《半导体物理与器件第十二章1.》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体物理与器件第十二章1.(56页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、半导体物理与器件 陈延湖 n双极晶体管的基本器件结构特点 n双极晶体管的各电极电流成分及电流增 益 n双极晶体管的非理想特性 n双极晶体管的混合型等效电路及频率 特性 本章重点问题: 第十二章 双极晶体管 本章主要内容:n 双极晶体管的工作原理(12.1 ) n基本结构及工作原理 n晶体管的电极电流 n各区域少子分布(12.2) n低频共基极电流增益(12.3) n非理想效应 (12.4 ) n基区调制效应 n等效电路模型(12.5 ) nEbers-Moll 模型 n混合模型 n频率上限(12.6 ) n大信号开关特性(12.7) n其他的双极晶体管结构(12.8) 12.1 双极晶体管的工
2、作原理 n双极晶体管(bipolar junction transistor) :由三个 掺杂不同的扩散区形成两个背对背pn结。三个 区对应晶体管的三个电极:发射极、基极、集电 极。因为器件中包括电子和空穴两种极性的载流 子运动,故称为双极器件。 n根据三个电极掺杂类型不同分为两类:npn型和 pnp型。 双极晶体管器件的一般特征: n器件结构为垂直结构 n双极晶体管在结构尺 寸上是不对称器件 n发射极掺杂浓度高, 基极掺杂浓度低(对 同质结),集电极掺 杂浓度最低。 n基极层故意做的很薄 nBC结面积往往远大于 BE结面积。 n双极器件基本工作原理:放大模式或正向有源 模式(forward
3、active) BE结正偏:电子从发射区由扩散注 入或发射到基区 BC结反偏:注入基区的少子电子由 于浓度梯度,会扩散到bc结界面, 然后被BC结电场抽取到集电极区形 成集电极电流IC 基极很薄,厚度小于少子电子的 扩散长度,少子被空穴复合的数 量较小,因而基区复合电流IBb较 小,由发射区注入的电子大部分 形成集电极电流IC IB IC IE n正向有源下的能带图及少子分布 n晶体管三个电极电流简化表述 n在正向有源工作状态,假定基区中少子电子为 理想化的线性分布,即不存在载流子复合: n则发射极扩散到BC结界面的少子电子形成集电极 电流iC: 简写为: 器件一端的电流由加到另外两端的电压控
4、制,这就是晶体管 的基本工作原理 n发射极电流: nBE结正偏,发射极注入到基区的电子流iE1(理想情 况下iE1=iC) nBE结正偏,基区注入发射区的空穴电流iE2,该电流 对iC无贡献,但表达式与iC类似: 集电极电流与发射极电流之比,即共基极放大倍数: 总发射极电流: n基极电流成分: nBE结正偏,基区注入发射区的空穴电流既是发射极电 流的一部分也是基极电流的一部分,即iE2 n在基区,注入的少子电子与基区多子空穴的复合电流 iBb。该电流也正比于 器件的非对称设计使iB较 小,则共发射极放大器倍 数大于1 总基极电流: n晶体管工作模式 n放大模式下晶体管各区少子分布 几何结构 少
5、子分布 n其他工作模式的少子分布: 截止模式: 发射结反偏 集电结反偏 特征:集电极电流很小,晶 体管可视为开关断路 饱和模式: 发射结正偏 集电结正偏 特征:集电极较小的电压变化可导 致很大的集电极电流,晶体管可视 为开关短路 反向有源模式:发射结反偏 集电结正偏 n特征:基本无放大作用 n此时集电极相当于发射电子,向基区注入,而后被发射极收集, 由于发射极面积小,收集电子的效率低,其电流放大倍数一般较 小。 n同时集电极掺杂浓度较基区浓度小,造成低的发射系数,晶体管 基本无放大倍数。 12.3 低频共基极电流增益 n双极器件工作于正向有源区的各电极电流成分的详细 分析及输运系数定义: Jn
6、E:x=0处基区少子扩散电流JnC:x=xB处基区少子扩散电流 JRB:基区少子与多子的复合电流JpE:x=0,处发射区少子空穴扩散电流 Jpc0:集电区的少子抽取电 流 JR:BE结空间电荷区中的 复合电流 JG:BC结空间电荷区中的产生电流 不同电流成分输运示意图: 直流共基极组态电流增益定义为: nNpn型双极器件的基本公式: 小信号共基极组态工作放大倍数或电流增益: 定义发射极注入效率系数: 定义载流子基区输运系数: 定义BE结复合系数: n若要求 共发射极组态工作直流放大倍数: 由KCL定律,各极电流关系: 并假定 对应则 因此为了达到一个可观的电流增益各个因子必须接近于1 n与器件
7、材料和尺寸参数相关的电流增益表达式 : 12.8 其他结构双极晶体管 n由pn异质结的扩散模型: 分析发射极注入效率系数: 电子扩散流: 空穴扩散流: n若将pn异质结用作npn双极器件的发射结,则其 发射极注入效率系数: n导致: n晶体管基区电阻变大。为了减小基区电阻,基区宽度 不能作的太薄。 n较大基区电阻或较厚的基区尺寸,都将导致无法提高 器件的高频特性(ft,fmax)。 n对同质结: 要保持较大增益,需要较大的发射极注入效率,应使发射区掺杂 Nd-E基区掺杂Na-B,即 n双极器件的ft,fmax表达式 n则即使基区掺杂较重,器件仍能保持较大的发射 极注入效率和较大的增益,基区重掺
8、杂导致: n晶体管基区电阻变小。基区宽度可以做的很薄(nm 量级)。 n在不降低器件增益的同时,器件具有优异的高频特性 (ft,fmax高)。 n对异质结:若要求: nHBT器件的特征: n发射极为宽禁带 n基极为窄禁带 n薄基区 n基区重掺杂 nAlGaAs/GaAs 异质结晶体管 举例: n使用简化公式对比SI,同质结BJT 与某GaAs HBT的电流 放大倍数。某种GaAs HBT的异质结为突变结,价带不连 续Ev=0.193eV n设两类器件的其他参数相同,如下:NE=2X1017cm-3, NB=3X1019cm-3,DnB=25cm2/S;DpE=2.5cm2/s, XE=2000
9、,XB=800 n对SI,bjt Ev=0eV,在所设设器件参数下: n对某GaAs HBT Ev=0.193eV,在所设设器件 参数下: n没有放大倍数 n放大倍数很大。 相同器件尺寸和掺杂参数下HBT器件具有更优异的性能 12.4 非理想效应 n共发射极组态输出特性曲线: 非理性因素-厄利(雷)电压效应 n前面的分析默认中性基区宽度XB恒定,实际上 基区宽度是BC结电压的函数,随BC结反偏电 压变大,BC结空间电荷区或耗尽区变宽,基区 宽度减小,基区少子浓度梯度增加,这种效应 称为基区调制效应或厄利(Early)效应 非理性因素-厄雷电压效应 n在电流电压输出特性曲线上可以观察到厄利(雷
10、)效应 n理想情况下,IC电流与VCE无关,仅与输入的VBE或IB 有关。 n存在厄雷效应时,IC随VCE增大而增大。 如何减小厄雷效应? n其他非理想因素 n大注入效应 n击穿电压: 穿通击穿现象,BVCEO,BVCBO n发射极禁带变窄效应 n自热效应 n。 nGP曲线:增益、理想因子、电流成分 n共发射极增益曲线:fT n自热效应:增益下降,增益坍塌现象 n击穿特性:BVCEO BVCBO (3-4) 双极晶体管的等效电路、频率及开关特性(12.5-7) n晶体管的等效电路: n双极晶体管的两类等效电路模型 晶体管的数学模型,用基本的电路元件等效出晶 体管的外部特性电流电压特性,以便于对
11、晶体管电路 特性进行手工计算和计算机仿真。 n大信号非线性模型:其数学模型直接使用半导体器 件理论推导得到的伏安特性关系。E-M模型、GP模 型等。 n小信号线性模型:其数学模型参数来自在直流偏置 点的微分。Hybrid-PI模型,T型模型等。 n大信号非线性E-M模型: 该模型的理论基础是 将BJT看做两个PN的组合特性。 n这个基本的EM模型包括了4个模型参数,分别为 : 放大模式下共基极电流增益 反向放大模式下共基极电流增益 BC结反向饱和电流 BE结反向饱和电流 n对大信号模型在直流偏置点上进行线性化处理, 可得到小信号线性等效电路模型,当晶体管工作 在共发射极组态时,可以得到小信号线
12、性HP模型 : 基极与发射极结小信号等效电路 集电极与发射极间小信号等效电路集电极与基极间小信号等效电路 完整的HP模型 n电容会导致晶体管的频率响应,晶体管的增益 是输入信号频率的函数。 晶体管的频率响应: n共基极组态截止频率 当晶体管工作在截止频率时,其增益下降 为低频值的 由小信号模型可以证明: 为载流子从发射极到达集电极的总的时间常数: EB结电容充电时间 基区渡越时间 BC 结耗尽区渡越时间 BC结电容充电时间 n共发射极组态截止频率 及特征频率 当 其中 当 称为 截止频率 称为特征频率,即共发 射极电流增益降为1的频 率 iB RBB iE iC rbi Cjc Cje RER
13、C XBXde p EmitterBase Collector 例题: n 根据简化的HP模型确定共发射极组态截止频率 低频时可不考虑电容,则: 所以: 高频时,考虑电容: 则: 所以当: 得 : 则: 开关特性 n当晶体管工作在开关状态时,晶体管工作在截 止模式,饱和模式。 延时时间,BE结由反偏到正偏势垒区充电变窄 上升时间,BE正偏,少子不断注入基区,少子梯度不断增大 BE正偏,驱动晶体管进入饱和,更多少子注入基区,而后稳定 存储时间。BE反偏,饱和态时注入的额外少子被抽取,在这个阶 段因少子梯度变化不大,电流不会大幅下降 下降时间。BE反偏,饱和态时注入的额外少子被抽取完,此后因 少子梯度变小,电流逐渐下降 为存储在饱和模式时正偏晶体管中的额外少子电荷,即少 数载流子,晶体管饱和越深这部分电荷越多,所需的存储 时间ts越长,晶体管的开关速度越慢。 小结 n基本工作原理 n结构特点:发射区,基区,集电区 n电极电流成分 n电流增益:发射极注入系数,基区输运系数,复合 系数 n四种工作模式及少子分布 n非理想效应 n基区宽度调制效应(厄雷效应) n大注入效应 n击穿特性 n频率特性 n等效电路模型 n频率上限 n大信号开关特性