先發(fā)生前二個效應，電流放大系數(shù)下降。,三個效應關系,基區(qū)電導調(diào)制效應和基區(qū)擴展效應是電流放大系數(shù)下降的物理原因； 電流集邊效應與根部集中效應使電導調(diào)制效應和基區(qū)擴展效應首先在發(fā)射結邊緣發(fā)生； 基區(qū)電導調(diào)制效應和基區(qū)擴展效應一般同時存在。,大注入效應的控制： 1.限定控制電導調(diào)制效應和基區(qū)擴展效應所允許的最大電流密度。取二個效應中最大電流密度的較小者作為控制大注入效應臨界電流密度。

19、 2.為控制電流集邊效應，規(guī)定發(fā)射區(qū)有效寬度?？紤]發(fā)射極根部集中效應，規(guī)定了發(fā)射區(qū)的有效長度。發(fā)射區(qū)有效寬度和有效長度分別是以它們的橫向或縱向壓降等于KTq時的值來確定。,五、大注入效應控制,1.基區(qū)電導調(diào)制效應：,2.基區(qū)擴展效應,3.發(fā)射區(qū)有效條寬,4.發(fā)射區(qū)有效條長,大注入自建電場 定義：基區(qū)非平衡多子擴散形成引起電場，稱為大注入自建電場。 大注入自建電場對渡越基區(qū)的少子產(chǎn)生加速作用，但該作用效果被基區(qū)擴展效應所屏蔽； 緩變基區(qū)晶體管，基區(qū)自建電場是基區(qū)摻雜和非平衡載流子引起的電場迭加； 注入基區(qū)的非平衡載流子濃度遠高于摻雜濃度時，基區(qū)自建電場將主要由非平衡載流子決定。在這樣條件下，緩變

20、基區(qū)晶體管與均勻基區(qū)晶體管基區(qū)自建電場趨于相同，它們的特性也趨于一致。,作業(yè): 1.試解釋發(fā)射效率、基區(qū)輸運系數(shù)的物理意義； 2.試簡述放大狀態(tài)晶體管內(nèi)部載流子的輸運過程； 3.試簡述晶體管電流放大系數(shù)與其結構參數(shù)的關系； 4.試解釋晶體管電流放大系數(shù)與工作電流間的曲線。 5.對npn晶體管，若WbLnb,WELpE 試寫出：IE=? IC=?,2.7 晶體管頻率特性,一、晶體管交流電流放大系數(shù)與工作頻率關系,二、頻率特性表征參數(shù),共基極交流輸出短路電流放大系數(shù)：,共基極截止頻率-f：,共射極交流輸出短路電流放大系數(shù)：,共射極截止頻率-f：,|=0/,特征頻率-fT：共射極狀態(tài)下，|=時的工作

21、頻率。,最高振蕩頻率-fmax：共射狀態(tài)下使最佳功率增益等于時的工作頻率。,|=0/,# 充電時常數(shù)分析：,ee= re（CTe+CTc）,b= reCDeb= wb2/(Dnb),e=reCTe；,c=rCSCTc；,d=xmc/2vs,四、晶體管交流輸出短路電流放大系數(shù),ee= re（CTe+CTc）,b= reCDeb= wb2/(Dnb) 基區(qū)擴散電容充放電時間 = 基區(qū)少子基區(qū)渡越時間。,e=reCTe,c=rCSCTc,d=xmc/2vs,一級近似：,五、頻率特性與器件結構關系,re=KT/(qAeje) CTe=AeCTe0 CTc=AcCTc0 rcs=cwc/Ac,2.8 晶

22、體管開關特性,二、飽和開關特性分析,ton=td+tr,toff=ts+tf,2.9 異質(zhì)結晶體管,電流增益高，可比Si同質(zhì)結晶體管高104； 特征頻率fT和最高振蕩頻率fmax高，可以是Si同質(zhì)結晶體管的幾倍-十余倍； 線性性度高；噪聲??；大電流特性好。,異質(zhì)結晶體管（HBTHeterojunction Bipolar Transistor）：,-發(fā)射結采用異質(zhì)結或發(fā)射結和集電結都是異質(zhì)結的晶體管。,-基區(qū)禁帶寬度小于發(fā)射區(qū)禁帶寬度，或同時小于發(fā)射區(qū)和 集電區(qū)禁帶寬度的晶體管。,優(yōu) 勢：,主要得益于異質(zhì)發(fā)射結注入電流比。,機 理：,一、異質(zhì)發(fā)射結電流注入比,同質(zhì)發(fā)射結電流注入比,weLpe，

23、wbLnb,異質(zhì)發(fā)射結電流注入比,weLpe，wbLnb,二、發(fā)射效率,= 250mv，注入比和發(fā)射效率可以比同質(zhì)發(fā)射結高104倍以上。,若,所以，即使NBNE，異質(zhì)發(fā)射結發(fā)射效率仍可以高于同質(zhì)結。,三、異質(zhì)結晶體管特性 1 .共射極輸出短路電流放大系數(shù),結 論： 1.電流放大系數(shù)(發(fā)射效率)遠高于同質(zhì)結晶體管； 2.利用該特征可以突破同質(zhì)結晶體管的結構參數(shù)極限對晶體 管特性造成的制約，提高晶體管的頻率特性和其它性能。 如：NB可以大于NE - fmax提高； 基區(qū)寬度可以進一步減小- fT提高。,制約同質(zhì)結晶體管因素： 1.發(fā)射效率-NE/NB102; 2. fmax- NB盡量高(1018

24、), Wb不能太窄。 二著至使 ( )與fT不高。,同質(zhì)結晶體管：,= 250mv，注入比和發(fā)射效率可以比同質(zhì)發(fā)射結高104倍以上。,異質(zhì)結晶體管基區(qū)高摻雜，即使基區(qū)非常窄，仍然可以 大大減小基區(qū)電阻；所以最高振蕩頻率fmax將明顯增大。,2.最高振蕩頻率,2.特征頻率,基區(qū)禁帶漸變，產(chǎn)生少子加速場，基區(qū)渡越時間進一步減小。如：發(fā)射結側(cè)禁帶寬為Ege，集電結側(cè)為（Ege-Egb），那么基區(qū)等效電場強度為Egbqwb。 若Egb=0.2eV，wb=5106cm，則電場強度可達4104v/cm。同質(zhì)結緩變基區(qū)晶體管中基區(qū)摻雜濃度產(chǎn)生的自建電場一般在26103v/cm，比前者約小一個數(shù)量級。 所以異

25、質(zhì)結晶體管特征頻率進一步得到提高。,# 特征頻率：,4.其它特性,基區(qū)高摻雜，同時還改善了下述特性 - 晶體管Early電壓高，提高線性度； - 有效抑制了大注入效應； - 降低了器件的熱噪聲。,5.雙異質(zhì)結晶體管 - 晶體管進入飽和狀態(tài)時，可以阻止空穴從基區(qū)向集電區(qū)的注入，大大減少集電區(qū)的貯存電荷，減小儲存時間，提高晶體管的開關速度； - 提高集電結雪崩擊穿電壓，原因是寬禁帶材料臨界擊穿電場高； - 結構的對稱性為晶體管在正反二個方向?qū)ΨQ工作及集成電路設計提供了靈活性 。,四、異質(zhì)結晶體管技術,1. Si基異質(zhì)結晶體管-Si1-xGex,fT -115GHz； fmax -150GHz。,2002.12: fT- 350GHz,2.GaAs基異質(zhì)結晶體管-AlxGa1-xAs,Eg=1.424 + 1.247x ( x 0.45),作業(yè)： 1.試敘述晶體管交流載流子輸運過程及電流放大系數(shù)下降的 機理；