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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
