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1、双极型晶体管及相关器件,现代半导体器件物理与工艺,Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices,本章内容,双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管的静态特性 双极型晶体管的频率响应与开关特性 异质结双极型晶体管 可控硅器件及相关功率器件,双极型晶体管(bipolar transistor)的结构,双极型晶体管是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p-n结所组成，其结构可为p-n-p或n-p-n的形式。,如图为一p-n-p双极型
2、晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区域，再在此n型区域上以热扩散形成一高浓度的p型区域，接着以金属覆盖p、n以及下方的p型区域形成欧姆接触。,双极型晶体管的工作原理,图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结。浓度最高的p区域称为发射区(emitter，以E表示)；中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区(collector，用C表示)。,图(b)为p-n-p双极型晶体管的电路符号，图中亦显示各电流
3、成分和电压极性，箭头和“十”、“一”符号分别表示晶体管在一般工作模式(即放大模式)下各电流的方向和电压的极性，该模式下，射基结为正向偏压(VEB0)，而集基结为反向偏压(VCB0)。,双极型晶体管的工作原理,图(a)是一热平衡状态下的理想p-n-p双极型晶体管，即其三端点接在一起，或者三端点都接地，阴影区域分别表示两个p-n结的耗尽区。图(b)显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射区的掺杂浓度远比集电区大，基区的浓度比发射区低，但高于集电区浓度。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分布情况。图(d)是晶体管的能带图，它只是将热平衡状态下的p-n结能带直接延伸，应用到两个相邻的耦合p-n结与n-p结。,
4、双极型晶体管工作在放大模式,双极型晶体管的工作原理,图(a)为工作在放大模式下的共基组态p-n-p型晶体管，即基极被输入与输出电路所共用，图(b)与图(c)表示偏压状态下电荷密度与电场强度分布的情形，与热平衡状态下比较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工作在放大模式下的能带图，射基结为正向偏压，因此空穴由p发射区注入基区，而电子由基区注入发射区。,双极型晶体管工作在放大模式,双极型晶体管的工作原理,在理想的二极管中，耗尽区将不会有产生-复合电流，所以由发射区到基区的空穴与由基区到发射区的电子组成了发射极电流。而集基结是处在反向偏压的状态，因此将有一反向饱和电流流过此
5、结。当基区宽度足够小时，由发射区注入基区的空穴便能够扩散通过基区而到达集基结的耗尽区边缘，并在集基偏压的作用下通过集电区。此种输运机制便是注射载流子的“发射极“以及收集邻近结注射过来的载流子的“集电极”名称的由来。,双极型晶体管的工作原理,如果大部分入射的空穴都没有与基区中的电子复合而到达集电极，则集电极的空穴电流将非常地接近发射极空穴电流。可见，由邻近的射基结注射过来的空穴可在反向偏压的集基结造成大电流，这就是晶体营的放大作用，而且只有当此两结彼此足够接近时才会发生，因此此两结被称为交互p-n结。相反地，如果此两p-n结距离太远，所有入射的空穴将在基区中与电子复合而无法到达集基区，并不会产生
6、晶体管的放大作用，此时p-n-p的结构就只是单纯两个背对背连接的p-n二极管。,双极型晶体管的工作原理,下图中显示出一理想的p-n-p晶体管在放大模式下的各电流成分。设耗尽区中无产生-复合电流，则由发射区注入的空穴将构成最大的电流成分。,电流增益,大部分的入射空穴将会到达集电极而形成Icp。基极的电流有三个，即IBB、IEn以及ICn。其中IBB代表由基极所供应、与入射空穴复合的电子电流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基区注入发射区的电子电流，是不希望有的电流成分；ICn代表集电结附近因热所产生、由集电区流往基区的电子电流。,双极型晶体管的工作原理,晶体管各端点的电流可由上述各 个电
7、流成分来表示,晶体管中有一项重要的参数，称为共基电流增益，定义为,因此，得到,双极型晶体管的工作原理,第二项称为基区输运系数，是到达集电极的空穴电流量与由发射极入射的空穴电流量的比，即,所以,上式等号右边第一项称为发射 效率，是入射空穴电流与总发 射极电流的比，即：,双极型晶体管的工作原理,其中ICn是发射极断路时(即IE=0)集基极间的电流，记为ICBO，前两个下标（CB）表示集、基极两端点，第三个下标（O）表示第三端点(发射极)断路，所以ICBO代表当发射极断路时，集基极之间的漏电流。共基组态下的集电极电流可表示为,对设计良好的晶体管，IEn远比IEp小，且ICp与IEp非常接近， T与都
8、趋近于1，因此0也接近于1。集电极电流可用0表示，即,双极型晶体管的工作原理,例1：已知在一理想晶体管中，各电流成分为：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。试求出下列各值：(a)发射效率；(b)基区输运系数T；(c)共基电流增益0；(d)ICBO。,解 （a）发射效率为,（b）基区输运系数为,（c）共基电流增益为,（d）,所以,双极型晶体管的工作原理,为推导出理想晶体管的电流、电压表示式，需作下列五点假设： （1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略； （3）载流子注入属于小注入； （4）耗尽区
9、中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。,假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦确定了少数载流子的分布(n区域中的空穴)，就可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。,各区域中的载流子分布,双极型晶体管的静态特性,图(c)显示结上的电场强度分布，在中性区域中的少数载流子分布可由无电场的稳态连续方程式表示：,其中Dp和p分别表示少数载流子的扩散系数和寿命。上式的一般解为,一、基区区域：,其中 为空穴的扩散长度，常数C1和C2可由放大模式下的 边界条件,和,决定。,双极型晶体管的静态特性,其中pn0是热平衡状态下基区中的少数载流子浓度，可
10、由pn0=ni2/NB决定，NB表示基区中均匀的施主浓度。第一个边界条件式表示在正向偏压的状态下，射基结的耗尽区边缘(x=0)的少数载流子浓度是热平衡状态下的值乘上exp(qVEB/kT)。第二个边界条件表示在反向偏压的状态下，集基结耗尽区边缘(x=W)的少数载流子浓度为零。,将边界条件代入,得,双极型晶体管的静态特性,当x1时，sinh(x)将会近似于x。所以当W/Lp1时，,可简化为,即：少数载流子分布趋近于一直线。此近似是合理的，因为在晶体管的设计中，基极区域的宽度远小于少数载流子的扩散长度。如图。可见，由线性少数载流子分布的合理假设，可简化电流-电压特性的推导过程。,双极型晶体管的静态
11、特性,和,发射区和集电区中的少数载流子分布可以用类似上述基区情况的方法求得。在图中，发射区与集电区中性区域的边界条件为,二、发射极和集电极区域 ：,其中nEO和nCO分别为发射区和集电区中热平衡状态下的电子浓度。设发射区和集电区的宽度分别远大于扩散长度LE和LC，将边界条件代入,得到,双极型晶体管的静态特性,只要知道少数载流子分布，即可计算出晶体管中的各项电流成分。在x=0处，由发射区注入基区的空穴电流IEp与少数载流子浓度分布的梯度成正比，因此当W/Lp1时，空穴电流IEp可以由式,放大模式下理想晶体管的电流 ：,同理，在tW处由集电极所收集到的空穴电流为,表示为,双极型晶体管的静态特性,当
12、W/Lp1时，IEp等于ICp。而IEn是由基区流向发射区的电子流形成的，ICn是由集电区流向基区的电子流形成的，分别为,其中DE和DC分别为电子在发射区和集电区中的扩散系数。,各端点的电流可由以上各方程式得出。发射极电流为IEp与IEn的和，即,其中,双极型晶体管的静态特性,集电极电流是ICp与ICn的和，即,可见12= 21。理想晶体管的基极电流是发射极电流IE与集电极电流IC的差，即,所以，晶体管三端点的电流主要是由基极中的少数载流子分布来决定，一旦获得了各电流成分，即可由,其中,得出共基电流增益,双极型晶体管的静态特性,例2：一个理想的p+-n-p晶体管，其发射区、基区和集电区的掺杂浓
13、度分别为1019cm-3、1017cm-3和51015cm-3，而寿命分别为10-8s、10-7s和10-6s，假设有效横截面面积A为0.05mm2，且射基结正向偏压在0.6V，试求晶体管的共基电流增益。其他晶体管的参数为DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。,解： 在基极区域中,在发射极区域中,双极型晶体管的静态特性,因为W/Lp=0.051，各电流成分为,共基电流增益0为,双极型晶体管的静态特性,在W/Lp1的情况下，由,可将发射效率简化为,和,或,其中NB=ni2/pn0是基区的掺杂浓度，NE=ni2/nEO是发射区的掺杂浓度。可见，欲改善，必须减少N
14、B/NE，也就是发射区的掺杂浓度必须远大于基区，这也是发射区用p重掺杂的原因。,双极型晶体管的静态特性,根据射基结与集基结上偏压的不同，双极型晶体管有四种工作模式。下图显示了一p-n-p晶体管的四种工作模式与VEB、VCB的关系，每一种工作模式的少数载流子分布也显示在图中。如在放大模式下，射基结是正向偏压，集基结是反向偏压。,在饱和模式下，晶体管中的两个结都是正向偏压，导致两个结的耗尽区中少数载流子分布并非为零，因此在x=W处的边界条件变为,工作模式,双极型晶体管的静态特性,在截止模式下，晶体管的两个结皆为反向偏压，边界条件变为pn(0)=pn(W)=0，截止模式下的晶体管可视为开关断路(或是
15、关闭)。,在反转模式下，射基结是反向偏压，集基结是正向偏压；在反转模式下晶体管的集电极用作发射极，而发射极用作集电极，相当于晶体管被倒过来用，但是在反转模式下的电流增益通常较放大模式小，这是因为集电区掺杂浓度较基区浓度小，造成低的“发射效率”所致。,在饱和模式下，极小的电压就产生了极大的输出电流，晶体管处于导通状态，类似于开关短路（亦即导通）的状态。,双极型晶体管的静态特性,上二式各结的偏压视晶体管的工作模式可为正或负。其中系数11、12、21和22可各由以下各式分别得出。,其他模式的电流、电压关系皆可以用类似放大模式下的步骤得出，但要适当地更改边界条件，各模式下电流的一般表示式可写为,双极型晶体管的静态特性,
