半导体物理_第十章.

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1、 第十章 双极型晶体管 本章学习要点： 1. 了解双极型晶体管的基本工作原理，并建立其电流电压关系； 2. 分析并推导出双极型晶体管内部少数载流子的分布情况； 3. 分析决定双极型晶体管共基极电流增益的影响因子并推导出 其数学表达式； 4. 了解双极型晶体管中的几个非理想效应； 5. 建立双极型晶体管的小信号等效电路模型； 6. 掌握分析双极型晶体管频率限制因素的方法； 7. 掌握分析双极型晶体管大信号开关特性的方法。 双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），有时也简称为双极型晶 体管或双极晶体管，之所以称为双极型器件 ，是因为其工作过程中包含了电子和

2、空穴两 种载流子的运动. 双极型晶体管包含3个独立的掺杂区域（ NPN或PNP），由此构成两个靠得很近且二者 之间具有相互作用PN结，双极型晶体管的工 作原理与这两个PN结的特性密切相关。 10.1 双极型晶体管的基本工作原理 组成情况：三个掺杂区，两个PN结两种结构： NPN型BJT：两个N型区中间夹着一个薄的P型区； PNP型BJT：两个P型区中间夹着一个薄的N型区； BJT中通常发射区掺杂浓度最高(1019/cm3)，基 区次之(1017，1018)，而收集区的掺杂浓度（1015 ）则最低。 实际BJT的结构示意图 例1：传统双极型集成电路中的BJT结构 埋层：减小串联电阻；隔离：采用P

3、N结； 实际BJT的结构示意图 例2：先进的双层多晶硅BJT结构 埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质； 1. 基本的工作原理 NPN型BJT与PNP型BJT是完全互补的两种双极 型晶体管，将以NPN型器件为例来进行讨论分析 。理想情况下，一个均匀掺杂的NPN型BJT的掺 杂分布如下图所示： 正常工作时，BJT器件的发射结（E-B结）处于正向偏置 状态，而其收集结（B-C结）则处于反向偏置状态，这 种情况通常称为正向放大模式。 A. 发射结正偏，电子由N型发射区越过发射结空间电 荷区扩散进入基区，并在基区中形成非平衡过剩少子 电子的浓度分布，基区中少子电子的浓度分布是发射 结上外加正偏电压的

4、函数，发射区中的电子电流是流 过发射极电流的一个组成部分。 首先来讨论发生在正向放大模式BJT中的主要 物理过程： B. 收集结反偏，因此基区中靠近收集结边界处少子电 子的浓度为零。 C. 基区中的少子电子存在着比较大的浓度梯度 ，因此电子可以通过扩散流过基区，和正偏的PN 结二极管类似，少子电子在通过中性基区的过程 中也会与其中的多子空穴发生一定的复合。 D. 电子扩散通过基区之后，将进入反偏的收集 结空间电荷区中，收集结中的电场将把扩散过来 的电子拉向收集区，能够被拉向收集区的电子数 目取决于由发射区注入到基区中的电子数目。 E. 流入到收集区中的电子数量（构成收集极电 流）取决于发射结上

5、的偏置电压，此即双极型晶 体管的放大作用，即：BJT中流过一个端点的电 流取决于另外两个端点上的外加电压。 发生在正向放大模式BJT中的其它次要的物理过 程还有： F.基区中的少子电子将与基区中的多子空穴相复 合，因此基区中的多子空穴必须得到补充，这个 过程构成了基极空穴电流的一个组成部分 G. 由于发射结正偏，因此基区中的空穴也会越过发射 结空间电荷区向发射区扩散，但是由于基区掺杂浓度通 常远远低于发射区的掺杂浓度，因此空穴由基区扩散至 发射区所引起的空穴电流也将远远小于电子由发射区扩 散至基区所引起的电子电流，这个空穴电流也构成了基 极电流和发射极电流的一个组成部分。 H. 反偏的收集区中

6、也存在着一个反向漏电流，这个反 向漏电流通常很小。 BJT器件的一个主要工作目标就是要使得 由发射区注入到基区的电子能够尽量多地被 收集区收集到。为此，基区中少子电子与多 子空穴之间的复合应该尽可能地减少，基区 宽度也必须小于少子的扩散长度，从而使两 个PN结之间能够产生相互作用。 2. 工作模式 BJT器件可以有四种工作模式： （1）当发射结处于正偏，而收集结处于反偏 时，这也就是所谓的正向放大模式； （2）当发射结处于零偏或反偏，收集结也处 于反偏时，BJT器件发射区中的多数载流子电 子不会向基区中注入，因此器件发射极电流和 收集极电流均为零，此时称为截止模式； （3）随着发射结正 向偏置

7、电压的不断增 加，收集结由反偏变 为零偏甚至正偏，此 时BJT即进入饱和工 作模式。 发射结正偏，收集结 正偏。 BJT器件四种不同的工作模式所对应的PN结 偏置情况如下页图所示。 （4）当BJT器件的发射结处于反偏，而收集结处 于正偏时，则BJT处于反向放大模式。由于BJT器 件结构上的非对称性，其反向放大特性与正向放 大特性有很大差别。 BJT器件四种不同的工作模式及其对应的PN结 偏置条件示意图 10.2 少数载流子分布情况 我们主要感兴趣的是双极型晶体管的各个 电流表达式，和理想PN结情况类似，这些电流 都是BJT中各个区域少数载流子浓度分布的函 数，因此首先确定在不同工作模式下，双极

8、型 晶体管中稳态条件下各个不同区域的少数载流 子浓度分布。 1. 正向放大模式 考虑如下结构的一个均匀掺杂的BJT器件。 正向放大模式下BJT中各区少子浓度分布示意图 下图所示为工作在截止状态时BJT中不同区 域的少数载流子浓度分布。 由于发射结和收集结均处于反向偏置状态， 又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度， 因此在这两个结的空间电荷区边界处的少数载 流子浓度均为零。 下图所示为工作在截止状态时BJT中各区的 能带情况示意图。 下图所示为工作在饱和状态时BJT中不同区 域的少数载流子浓度分布。器件发射结和收集 结均处于正偏状态，但是发射结上的正偏电压 还是略高于收集结上的正偏电压，因此在

9、基区 内部仍然存在着过剩少子电子的浓度梯度，由 此形成BJT器件的收集极电流。 下图所示为工作在饱和状态时BJT器件中各 区的能带情况示意图 最后，我们再给出BJT处于反向放大状态时不 同区域的少数载流子浓度分布。由于器件发射结 处于反偏状态，而收集结处于正偏状态，电子由 收集区注入到基区，最后扩散到发射结附近并被 发射结电场拉向发射区，基区中的过剩少子电子 的浓度梯度也与正向放大状态正好相反。 下图所示为工作在反向放大模式时BJT器件 中各区的能带情况示意图，这也与正向放大模 式时BJT器件中各区的能带情况呈对称状态。 但是由于BJT中三个区域掺杂浓度的不同以 及几何结构上发射区与收集区的非

10、对称性，反 向放大模式下BJT的电流增益将大大下降。如下 图所示，由于发射极的面积远小于收集结的面 积，因此由收集区注入到基区的电子只有很少 一部分能够被发射区所收集。 2. 简化的晶体管电流关系 首先我们将通过简化的分析来获得NPN型BJT 中各个端点电流与端点电压之间的关系，从而 得到BJT基本放大作用原理的物理图像，然后我 们再给出详细的推导过程。 一个处于正向放大模式BJT器件内部各区域 中的少数载流子浓度分布如下页图所示。 由发射区注入过来的电子扩散通过基区，然后 被收集结空间电荷区中的电场拉向收集区，因此 BJT器件的收集极电流可表示为： 其中ABE为发射结面积，nB0为热平衡条件

11、下基 区中的电子浓度，电子沿着+x方向流动，因此电 流沿着-x方向，则有： 由上式可见，BJT器件的收集极电流受发射 结上外加电压的控制，即：BJT中流过一个端 点的电流取决于另外两个端点上的外加电压， 此即双极型晶体管的放大作用。理想情况下，由 发射区注入到基区的电子电流与收集极电流相等。 而由基区注入到发射区的空穴电流则为： 由此可见，BJT中收集极电流与发射极电流 之比为一个常数，即： 上式中称为BJT器件共基极电流增益，由 上述分析可知，iCiE，即1，由于iE2与晶 体管的放大作用无关，因此我们总是希望这个 电流成分越小越好，也就是希望BJT的共基极 电流增益尽可能接近1。 由上述分

12、析可见，发射极电流成分iE2实际上 也是基极电流的一个组成部分，基极电流的另 一个组成部分则是基区中的多子空穴与电子的 复合电流iBb，这二者都与exp(vBE/Vt)成正比， 因此BJT器件的收集极电流与基极电流之比也为 常数，即： 上式中称为BJT器件的共发射极电流增益 ，大约为100左右。 3. 双极型晶体管的放大作用 双极型晶体管的电流放大作用和电压放大作用 示意图 10.3 低频信号下的共基极电流增益 前面我们已经介绍过，BJT器件的基本工作 原理就是收集极电流受到发射结电压的控制作用 。而共基极电流增益也就是定义为BJT器件的收 集极电流与发射极电流之比。 1. 影响共基极电流增益

13、的因素 其中JnE为基区中x=0处由于少子电子的扩散所 引起的电流；JnC为基区中x=xB处由于少子电子的 扩散所引起的电流；JRB则为JnE与JnC之差，它是 由基区中过剩少子电子与多子空穴的复合所引起 的，必须由基极提供的空穴电流；JpE为发射区中 x=0处由于少子空穴的扩散所引起的电流；JR为 正偏发射结中的载流子复合电流；Jpc0为器件收 集区中x=0处由于少子空穴的扩散所引起的 电流；JG为反偏收集结中的载流子产生电流。 其中JRB、JpE和JR这三个电流仅仅流过发射 结，并没有流过收集结，而Jpc0和JG这两个电流 则仅仅流过收集结，并没有流过发射结。因此 这些电流成分对晶体管作用

14、或电流增益并没有 任何贡献。直流情况下BJT器件的共基极电流 增益定义为： 我们真正感兴趣的实际上是器件的收集极 电流如何随着发射极电流的改变而变化，即在 正弦小信号情况下，BJT器件的共基极电流增 益可定义为： 上述几个因子的定义对于PNP型BJT器件来 说，也是完全类似的，只是公式中的电子电流 和空穴电流要互相对调一下。在理想情况下我 们总是希望=1，但实际的总是小于1的。 2.影响电流增益因素的数学推导 发射极注入效率因子：考虑理想情况下的发射 极注入效率因子，则有： 利用已经求得的正向放大模式下BJT中各区的少 数载流子浓度分布，上述两个电流密度表示为： 另外，复合因子中通常还必须考虑

15、表面复 合效应的影响，如下图所示，当电子由发射区 注入到基区之后，由于基区表面复合效应的影 响，有一部分电子还将会向基区表面扩散。 3. 小结 以上对NPN型BJT器件的少数载流子浓度分布 以及电流增益做了分析，上述分析对PNP型BJT器 件也是完全适用的，只是电子和空穴的浓度必须 对调，同时外加电压的极性和电流的方向也必须 反转。对于共基极放大，BJT的直流电流增益为 ： 10.4 BJT中的几个非理想效应 在前面的讨论中，我们实际上假设了BJT 器件是均匀掺杂的、满足小注入条件、发射区 和基区宽度恒定、禁带宽度恒定、结电流密度 均匀且未进入击穿状态。若上述任意一条不满 足，则器件特性就会偏

16、离理想状态下的情况。 1. 基区宽度调制效应： 在前面的讨论中，我们一直默认为BJT器件 的中性基区宽度xB是恒定的，然而事实上xB是收 集结上反向偏置电压的函数，当收集结上反偏电 压增大，则其势垒区宽度增加，并向中性基区中 扩展，从而使中性基区宽度变窄，由此导致基区 中少数载流子浓度梯度的增大，最终引起扩散电 流的增加，这个效应通常称为基区宽度调制效应 ，或称为厄立（Early）效应。 随着收集结反偏电压的增加，收集结空间 电荷区展宽，并向基区中扩展，从而导致基区 宽度变窄、基区中少数载流子浓度梯度增加的 情况如下图所示。 厄立效应在BJT输出特性曲线上的反映如下 图所示。理想情况下器件收集极电流与收集结 上的反偏电压无关，即输出电导为零；然而由 于基区宽度调制效应，器件的输出电导不为零 ，输出特性曲线变斜，斜线交点处的电压值称 为厄立电压，通常在100-300V之间。 可见，考虑基区宽度调制效应之后，BJT器件的 收集极电流与收集结上的外加反向电压相关。 2. 大注入效应： 我们在前面用来求解少数载流子浓度分布 的双极输运方程是在小注入条件下得