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1、第三章第三章双极晶体管双极晶体管(2)z双极型器件：双极型器件：电子和空穴都参与导电过程的半导体器件电子和空穴都参与导电过程的半导体器件 双极型晶体管双极型晶体管 p-n-p 或或 n-p-n 异质结双极晶体管异质结双极晶体管 (HBT) 可控硅可控硅z单极型器件单极型器件基本上只有一种类型的载流子参与导电过程的半导体器件基本上只有一种类型的载流子参与导电过程的半导体器件 金属金属 -半导体接触半导体接触 结型场效应晶体管结型场效应晶体管 (JFET) 金属金属 -半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（ MESFET） 金属金属 -氧化物氧化物 -半导体二极管（半导体二极管（ MOS) 金属
2、金属 -氧化物氧化物 -半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（ MOSFET） 异质结场效应晶体管异质结场效应晶体管(3)z光电子器件光电子器件 LED 半导体激光器半导体激光器 光探测器光探测器 太阳能电池太阳能电池z 专用微波器件专用微波器件 隧道二级管隧道二级管 , IMPATT器件器件 , 体效应器件体效应器件(4) 静态特性静态特性 双极晶体管的应用双极晶体管的应用 异质结双极晶体管异质结双极晶体管 (HBT)本章主要内容本章主要内容-双极型晶体管双极型晶体管(5)一、静态特性一、静态特性 以硅以硅 p-n-p晶体管为例晶体管为例双极型双极型 p-n-p晶体管示意图和理想化的一维晶
3、体管晶体管示意图和理想化的一维晶体管正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置电流方向是放大状态电流方向是放大状态1.基本工作原理基本工作原理(6)处于热平衡状态处于热平衡状态的理想的理想 p-n-p晶体晶体管管有突变杂质分布的晶有突变杂质分布的晶体管掺杂曲线，阴影体管掺杂曲线，阴影表示耗尽区。表示耗尽区。电场分布。电场分布。热平衡时的能带图。热平衡时的能带图。(7)工作在放大状态下的晶体管工作在放大状态下的晶体管杂质分布和在偏置状态下的杂质分布和在偏置状态下的耗尽区。耗尽区。电场分布。电场分布。能带图。能带图。(8)发射区发射区-基区结：正向偏置基区结：正向偏置发射电流。发射电流。集电极：收集从附近的
4、结注入的载流子集电极：收集从附近的结注入的载流子。如果注入空穴的大多数没有与基区内的电子复合而能够达到集电区，如果注入空穴的大多数没有与基区内的电子复合而能够达到集电区，则集电区的空穴电流将基本等于发射极的空穴电流。则集电区的空穴电流将基本等于发射极的空穴电流。因此，从近处的发射结注入的载流子可以使得反向偏置的集电结有因此，从近处的发射结注入的载流子可以使得反向偏置的集电结有一个很大的电流一个很大的电流晶体管放大作用。晶体管放大作用。发射极：发射或注入载流子发射极：发射或注入载流子集电区集电区-基区结：反向偏置基区结：反向偏置很小的反向饱和电流。很小的反向饱和电流。基区足够窄，发射区注入的空穴
5、穿过基区，扩散到集电区基区足够窄，发射区注入的空穴穿过基区，扩散到集电区-基区结的基区结的耗尽层边缘，之后漂入集电区。耗尽层边缘，之后漂入集电区。(9)P-n-p晶体管晶体管n-p-n晶体管晶体管箭头表示在正常箭头表示在正常工作状态下电流工作状态下电流流动的方向。流动的方向。符号与术语符号与术语：(10)三种电路组态：共基极，共发射极，共集电极三种电路组态：共基极，共发射极，共集电极根据哪根引线为输入和输出电路所共有来区分。根据哪根引线为输入和输出电路所共有来区分。共集电极共集电极共基极共基极共发射极共发射极P-n-p晶体管的三种组态晶体管的三种组态(11)考虑考虑p-n-p晶体管，晶体管，接
6、成共基极组态的接成共基极组态的放大器的放大器的P-n-p晶晶体管示意图体管示意图有突变杂质分布的有突变杂质分布的晶体管掺杂剖面。晶体管掺杂剖面。正常工作状态下的能带图。正常工作状态下的能带图。几点近似几点近似: 均匀掺杂均匀掺杂, 理想突变结理想突变结,面积相等面积相等,忽略表面效应忽略表面效应.从最简单的情况着手考虑从最简单的情况着手考虑2。基本的电流基本的电流-电压关系电压关系(12)放大模式下各电流成分，电流方向。放大模式下各电流成分，电流方向。VEB0 VCB+= ,exp)()(BBBDL =发射区的电子分布发射区的电子分布: 集电区的电子分布集电区的电子分布: 基区内的空穴分布基区
7、内的空穴分布: 基区内空穴的基区内空穴的扩散长度扩散长度发射区和集电区的发射区和集电区的扩散长度扩散长度(16)BBBBLxBLWLxBLWBeLWshepWpeLWshepWppxp/)/(2)0()()/(2)0()()(+=讨论基区内的空穴分布讨论基区内的空穴分布: 若若W或或W/LB1, 基区很宽基区很宽BLxBeppxp/)0()(+=此时情况与此时情况与p-n结相同结相同,发射极和集电发射极和集电极电流分别由极电流分别由x=0和和x=W处的载流子处的载流子密度梯度决定密度梯度决定,两电流之间没有偶合两电流之间没有偶合,晶晶体管作用消失体管作用消失.若若W/LBBCII=静态静态(2
8、4)量来自发射极的总电流增增量来自发射极的空穴电流发射效率）=(增量来自发射极的空穴电流增量到达集电极的空穴电流基区输运因子）=(TP-n-p晶体管正常工作时晶体管正常工作时, VEB0, VCB0.995，电流增益几乎完全由发射效率给出。，电流增益几乎完全由发射效率给出。电流增益的表达式电流增益的表达式: (25)1T若=11000 FEhbEBEEBQNWNNWnp )1(基区掺基区掺杂浓度杂浓度Gummel数数5GHz全离子注入晶体管的共发全离子注入晶体管的共发射极电流增益与基区注入剂量射极电流增益与基区注入剂量倒数的关系倒数的关系.)coth(BBEEEBBLWLDnLDp=所以，对于
9、一定的所以，对于一定的NE，共发射极，共发射极电流增益反比于电流增益反比于Gummel数。数。(A) 共发射极电流增益与共发射极电流增益与Gummel数数(基区单位面积的杂质数基区单位面积的杂质数)的关系：的关系：W1。但随着但随着NE能隙变窄能隙变窄 + 俄歇效应俄歇效应hFE带隙减小带隙减小量与掺杂浓度的关系量与掺杂浓度的关系,室温下室温下,具有经验公式：具有经验公式：硅中能隙变窄效应，理论与实验比较。硅中能隙变窄效应，理论与实验比较。/)(exp2kTEENNnggVCiE=考虑能隙变窄效应后考虑能隙变窄效应后, 发射区本征发射区本征载流子浓度：载流子浓度：)/exp(2kTEngi=)
10、/exp(22kTENnNnngEiEiEE=)/exp( kTEnphgEBFE随着随着 Eg的增加，的增加， hFE减小。减小。发射区少子发射区少子: (29)俄歇俄歇效应效应：重掺杂的发射区中，由于施主浓度的提高，多子浓度增加，重掺杂的发射区中，由于施主浓度的提高，多子浓度增加，俄歇复合迅速增强，成为主要的复合过程，发射区少子寿命俄歇复合迅速增强，成为主要的复合过程，发射区少子寿命缩短，减少了发射区扩散长度。缩短，减少了发射区扩散长度。1)/(1+=BEBBEBELWthLLDDpn发射效率降低，电流增益降低。发射效率降低，电流增益降低。计算与实测的电流增益与集电极电流的关系。计算与实测
11、的电流增益与集电极电流的关系。仅考虑仅考虑SHR过程过程SHR过程和带隙变过程和带隙变窄效应窄效应SHR+带隙变窄带隙变窄+俄俄歇过程歇过程为精确预言电流增益，必须考虑带为精确预言电流增益，必须考虑带隙变窄和俄歇效应。隙变窄和俄歇效应。(30)(D)大电流对电流增益的影响大电流对电流增益的影响,Kirk效应效应(大注入的效应之一大注入的效应之一)：N-p-n晶体管及掺杂分布。晶体管及掺杂分布。大注入条件下高场区易大注入条件下高场区易位，位，AB。大注入使有效基区宽度增加大注入使有效基区宽度增加WB+WC。增加了有效基区增加了有效基区Gummel数数，使，使hFE降低降低。轻掺杂外延集电区的双极
12、轻掺杂外延集电区的双极晶体管晶体管.(31)(12/11CSCCSCCIBNqJNqJWW=)2(21CCBSCSqWVNqJ +数值计算得到的不同集电极电流密度下，数值计算得到的不同集电极电流密度下，电场分布与距离的关系，电场分布与距离的关系，|VCB|=2V。随着电流的增加，峰值电场随着电流的增加，峰值电场从从AB。电流感生基区宽度：电流感生基区宽度：Kirk效应发生的临界电效应发生的临界电流密度流密度(32)总结晶体管的基本关系：总结晶体管的基本关系：1）外电压通过）外电压通过exp(qV/kT) 项控制边界处的载流子浓度。项控制边界处的载流子浓度。2）发射极电流和集电极电流由结边界处，
13、即）发射极电流和集电极电流由结边界处，即x=0和和x=W处的少数处的少数载流子浓度梯度表示。载流子浓度梯度表示。3）基极电流是发射极电流和集电极电流之差。）基极电流是发射极电流和集电极电流之差。4。输出特性：输出特性：晶体管三端电流靠基区的少数载流子分布联系。晶体管三端电流靠基区的少数载流子分布联系。重要的是重要的是,基区少子分布在不同的偏置状态下各不相同基区少子分布在不同的偏置状态下各不相同,对应不同的对应不同的工作状态工作状态.(33)根据射基结和集基结偏压的不同，晶体管有四种工作模式。根据射基结和集基结偏压的不同，晶体管有四种工作模式。四种晶体管工作模式下的结极性与少数载流子分布。四种晶
14、体管工作模式下的结极性与少数载流子分布。放大模式：射基结正偏，放大模式：射基结正偏，集基结反偏。集基结反偏。饱和模式：两结正偏，饱和模式：两结正偏，处于导通状态。处于导通状态。截止模式：两结反偏，截止模式：两结反偏，可视为开关断路。可视为开关断路。反转模式：射基结反偏，反转模式：射基结反偏，集基结正偏。集基结正偏。(34)各种外电压下，各种外电压下，p-n-p晶体管基区的空穴密度。晶体管基区的空穴密度。正常极性，正常极性，VCB=常数，常数，VEB变化。变化。正常极性，正常极性，VEB=常数，常数，VCB变化。变化。为了讨论输出特性为了讨论输出特性,详细分析以上工作状态的基区少子分布特点详细分
15、析以上工作状态的基区少子分布特点(35)各种外电压下，各种外电压下，p-n-p晶体管基区的空穴密度。晶体管基区的空穴密度。饱和模式：两结正偏饱和模式：两结正偏. 截止模式：两结反偏截止模式：两结反偏 .电流为电流为ICO(ICBO)和和ICO(ICEO)的状态的状态(36)p-n-p晶体管的输出特性，共基极组态。晶体管的输出特性，共基极组态。饱和饱和即使即使VCB0，过剩载流子仍被集电，过剩载流子仍被集电极收集，集电极电流仍保持恒定极收集，集电极电流仍保持恒定。z 在放大区，在放大区， 1, IC=IE , IC与与VCB无关。无关。z 使使 集电极电流等于集电极电流等于 0，要加正压，要加正压 ,处在饱和模式下。处在饱和模式下。z发射极开路，得到发射极开路，得到 集电极集电极饱和电流饱和电流ICO ( I CBO)。z集基结雪集基结雪崩击穿或穿崩击穿或穿通效应通效应ICO远小于正常反向电流。远小于正常反向电流。放大放大(37)p-n-p晶体管的输出特性，共发射极组态。晶体管的输出特性，共发射极组态。z电流增益电流增益 hFE很大很大。z电流电流 IC随随VCE的增加的增加而增加而增加,不饱和。不饱
