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1、第十二章 双极晶体管,高等半导体物理与器件 第十二章 双极晶体管,第十二章 双极晶体管,1,主要内容,双极晶体管的工作原理 少子的分布 低频共基极电流增益 非理想效应 等效电路模型 频率上限 大信号开关 小结,第十二章 双极晶体管,2,晶体管基本工作原理：在器件的两个端点之间施加电压，从而控制第三端的电流。 最基本的三种晶体管：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管。 双极晶体管：在此器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 双极晶体管中有2个pn结，结电压的正负情况可以有多种组合，导致器件有不同的工作模式。 是一种电压控制的电流源。 两种等效电路模型，适用于不同
2、的情况。,第十二章 双极晶体管,3,12.1 双极晶体管的工作原理 三个掺杂不同的扩散区、两个pn结 三端分别为发射极（E）、基极（B）、集电极（C） 相对于少子扩散长度，基区宽度很小 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低 pn结的结论将直接应用于双极晶体管的研究 双极晶体管不是对称器件，包括掺杂浓度和几何形状,4,(a)npn型(b)pnp型双极晶体管的简化结构图及电路符号,(a)集成电路中的常规npn型双极晶体管(b)氧化物隔离的npn型双极晶体管截面图,第十二章 双极晶体管,第十二章 双极晶体管,5,（1）基本工作原理,均匀掺杂的npn型双极晶体管的理想化掺杂浓度分布图,(a)npn型
3、双极晶体管工作在正向有源区的偏置情况(b)工作于正向有源区，npn型 双极晶体管中少子的分布(c)零偏和正向有源区时，npn型双极晶体管的能带图,图中显示了正向有源模式下电子从n型发射区注入（因此称为发射区）和电子在集电区被收集（因此称为集电区）的截面图,B-E结正偏，B-C结反偏（正向有源模式）-共基,B-E结正偏：电子从发射区越过发射结注入到基区； B-C结反偏：理想情况下B-C结边界处，少子电子的浓度为零。 图(b)中电子浓度梯度标明：发射区注入的电子会越过基区扩散到B-C结的空间电荷区，那里的电场会把电子扫到集电区。 为了使尽可能多的电子到达集电区，而不是和基区多子空穴复合；与少子电子
4、扩散长度相比，基区宽度必须很小。 当基区宽度很小时，少子电子浓度是B-E结电压和B-C结电压的函数。 两个结距离很近互作用pn结。,6,（2）晶体管电流的简化表达式,短基区,第十二章 双极晶体管,理想情况下，基区少子电子浓度是基区宽度的线性函数，表明没有复合发生。电子扩散过基区，后被B-C结空间电荷区电场扫入集电区。,7,集电极电流：扩散电流,晶体管基本工作原理：器件一端的电流由加到另外两端的电压控制,集电极电流,基极和发射极间的电压,第十二章 双极晶体管,8,发射极电流：,称为共基极电流增益。该增益尽可能接近1。,总的发射极电流为：,一部分电流是发射区注入基区的电子电流，即iC。,另一部分电
5、流是正偏B-E结电流，即iE2。,第十二章 双极晶体管,9,基极电流：,为共发射极电流增益，其值远大于1（数量级为100或更大）。,总的基极电流为：,一部分电流iBa是B-E结电流，即iE2。,另一部分是基区空穴复合电流，记为即iBb。 直接依赖于基区中少子电子的数量。,第十二章 双极晶体管,第十二章 双极晶体管,10,（3）工作模式,B-E反偏，B-C反偏：截止。 B-E正偏，B-C反偏：正向有源区。 B-E正偏，B-C正偏：饱和。 B-E反偏，B-C正偏：反向有源区。,共射,11,双极晶体管和其他元件相连，可实现电压、电流放大。 正向有源区，电压增益，电压放大器,共射,第十二章 双极晶体管
6、,（4）双极晶体管放大电路,第十二章 双极晶体管,12,12.2 少子的分布,双极晶体管的电流是由少子的扩散决定的。,13,（1）正向有源模式：B-E结正偏，B-C结反偏,均匀掺杂npn双极晶体管。 单独考虑每个区域时，将起点移到空间电荷区边界，采用正的坐标值。,中性集电区长度比集电区内少子扩散长度大得多。 中性发射区有限长，假设x=xE处表面复合速率无限大，即此处过剩少子浓度为零。,第十二章 双极晶体管,14,基区 稳态下，过剩少子电子浓度可通过双极输运方程得到。 中性区，电场为零，无过剩载流子产生，稳态下输运方程,通解表示为,B-E结正偏,边界条件：,B-C结反偏,通过线性近似得：,第十二
7、章 双极晶体管,15,发射区 同样，使用稳态下过剩少子的双极输运方程,通解表示为,B-E结正偏,边界条件：,x=xE处，表面复合速度无限大,通过线性近似得：,第十二章 双极晶体管,16,集电区 稳态下过剩少子输运方程,通解表示为,集电区无限长,边界条件：,B-C结反偏,集电区过剩少子浓度：,第十二章 双极晶体管,17,第十二章 双极晶体管,第十二章 双极晶体管,18,（2）其他工作模式,（a）截止：B-E结，B-C结均反偏，空间电荷区边界少子浓度均为零。,（b）饱和：B-E结，B-C结均正偏，空间电荷区边界存在过剩少子。,19,反向有源区：B-E结反偏，B-C结正偏。 与正向有源区中的发射极、
8、集电极电流反向。 由于B、E区相对掺杂浓度和B、C区相对掺杂浓度不同，非几何对称，两者的特性大不相同。,第十二章 双极晶体管,20,12.3 低频共基极电流增益,npn型晶体管，正向有源区，粒子流密度和粒子流成分,第十二章 双极晶体管,21,第十二章 双极晶体管,22,小信号或是正弦信号的共基极电流增益,发射极注入效率系数,基区输运系数,复合系数,考虑了发射区中的少子空穴扩散电流对电流增益的影响。,考虑了基区中过剩少子电子的复合的影响。,考虑了正偏B-E结中的复合的影响。,第十二章 双极晶体管,第十二章 双极晶体管,23,12.4 非理想效应,（1）基区宽度调制效应（厄尔利效应）,B-C结反偏
9、电压增加 B-C结空间电荷区宽度增加 基区扩散区宽度减小 少子浓度梯度增加 集电极电流增加,第十二章 双极晶体管,24,IC受VBE控制，因此两者有一对应关系 理想情况下，Ic与VBC无关（上图中曲线斜率为零） 由于存在基区宽度调制效应，上图中曲线倾斜 厄尔利电压（|VA|），描述晶体管特性一共有参数 制造误差引起窄基区晶体管xB变化，导致IC变化,第十二章 双极晶体管,25,（2）大注入效应,大注入晶体管发生两种效应 发射极注入效率会降低 基区过剩少子浓度和集电极电流随B-E结电压增大的速度变缓 发射极注入效率系数 左图为小注入和大注入时，基区中少子和多子浓度,第十二章 双极晶体管,26,小
10、电流时增益较小：复合系数较小 大电流时增益下降：大注入效应的影响,第十二章 双极晶体管,27,基区过剩少子浓度和集电极电流随B-E结电压增大的速度变缓,小注入基区空间电荷区边界处,则,大注入np(0)、pp(0)基本处于同一量级,同pn结二极管中的串联电阻效应近似,第十二章 双极晶体管,28,（3）发射区禁带变窄,发射区掺杂很高时，由于禁带变窄效应，使电流增益比预期小。,发射区掺杂浓度对基区掺杂浓度比值增加，发射极注入效率会增加并接近于1。,第十二章 双极晶体管,29,（4）电流集边效应,基区宽度很小（典型值1微米） 基区电阻相当大 导致发射区下存在横向电势差 相对于中心，较多电子从边缘注入
11、发射极电流集中在边缘,第十二章 双极晶体管,30,（6）击穿电压,两种击穿机制： 穿通 随着反偏B-C结电压的增加，B-C空间电荷区宽度扩展进中性基区中，B-C结耗尽区穿透基区到达B-E结。 雪崩击穿,第十二章 双极晶体管,31,12.5 等效电路模型,（1）E-M模型：适用于任何模式,E-M模型中定义的电流方向、电压极性,基本E-M模型等效电路,第十二章 双极晶体管,32,（2）G-P模型,与E-M模型相比，考虑了更多的物理特性，可用于分析基区为非均匀掺杂的情况。,（3）H-P模型,小信号，线性放大电路，正向有源区,H-P等效电路,第十二章 双极晶体管,33,12.6 频率上限,（1）延时因
12、子 双极晶体管是一种时间渡越器件 发射区到集电区的总时间常数可由4个相互独立的时间常数组成 （2）晶体管截止频率 电流增益是频率的函数 截止频率f：共基极电流增益幅值变为其低频值的0.707时的频率 截止频率fT：共发射极电流增益的幅值为1时的频率 截止频率f：共发射极电流增益幅值下降到其低频值的0.707时的频率,第十二章 双极晶体管,34,12.7 大信号开关,（1）开关特性,（a）研究晶体管开关特性所用的电路,（b）驱动晶体管的基极输入,（c）晶体管工作状态转换过程中集电极电流随时间的变化,第十二章 双极晶体管,35,（2）肖特基钳位晶体管,（a）肖特基钳位晶体管,（b）电路符号,减小存储时间、提高晶体管转换速度的一种常用方法 一个普通npn型晶体管，加一个肖特基二极管（基极、集电极间） 正向有源区，B-C结反偏，肖特基二极管反偏，不起作用，普通晶体管 饱和区，B-C结正偏，肖特基二极管正偏（开启电压小），减小存储时间,第十二章 双极晶体管,36,小 结,双极晶体管的基本工作原理，互作用pn结 4种工作模式，正向有源区的少子分布情况 几个非理想效应： 基区宽度调制、大注入、发射区禁带变窄、电流集边、击穿机制 三种等效模型，主要适用范围 截止频率、开关特性,谢 谢！,第十二章 双极晶体管,
