《半导体器件原理课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体器件原理课件（134页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国科学技术大学物理系微电子专业第三章： 双极型晶体管3.1基本原理3.2IV特性3.3晶体管模型3.4频率特性3.5功率特性3.6开关特性3.7晶体管的设计3.8异质结晶体管HBT2024/8/281Semiconductor Devices中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/282Semiconductor Devices简介晶体管（晶体三极管，三极管）：Transistor双极型晶体管：BipolarJunctionTransistor双极型器件是由电子和空穴两种载流子都参与导电的半导体器件，因此称为双极型。从P-N结理论的讨论中已知电流输运是由电子和空穴两种载流子组成的，故由
2、P-N结组成的晶体管又称作双极晶体管。双极晶体管是最重要的半导体器件之一。1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/283Semiconductor DevicesThe ”Planar Process” developed by Fairchild in the late 50s shaped the basic structure of the BJT, even up to the present day. 双极型晶体管中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/284Semiconductor Devices3.1 3.1 晶体管的基本原
3、理晶体管的基本原理1、基本结构及其杂质分布、基本结构及其杂质分布基本结构基本结构 由两个P-N结共用一个基区组成的。在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电结。中间区域就叫基区，而另两个区与结相对应的被称作发射区和集电区。器件具有三个电极端子，分别称作发射极，基极和集电极。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/285Semiconductor Devices双极型晶体管类型n+pnp+np中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/286Semiconductor Devices晶体管工艺与杂质分布晶体管工艺与杂质分布(a)合金管杂质分布特点：三个区内杂质均匀分布，发射结、集电结为突变结
4、.(b)双扩散管杂质分布特点：基区为缓变杂质分布，发射区杂质分布也缓变。(c)全离子注入管杂质分布特点：三个区内杂质均匀分布，发射结、集电结为突变结中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/287Semiconductor Devices分类分类晶体管内部，载流子在基区的传输过程是决定晶体管的增益、频率特性等性能参数的重要指标。在基区宽度确定后，基区杂质分布是影响基区输运过程的关键因素，一般可以分为两大类：(a)均匀基区晶体管，传输机构以扩散为主，如合金管和全离子注入管。传输以扩散为主。(b)缓变基区晶体管。如各种扩散管。由于基区中存在自建电场，以漂移为主，中国科学技术大学物理系微电子专业
5、2024/8/288Semiconductor DevicesNPN晶体管共基极(a)、共发射极（b）和共集电极（c）的三种连接法(a)(b)(c)中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/289Semiconductor Devices2、晶体管的放大原理、晶体管的放大原理以均匀基区P-N-P晶体管为例分析其基本物理图象：内部载流子的运动。电压增益：功率增益：中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2810Semiconductor DevicesP-N-P均匀基区晶体管的物理结构、杂质分布、电场分布和平衡态能带图中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2811Semicon
6、ductor DevicesP-N-P均匀基区晶体管正常偏置条件下的物理结构、杂质分布、电场分布和能带图中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2812Semiconductor Devices3、晶体管端电流的组成、晶体管端电流的组成工作在放大状态下pnp晶体管的各个电流分量为：IEP：从发射区注入的空穴电流，IEN：从基区注入到发射区的电子电流，ICN：集电区基区结附近的热电子漂移到基区形成的电流，ICP：集电区基区结的空穴注入电流。IBRIEPICP，基区内电子与空穴电流的复合而必须补充的电子电流。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2813Semiconductor D
7、evicesPNP晶体管电流组成IE=IEp+IEnIC=ICp+ICnIB=IE-IC=IEn+(IEp-ICp)-ICn中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2814Semiconductor Devicesemitter current injected into the base base current injected into the emitter recombination in the base current region reverse biased current across the BCJ reverse biased current across the
8、 BCJ electron current from the emitterNPN晶体管电流组成中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2815Semiconductor Devices4、 晶体管的电流增益晶体管的电流增益直流共基极电流放大系数（或电流增益）的定义为其中，发射效率：基区传输因子中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2816Semiconductor Devices集电极电流表达式：下标CB: 表示C和B结的端电流O: 表示对应的第三端与第二端之间为开态中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2817Semiconductor Devices共发射极晶体管的
9、电流放大系数（电流增益）为电路应用中，晶体管的共射级组态最常用，即发射极作为公共端，基极和集电极为输入和输出端。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2818Semiconductor Devices共射级晶体管放大IBICIE中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2819Semiconductor Devices5、提高电流增益的一般原则提高电流增益的一般原则晶体管的电流传输作用是晶体管具有放大能力的基础，晶体管具有放大作用需要满足下列条件，内部：发射结与集电结要相距很近，即WBpn0时即阴影部分面积中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2832Semiconduct
10、or Devices理想晶体管的IV特性方程均匀基区P-N-P晶体管电流一电压方程：中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2833Semiconductor Devices中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2834Semiconductor Devices由基区内总的少子存贮电荷可得集电极电流的另一表达式：中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2835Semiconductor Devices讨论晶体管三个极的电流和基区内的少子分布有关，理想晶体管的基本关系式为：外加电压通过eqV/kT控制边界上的载流子浓度；发射极和集电极电流由边界处的少子浓度梯度给出，这两个电流
11、和基区存贮电荷成正比；P-N-P晶体管的发射效率基区传输因子中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2836Semiconductor Devices2、晶体管的工作状态、晶体管的工作状态 晶体管的工作状态取决于发射结、集电结上所加晶体管的工作状态取决于发射结、集电结上所加的电压极性。的电压极性。放大状态：VEB正偏，VCB反偏；饱和状态：VEB正偏，VCB正偏；截止状态：VEB反偏，VCB反偏；反转状态：VEB反偏，VCB正偏； 饱和状态时，晶体管处于小偏置电压、大输出电饱和状态时，晶体管处于小偏置电压、大输出电流情况，即导通状态。截止状态时，基区内无存流情况，即导通状态。截止状态时，
12、基区内无存贮电荷，集电极电流接近贮电荷，集电极电流接近0，即关断状态。反转，即关断状态。反转状态时，电流增益小于放大状态，因为集电极掺状态时，电流增益小于放大状态，因为集电极掺杂浓度比基极浓度要低，因此发射效率也较低。杂浓度比基极浓度要低，因此发射效率也较低。 中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2837Semiconductor Devices工作模式：VCBSaturationForward activeCutoffInverted activeVEBPNPNPNSaturationForward activeCutoffInverted activeVBCVBE放大反转饱和截止
13、正偏反偏正偏反偏正偏反偏反偏正偏E-BC-B状态中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2838Semiconductor Devices3、静态特性的修正、静态特性的修正（1）缓变基区晶体管）缓变基区晶体管热平衡下，中性基区内将存在一个自建电场来抵热平衡下，中性基区内将存在一个自建电场来抵消由于基区杂质浓度梯度分布而引起的扩散电流。消由于基区杂质浓度梯度分布而引起的扩散电流。在放大偏置状态下，所注入的少子不仅有扩散运在放大偏置状态下，所注入的少子不仅有扩散运动，还有由基区内建电场引起的漂移运动。动，还有由基区内建电场引起的漂移运动。内建电场的主要作用是减少注入少子渡越基区所内建电场的主
14、要作用是减少注入少子渡越基区所需的时间，从而改善晶体管的高频特性。需的时间，从而改善晶体管的高频特性。 还可以减小少子在基区的复合，从而改善基区的还可以减小少子在基区的复合，从而改善基区的传输因子。传输因子。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2839Semiconductor Devices基区内建电场的表达式基区中自建电场对电流的贡献，平衡时，基区内多子电流为零。即中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2840Semiconductor Devices双扩散管中，基区杂质分布一般满足高斯分布双扩散管中，基区杂质分布一般满足高斯分布或余误差分布，都可以近似为指数分布。即：或
15、余误差分布，都可以近似为指数分布。即： 其中，其中， 是由基区两边的杂质浓度比值决是由基区两边的杂质浓度比值决定的一个常数，称其为场因子定的一个常数，称其为场因子。基区内建电场的表达式为：式中负号表示自建电场方向与x方向相反。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2841Semiconductor Devices基区中少子分布与电场因子有密切关系，=0相当于均匀基区，越大，基区电场越强。基区中大部分区域的少子浓度梯度较小，只有在近集电结处少子浓度梯度才增大。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2842Semiconductor Devices推导缓变基区的少子分布和各区少子电
16、流时有两种方法：（1）求解包括漂移分量在内的少子连续性方程，得到少子分布和少子电流分布从而导出缓变基区晶体管的I-V方程，这种方法精确，但过程繁杂。（2）忽略少子在基区输运过程中的复合损失，认为基区少子电流近似为常数（WB0时，对给定的基极电流IB，集电极电流IC不依赖于VEC。但实际上，IC随VEC的增加而增加。这种集电极电流不饱和现象可以用厄尔利效应来解释。当VEC增加时，基区宽度W减小，导致0增加，故IC增大。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2854Semiconductor DevicesEarly effect: impact of VBC on WB注意:VBC 越负
17、，中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2855Semiconductor Devices利用共发射极输出特性曲线的切线来确定利用共发射极输出特性曲线的切线来确定VA:中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2856Semiconductor Devices（4）Kirk效应（基区展宽效应）效应（基区展宽效应）在大电流密度工作下的晶体管基区将会发生扩展，这一现象是柯克于1962年首先提出来的，所以也被称为柯克效应。由于现代大功率晶体管都是用扩散工艺制造，所以下面的讨论都是针对缓变基区晶体管的。在放大工作状态下，理想晶体管假定边界处的少子浓度为0，但实际上存在少子浓度。空穴浓度在中
18、性基区内被多子电子中和，但在耗尽区内将改变正负电荷层的浓度。若维持集电结偏压不变，则负电荷层减小，正电荷层宽度增加，整个耗尽区向衬底移动，中性基区趋于加宽。一定条件下，中性基区宽度超过扩散时形成的原始基区宽度，这种现象称为基区展宽效应（Kirk效应）中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2857Semiconductor Devices（5）产生复合电流和大注入效应（a）基区电导调制效应以PNP晶体管为例：由基区电中性要求，基区中多子与少子分布相同，即满足：dnB(x)/dx=dpB(x)/dx和nB(0)=nB0+pB(0）基区多子（电子）浓度可以用下式表示：考虑到基区大注入的少子对
19、多子分布带来的影响后，基区电导率为中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2858Semiconductor Devices若只考虑基区靠近发射结附近的电导率可近似为：对应电阻率为：式中的pB(0)/NB称为注入比。随着注入的加大，pB(0)不断加大，基区电导率B相应地不断上升，电阻率不断下降。这一现象被称为基区电导调制效应。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2859Semiconductor Devices（b）产生复合电流实际晶体管在反向偏压下，集电区基区内耗尽层存在产生电流，而发射区基区正偏，耗尽层内有复合电流。如果产生电流在ICBO中起支配作用，对突变的集电结，ICB
20、O随增加，对线性缓变的集电结，ICBO随增加，同时也增加。在小电流下，复合电流占支配作用，m2。IC是由注入基区的空穴扩散到集电区形成的空穴电流，不受发射区基区的复合电流影响。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2860Semiconductor Devices（c）大注入自建电场大注入自建电场大注入时，由于电子（多子）浓度梯度的存在，必定会向集电结方向扩散，集电结上加的是反向偏压，它阻止电子流向集电区，因此在集电结的基区侧有电子积累，由于扩散运动，在发射结的基区侧电子浓度将降低，从而在基区中产生由发射结指向集电结的电场B，这一自建电场称为大注入自建电场。它同时改变了基区少子分布。基
21、区电子和空穴的电流方程应为：中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2861Semiconductor Devices式中等号右边第一项为大注入引起的自建电场形成的漂移电流，第二项为浓度梯度引起的扩散电流。自建电场阻止多子（电子）的扩散，即InB=0式中，EB为基区本身掺杂分布形成的内建电场中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2862Semiconductor Devices（6）饱和电流和击穿电压（a）饱和电流当发射极开路时，集电极一基极结的反向电流定义为ICBO。当基极开路时，集电极-发射极结的反向电流定义为ICEO。通常，ICBOICEO，ICBO发射结短路时的电流IC。
22、中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2863Semiconductor Devices（b）击穿电压放大状态下，当VBC（共基极接法）或VEC（共射极接法）超过击穿电压临界值时，晶体管的集电极电流IC急剧增加，称为雪崩击穿。原因是集电结耗尽区内的电场太强而产生大量电子空穴（雪崩倍增）。共基极接法：定义发射极开路时集电极一基极击穿电压为BVCBO，对集电区掺杂远低于基区时：式中，EC是临界击穿电场，NC是集电区的掺杂浓度中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2864Semiconductor Devices共射极接法：定义基极开路时集电极一发射极的共射极接法：定义基极开路时集电
23、极一发射极的击穿电压为击穿电压为BVCEO，当外加电压较高以至集电结发生雪崩倍增效应，利用PN雪崩倍增因子的经验公式：可得：可得：对于Si，n26，且0较大，因此BVCEOBVCBO中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2865Semiconductor Devices（c）基区穿通随着集电结反向电压的增加，集电结势垒区向两边扩展，基区有效宽度WBeff减小。如果晶体管的基区掺杂浓度比集电区低，基区宽度WB又较小，则有可能在集电结发生雪崩击穿之前，WBeff减小到零，即发射区到集电区之间只有空间电荷区而无中性的基区，这种现象称为基区穿通。发生基区穿通时的集电极电压称穿通电压VPT，在V
24、PT下，集电极电流将迅速上升。显然，基区较薄的合金结晶体管容易出现基区穿通效应，或者发生在集电区掺杂浓度高于基区的晶体管中。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2866Semiconductor Devices假设基区、集电区均匀掺杂，根据势垒宽度的公式，有对于给定的基区宽度WB，只有当NB较大时才能防止基区穿通，使器件的电压只受集电结耗尽区的雪崩倍增作用限制。（NCNB时，容易发生基区穿通）中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2867Semiconductor Devices4、输入和输出特性曲线晶体管应用在电路中可以有三种连接方式。这三种连接方式中应用最广的是共发射极连
25、接，因为它具有大的电流增益和功率增益，电流增益定义为：而共基极连接具有更高些的截止频率。共集电极连接运用很少。故在此主要讨论共基极和共发射两种连接。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2868Semiconductor DevicesNPN晶体管(a)共基极、（b）共发射极和（c）共集电极三种连接法(a)(b)(c)中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2869Semiconductor DevicesNPN晶体管共基极输入输出特性输入特性：IE随VBE指数上升，与正向P-N结特性一致，随着VCB增加，IE随VBE而上升得更快，这是由于基区宽度WB随VCB增加而减小，从而导致
26、IE增大。输出特性：IE=0时IC=ICBO，即集电结反向饱和电流。IC按IE的规律随IE而增加，若IE一定，IC基本上不随VCB变化，在VCB下降到0以后IC才逐步下降到0，这是由于只有当集电结处于正偏状态后，才能阻止由发射区注入基区的空穴流向集电区。此时，晶体管进入饱和区。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2870Semiconductor DevicesNPN晶体管共基极接法输出特性曲线中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2871Semiconductor DevicesNPN晶体管共发射极输入输出特性输入特性：与正向P-N结特性一致，随着VCE增加，IB减小。这是
27、由于增加VCE会使WB减小，基区中的复合电流减小，从而使IB减小；至于VBE=0时，IB不为0，这是由于此时VCB0，集电结有ICBO流过，使IB=ICBO。输出特性：当IB=0时，流过晶体管的电流为ICEO，随着IB增加，IC以IB的规律上升；且随着VCE增加IC略上升，这是由于Early效应（WB减小而使增大）的结果；当VCE减小到一定值（对硅管来说，该值约为0.7V）而使集电结转为正偏后，IC迅速下降，此时，晶体管进入饱和区。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2872Semiconductor DevicesNPN晶体管共发射极接法输出特性曲线中国科学技术大学物理系微电子专业
28、2024/8/2873Semiconductor Devices晶体管输出特性分为三个区域：I为线性工作区，为饱和区，为截止区。I区工作的晶体管，发射结处于正偏，集电结处于反偏；区工作的晶体管，发射结和集电结均处于正偏；区工作的晶体管，发射结和集电结都为反偏。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2874Semiconductor Devices3.3 3.3 晶体管模型晶体管模型晶体管内部物理过程非常复杂，而在电路应晶体管内部物理过程非常复杂，而在电路应用中，只需要关心器件的端特性。如果用一用中，只需要关心器件的端特性。如果用一些基本的元件构造一个端网络，与晶体管的些基本的元件构造一
29、个端网络，与晶体管的端网络相同，称为晶体管的等效电路或模型。端网络相同，称为晶体管的等效电路或模型。因此在不同的应用场合可以有不同的模型。因此在不同的应用场合可以有不同的模型。从构造途径划分可以分为两类：从构造途径划分可以分为两类：(1)由器件物理分析给出，称为物理模型，其物理意义明确，反映了器件内部的物理过程；(2)从应用角度出发，将器件视为“黑匣子”，不管其内部发生的过程，仅根据器件的端特性来构造模型，称为电路模型，这类模型的参数也可以与晶体管的内部参数联系起来。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2875Semiconductor Devices多年来，在多年来，在SPICE之
30、类的电路模拟器中，概括双之类的电路模拟器中，概括双极型晶体管的电学特性模型主要有极型晶体管的电学特性模型主要有EM模型模型(J.J.Ebers-J.L.Moll)和和GP模型（模型（Gummel-Poon）。）。其中其中EM模型使器件的电学特性和器件的工艺参模型使器件的电学特性和器件的工艺参数相联系。数相联系。而而GP模型则是建立在器件电学特性和基区多子模型则是建立在器件电学特性和基区多子电荷相联系的基础之上的。电荷相联系的基础之上的。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2876Semiconductor Devices1 1物理模型物理模型为了模拟双极晶体管的特性，可以使用各种模拟
31、为了模拟双极晶体管的特性，可以使用各种模拟工具对电子、空穴分布、电场、电流等进行物理工具对电子、空穴分布、电场、电流等进行物理计算。一维模型在许多情况下有效，但是电流集计算。一维模型在许多情况下有效，但是电流集边效应、边缘泄漏特性、发射极周边电容等，从边效应、边缘泄漏特性、发射极周边电容等，从本质上讲要用两维或三维模型来分析。对于硅基本质上讲要用两维或三维模型来分析。对于硅基器件，通常用基于扩散漂移输运机制的计算公器件，通常用基于扩散漂移输运机制的计算公式就足够了，但在计算一些与尺寸有关的特性时式就足够了，但在计算一些与尺寸有关的特性时这些公式不再精确。对于这些公式不再精确。对于族族HBTHB
32、T，上述输运，上述输运机制的模拟精度会进一步受到影响。使用蒙特卡机制的模拟精度会进一步受到影响。使用蒙特卡罗模拟是比较精确的，但是需要大量的计算。因罗模拟是比较精确的，但是需要大量的计算。因而引入了流体动力学或能量平衡模拟，模拟的精而引入了流体动力学或能量平衡模拟，模拟的精度较差但计算较简单。度较差但计算较简单。 中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2877Semiconductor Devices埃伯斯莫尔模型（埃伯斯莫尔模型（EMEM模型）是模型）是19541954年由年由J.J.EbersJ.J.Ebers和和J.L.MollJ.L.Moll首先提出的，属于晶体管的物理模型，其
33、模型参首先提出的，属于晶体管的物理模型，其模型参数能较好反映物理本质且易于测量。基本思想是晶体管可数能较好反映物理本质且易于测量。基本思想是晶体管可以认为是基于正向的二极管和基于反向的二极管的叠加。以认为是基于正向的二极管和基于反向的二极管的叠加。IF0为正偏时二极管的饱和电流IR0为反偏时二极管的饱和电流中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2878Semiconductor Devices基本基本EM模型的等效电路模型的等效电路中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2879Semiconductor Devices基本的EM模型表达式中国科学技术大学物理系微电子专业2024
34、/8/2880Semiconductor Devices由此得到基本的EM模型：由上面两式可得，式中IEBO和ICBO分别为集电极开路时发射极饱和电流和发射极开路时的集电极饱和电流。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2881Semiconductor DevicesEbers-MollModel为了改善模型的精确度，在基本模型基础上加串联电阻和耗尽层电容的改进模型。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2882Semiconductor Devices还可以考虑在内部发射极和集电极两端之间加上额外的电流源来包括厄而利效应。还可以在基极引线上加上二极管以解释沿基极发射极结的两
35、维电流拥挤效应。总结：器件模型越精确，所需模型参数就越多，器件模型就越复杂。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2883Semiconductor Devices2 2电路级的模型电路级的模型GummelPoon模型(GP模型)的主要特点是把晶体管的电学特性（结电压、集电极电流等）和基区多子电荷联系在一起。其中QB0为热平衡时基区的多子电荷总量。QjE代表发射结正偏时其耗尽区宽度变化而使基区多子电荷增加的数量，QjC代表集电结正偏时其耗尽区宽度变化而使基区多子电荷增加的数量，QdEQdC代表基区中存储电荷的数量。具体的计算见课本半导体器件物理基础P83。中国科学技术大学物理系微电子专
36、业2024/8/2884Semiconductor DevicesGummel-PoonModel()中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2885Semiconductor DevicesGummelPoon模型的讨论不能很好描述电流集边效应。电流集边效应对硅双极晶体管是重要的问题，而对大多数HBT而言，因为HBT的基区掺杂通常较大，则可忽略。为了部分的考虑这些效应，SPICE模型提供一个表达式来描述基区电阻随正向电流的变化。不能很好描述电荷贮存效应和集电区在饱和时的电阻，特别是对于承受中等偏压、具有较厚和轻掺杂集电区的晶体管。当晶体管工作在VBC较低的情形下，集电区没有耗尽，串联电
37、阻显著增大。然而，如果VBC正偏且足够大时，注入到集电区的空穴使电阻减小。用电荷控制模型描述晶体管的瞬态行为，只能是一种近似。用电荷控制模型描述晶体管的瞬态行为，只能是一种近似。特别是，瞬态电荷的分布与由电荷控制模型得到的稳态分特别是，瞬态电荷的分布与由电荷控制模型得到的稳态分布是不同的，至少非静态电荷分布会导致输出电流相对于布是不同的，至少非静态电荷分布会导致输出电流相对于输入偏压在时间上有所延迟。通常将时间延迟因子纳入到输入偏压在时间上有所延迟。通常将时间延迟因子纳入到集电极电流源中，以用来校正已经包括在电荷控制模型中集电极电流源中，以用来校正已经包括在电荷控制模型中被称作延迟相位的延迟量
38、。被称作延迟相位的延迟量。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2886Semiconductor Devices为了精确描述晶体管的基区电阻和集电结电容，需要使用为了精确描述晶体管的基区电阻和集电结电容，需要使用分布电阻电容网络。为简化起见，分布电阻电容网络。为简化起见，GummelPoon模型模型只考虑了单一的基极电阻，器件的大部分电容必须通过该只考虑了单一的基极电阻，器件的大部分电容必须通过该电阻进行充电，而在更精确的模型中，基区被分成几部分，电阻进行充电，而在更精确的模型中，基区被分成几部分，分别定义了不同的串联电阻和相关的电容。分别定义了不同的串联电阻和相关的电容。双极晶体管
39、中的电流密度可能会很大，这样电流流过器件双极晶体管中的电流密度可能会很大，这样电流流过器件时会产生很可观的热量，由于晶体管的各种特性强烈依赖时会产生很可观的热量，由于晶体管的各种特性强烈依赖于温度的变化，自加热效应将对测量的特性产生影响。这于温度的变化，自加热效应将对测量的特性产生影响。这对于对于族器件尤为重要，因这种器件基区的电阻率高族器件尤为重要，因这种器件基区的电阻率高从而要求的发射区宽度也大。而且从而要求的发射区宽度也大。而且族材料的导热率族材料的导热率比硅低。为了计及自加热效应，可以考虑附加一个与晶体比硅低。为了计及自加热效应，可以考虑附加一个与晶体管有关的热电路。管有关的热电路。
40、考虑串联电阻等影响后，模型可以十分精确，但所需参数考虑串联电阻等影响后，模型可以十分精确，但所需参数多达多达25个。为了对特定电路进行分析，必须在精确度和模个。为了对特定电路进行分析，必须在精确度和模型复杂性之间进行折衷考虑。型复杂性之间进行折衷考虑。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2887Semiconductor Devices3.4 3.4 频率特性频率特性晶体管在实际应用中大都是用来放大交流讯号，特别是随着现代电子技术的发展，越来越多地被用于高频、超高频和微波领域，但当信号频率升高时，晶体管的放大特性要发生变化，如电流增益减小，相移增加等，这些变化的主要原因是势垒区电容及
41、扩散电容的充放电。1频率参数频率参数2晶体管的小信号等效电路晶体管的小信号等效电路3. 频率功率限制频率功率限制中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2888Semiconductor Devices（1）频率参数在低频工作时，电流增益不随频率变化。但工作在高频时，电流增益明显下降，且随着频率的增高,电流增益一直降下去，直到器件失去放大能力。为了描述增益随频率变化的限制，引入下列电流增益的频率特征参数。共基极截止频率f：定义为当电流增益随频率升高而下降到低频增益的1/倍时所对应的频率，即下降到1/0时频率。共发射极截止频率f：定义为下降到1/0时的频率。特征频率fT：定义为下降到1时（
42、0db）的频率。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2889Semiconductor Devices值得注意的是，ff以后，随频率升高而下降是有规律的：频率升高一倍，增益就下降一倍，即下降6db，其频率与增益的乘积保持为常数不变。fT就是增益一带宽乘积，fT也是描述晶体管能起电流放大作用的最高极限频率。晶体管频率响应的最重要限制是少子通过基晶体管频率响应的最重要限制是少子通过基区的渡越时间。区的渡越时间。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2890Semiconductor Devices基区渡越时间当基区少数载流子pB(x)以速度v(x)穿越基区，产生基区传输电流IpB
43、(x)=AqpB(x)v(x)时，v(x)为基区少子的有效速度，以PNP管为例，则空穴穿越基区的时间为在基区宽度WBLpB，近似认为基区传输电流为常数即IpB(x)IpE=-AJpE时，基区少子分布用均匀基区和线性近似代入可得中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2891Semiconductor Devices（2）晶体管的小信号等效电路晶体管是非线性器件，但对于小信号条件下的工作状态可以看作线性器件。因此，常用四端网络的等效电路来研究晶体管电学特性。随着运用频率的提高，晶体管的各种电容效应开始起支配作用，故必须考虑势垒电容CTe、CTc和发射结的扩散电容Cde的影响，也要考虑基极电
44、阻rb的作用，因为该电阻和电容组成的RC时间常数将会影响晶体管的高频性能。在高频时，由于rC1/CTc，故rc可以忽略。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2892Semiconductor Devices跨导gm：输入电导：输出电导：中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2893Semiconductor Devices较高频时输出端交流短路时高频小信号电路中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2894Semiconductor Devices高频时，考虑基区宽度调制效应时存在有限的输出电导中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2895Semiconduct
45、or Devices（3）频率功率限制高频功率增益：定义高频优值U为功率增益与频率平方的乘积：标志晶体管的放大能力，也称增益一带宽积。最高振荡频率：式中，rb为基极电阻，CTC为集电极总输出电容。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2896Semiconductor Devices提高晶体管特征频率fT的途径在一般的高频晶体管中，减小B是提高fT的主要因素：降低晶体管的基区宽度WB，提高基区电场因子。减小发射结面积以减小CTe。减小集电结的势垒宽度xjC，即降低集电区电阻率，但它又与提高击穿电压有矛盾。为此，必须根据不同要求作适当选择。减小集电极串联电阻rcs及集电结势垒电容CTc。
46、为此一是降低集电区电阻率和减小集电区厚度，以减小rcs（但这也与提高击穿电压的要求矛盾）；二是缩小结面积以降低CTc。 综合之，提高综合之，提高fT的主要途径是：减小基区宽度的主要途径是：减小基区宽度WB，减小结面积（发射结及集电结），适当降低集，减小结面积（发射结及集电结），适当降低集电区电阻率和厚度。电区电阻率和厚度。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2897Semiconductor Devices3.5 3.5 功率特性功率特性1最大集电极电流最大集电极电流IC为使晶体管电路的输出功率大，要求晶体管能输出较大的电流，但大电流工作的晶体管电流放大系数和截止频率都要下降，从而限
47、制了输出功率。因此，在讨论晶体管的功率特性时，我们先讨论晶体管的最大集电极电流。基区电导调制效应及有效基区扩展效应(Kirk效应）均会使晶体管特性变差，因此必须定义各自的最大电流限制。最大集电极电流密度取决于上述两种效应中最小的最大发射极电流。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2898Semiconductor Devices2功率晶体管的安全工作区功率晶体管的安全工作区(SOA)晶体管的最大耗散功率晶体管的输出功率，除受到电学参数限制外，还受到热学参数的限制，这是由于电流的热效应使晶体管消耗一定的功率，引起管芯发热，此热量通过半导体、管壳等途径散到管外，称为晶体管的耗散功率。晶体
48、管的最大耗散功率与热阻有如下关系：式中TjM为最高结温；TA为环境温度；RT是稳态热阻，与功率晶体管的结构、材料和各材料的厚度、面积和热导率等有关；中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/2899Semiconductor Devices晶体管结温有一定限制，温度过高将会引起P-N结的热击穿。通常规定：锗晶体管的最高结温定为85125，硅晶体管则定为150200。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28100Semiconductor Devices晶体管的二次击穿实践表明，当晶体管工作在最大耗散功率范围内时，仍有可能发生击穿而被烧毁。一般认为，这是由于晶体管的二次击穿所引起的
49、。当集电结反向偏压VCE逐渐增大到某一数值时，集电极电流IC急剧增加，这就是通常的雪崩击穿，称为一次击穿；继续增加集电结电压，使IC增大到某一临界值此VCE突然降低，而电流则继续增大，出现负阻效应，此称二次击穿。二次击穿的过程极短，通常为微秒量级，一旦发生二次击穿，如果没有保护措施，则晶体管很快就烧毁。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28101Semiconductor Devices安全工作区(SOA)是晶体管能安全工作的范围,它受四个参数限制:（1）集电极最大电流ICM。如果晶体管在脉冲状态工作，那么该电流可比直流时的ICM大1.53倍；（2）集电极最大耗散功率PCM。在直流
50、工作时它取决于稳态热阻RT，在脉冲工作时，则取决于瞬态热阻RTS。通常ICVCE-1；（3）二次击穿临界功耗PSB曲线由实验决定，电流与电压有如下关系：IV-n；n在1.54之间；（4）最大电压VCEM。在线性放大区，VCEM=VSUS。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28102Semiconductor Devices3.6 3.6 开关特性开关特性在叙述晶体管的三个工作区中已经注意到，如果晶体管工作在截止区，其输出阻抗很大，相当于电路“断开”；若晶体管工作在饱和区，则它的输出阻抗很小，相当于电路“接通”。这样使用的晶体管在电路中起着开关作用。晶体管由截止区转换到饱和区，或由饱
51、和区转换到截止区，可以通过加在其输入端的外界信号来实现，因此，转换速度极快。近代电子计算机中所用的开关电路，就是根据晶体管的这一特性来设计的，其开关速度达每秒几十万次到几百万次，甚至更高。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28103Semiconductor Devices中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28104Semiconductor Devices（1）关断和导通阻抗为了表征开关作用，考虑三个基本参量。关断阻抗，导通阻抗和开关时间。关断阻抗：导通阻抗：由上面两式可知，结的反向饱和电流IEBO、ICBO小时，关断阻抗很高。导通阻抗近似反比于IC，当IC很大时，导
52、通阻抗很小。通常，基区和集电区的欧姆电阻包含在总阻抗内，尤其对于导通阻抗。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28105Semiconductor Devices（2）开关时间开关时间的定义：晶体管从关态转变为开态的时间称为开启时间ton，由开态转变为关态的时间称为关断时间toff。由于在开关过程中集电极电流是交替变化的，电流开始上升或开始下降的时刻很难准确确定，工程上一般以最大值ICS的0.1或0.9倍进行测量，定义开关时间。延迟时间：从基极回路输入正脉冲信号起（t=0）到晶体管集电极电流升至0.1Ics为止，称为延迟时间td。上升时间：集电极电流由0.1Ics升至0.9Ics为止
53、，称为上升时间tr。存贮时间：基极信号变负开始到集电极电流下降到0.9ICS，称为存贮时间ts。下降时间：集电极电流从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间为下降时间tf。tontd+tr；tofftstf；tton+toff中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28106Semiconductor Devices利用电荷控制模型分析开关时间基区内存贮的总过剩少子电荷为（PNP管）：由连续性方程给出存贮电荷随时间的变化由此，可得电荷控制的基本方程：瞬态基极电流的作用中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28107Semiconductor Devices延迟时间：存贮时间：式
54、中，若t3p，则中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28108Semiconductor Devices分析导通时间取决于如何迅速把空穴（PNP管的基区少子）或电子（NPN管的基区少子）注入到基区。关断时间取决于如何通过复合使空穴迅速消失。开关晶体管的重要参数之一是少子寿命。对高速开关管，降低少子寿命的有效方法是在禁带中心附近引入有效产生复合中心，如掺金工艺。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28109Semiconductor Devices（3）开关过程1.截止状态2.延迟过程3.上升过程4.超量存贮即饱和状态5.超量储存电荷消失过程即存贮时间6.下降过程7.截止状态
55、中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28110Semiconductor Devices提高开关速度的措施提高晶体管的开关速度，必须从改善器件性能及电路工作条件着手，这里我们仅讨论提高开关速度对器件性能的要求。(1)提高晶体管的频率特性，要求：(a)减小结面积，使CTe及CTc减小;(b)减小基区宽度WB，一般说fT主要决定于WB，减小WB可大大提高fT。(2)在工艺上增加掺金工序，其原因是：(a)降低集电区少子寿命，可减少集电区中超量储存少子的数量，在储存时间内又可加速超量储存少子的消失，从而使ts减小；对NPN效果更好。(b)析出凝聚在位错、层错处的重金属铜、铁等，以改善反向特性
56、。(c)掺金后的缺点：一是使反向漏电流增加，还减小了电流放大增益；二是使集电区电阻率增加，这是因为金起一定的施主或受主作用。(3)减小集电区外延尽厚度WC，以减小超量储存的电荷。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28111Semiconductor Devices晶体管的主要设计指标：在通讯广播等设备上应用的N-P-N高频功率晶体管，甲类工作状态。其基本参数指标为：fT=1000MHz,输出功率P0=5W,功率增益Gp=5db,Vcc=28V,=40%3.7 3.7 晶体管的设计晶体管的设计中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28112Semiconductor Devi
57、ces设计指标分析细化到具体设计参数上1、集电极维持电压：甲类状态VSUS2VCC=56V2、最大集电极电流：ICM4P0/VCC=0.72A3、最大耗散功率：取晶体管的最大耗散功率PCM等于电源供给功率PD，中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28113Semiconductor Devices4、热阻：选取最高结温TjM=175C，环境温度Ta=25C,热阻5、高频优值和特征频率：在工作频率1000MHz下，高频优值需Gpf23.21018(Hz)2取fT=1500MHz,中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28114Semiconductor Devices总体设计方
58、案考虑1、工艺：外延平面双扩散工艺2、图形结构形式：对高频功率晶体管的设计应兼顾功率特性与频率特性两方面的要求。选用覆盖式结构，该结构的图形优值较大，且本设计中的频率要求较高中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28115Semiconductor Devices3、集电结的形状：在集电结面积一定的条件下，正方形具有最小的周界长度在集电结周界上发生低击穿的几率就小一些，有利于提高产品合格率。故低频大功率晶体管和高频小功率晶体管均为正方形。超高频功率晶体管所以高频功率晶体管集电结的形状设计就必须考虑周界长度问题，选取较长的矩形，这可能会牺牲一些合格率。4、封装形式：管壳封装面积缩小许多耗
59、散功率大了许多中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28116Semiconductor Devices纵向结构参数的设计1、外延层电阻率的选取:集电区外延层杂质浓度NC主要由集电结击穿电压V(BR)CBO决定对硅平面型N-P-N晶体管，取n=4,令hFE=10-15，则V(BR)CBO=102112V根据杂质浓度与击穿电压关系曲线查得NC51015cm-3,考虑到较高的外延杂质浓度可以降低集电极串联电阻，提高频率特性，故选取NC=41015cm-3中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28117Semiconductor Devices纵向结构参数的设计2、基区宽度:若采用扩
60、散工艺=21017cm-3DnB=11cm2/sWB=(0.560.62m)取WB=0.5m也是可行的中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28118Semiconductor Devices纵向结构参数的设计3、发射结和集电结结深：由于采用磷硼扩散工艺，需考虑emitter-pusheffect，若取xje/xjc=0.6,WB=1/3WB,而xjc=xje+WB-WBxje=WB=0.5m,xjc=0.83m(考虑pusheffect,xjc=0.83+0.5/3=1m)中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28119Semiconductor Devices纵向结构参数的
61、设计4、外延层厚度的选取考虑击穿条件下的集电结耗尽区宽度以及反扩散，Wepi=1314m中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28120Semiconductor Devices纵向结构参数的设计5、纵向结构设计参数汇总：基区宽度WBWB=0.5m淡基区硼扩散结深xjcXjc=0.83m浓基区硼扩散结深xjcxjc=2.5m外延层厚度WepiWepi=1314m淡基区表面杂质浓度NBONBO=31019cm-3淡基区硼扩薄层电阻150/方块浓基区表面杂质浓度NBO=3.51020cm-3浓基区硼扩薄层电阻5/方块发射区表面杂质浓度NEO=11021cm-3发射区磷扩薄层电阻20/方块内
62、基区薄层电阻3100/方块外延层杂质浓度NC=41015cm-3外延层电阻率C=1.2cm中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28121Semiconductor Devices横向结构参数的设计1、单元发射区的宽度、长度和个数的确定：=2.51017cm-3，DnB=11cm2/s，WB=0.5m：（基区电导调制）（基区扩展）JCM=Jcr(最大电流密度）中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28122Semiconductor Devices横向结构参数的设计发射极总周长可以把发射极条宽度选为2m，但工艺限制，确定为8m。生产实际中常取le=(48)Se=(3264)m,
63、这里取le=60m中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28123Semiconductor Devices横向结构参数的设计取90个，为使散热性能良好，把有源区面积确定为狭长的矩形。故把发射极单元在其长度方向上排列10列，在其宽度方向上排列9行。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28124Semiconductor Devices横向结构参数的设计2、发射极引线孔尺寸的确定：发射区条宽8m,最小套刻间距2m：引线孔宽度为4m3、浓、淡基区窗口尺寸的确定：由于发射区扩散较浅，故可以忽略其横向扩散，浓基区扩散深度2.5m,假定其横向扩散为纵向深度的一半，即1.25m,作为近似
64、估算，操作对位误差为0.75m,光刻版的误差及侧向腐蚀误差为1m：总的间距大于3m。所以取Seb=4m中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28125Semiconductor Devices中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28126Semiconductor Devices横向结构参数的设计4、铝金属电极尺寸的确定5、光刻版图形尺寸：最小光刻间距2mSe=8mle=60mn=90单元E引线孔宽度4m单元E引线孔长度46m单元淡基区宽度16m单元淡基区长度68m浓基区网格宽度Sb1=5m基极引线孔的宽度Sb2=10m淡基区轮廓792196m2浓基区轮廓794198m2LE
65、=1.2cm结面积AE=4.3210-4cm2基区结面积AB=AC=1.5710-3cm2中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28127Semiconductor Devices主要参数验算（略）中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28128Semiconductor Devices3.8 3.8 异质结晶体管异质结晶体管HBTHBTheterogenousbipolartransistor最重要的异质结材料是-V族化合物半导体，如GaAs及其三元化合物AlxGa1-xAs之类的固溶体，其中x可以从0变化到1。当x=0时为砷化镓，在300K下禁带宽度为1.42eV,晶格常数
66、为5.6533；当x=1时为砷化铝（AlAs），它的禁带宽度为2.17eV，晶格常数为5.6605。三元化合物AlxGa1-xAs的禁带宽度随x增加而增加，而晶格常数基本上保持不变。甚至在x=0和x=1时的极端情况下，晶格常数的失配也仅有0.1%。异质结双极晶体管器件用n-AlxGa1-xAs作发射区，p-GaAs作基区,n-GaAs作集电区。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28129Semiconductor Devices假定发射结是缓变异质结，该晶体管工作原理类似于通常的晶体管。在放大状态下，基极电流主要包括发射结耗尽层内的复合电流IER，基区内复合而必须补偿空穴损失的电流
67、IBR，基区向发射区注入的空穴电流IEp。集电极电流主要来自发射区注入并穿过基区的电流ICn，共发射极电流增益表达式为：这里，max表示注入比，也是晶体管受注入比限制时的最大电流增益。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28130Semiconductor Devices根据晶体管理论有其中，由此可得，其中，DnB是电子在基区的扩散系数，DpE、LpE是空穴在发射区的扩散系数和扩散长度，WB为基区宽度。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28131Semiconductor Devices异质结双极型晶体管有许多优点：（1）发射效率高。这是因为空穴（对于N-P-N晶体管的发
68、射区来说，空穴是少数载流子）从基区向发射区注入时，受到价带高势垒的阻碍；（2）基区电阻小。这是因为基区可以重掺杂而不损失发射效率；（3）可减小发射极电流集边效应。这是因为发射区一基区结上的电压降很小；（4）改善了频率响应。这是因为电流增益大，基区电阻小。此外，异质结双极晶体管可以采用某些高温性能好的材料。可使器件工作温度达300以上。利用外延技术可以制成各种各样的异质结双极晶体管。其中包括采用组分缓变的材料作基区的器件，例如用AlxGa1-xAs作基区，x值从发射结递减到集电结，以提供一个内建电场，减小基区渡越时间。也有采用双异质结结构的器件（宽禁带发射区和宽禁带集电区），以使发射结和集电结对
69、称，从而改善放大状态和反转状态下的电流增益，常见的有AlGaAs/GaAsHBT,InGaAs/InPHBT，Si/Si1-xGexHBT等。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28132Semiconductor Devices双极晶体管优点电子沿垂直方向流过器件。器件尺寸可精确控制，容易制造出电子渡越时间短、截止频率高的器件；导通电流流经整个发射区，单位芯片面积上的电流密度可以很大，实现大电流输出；集电极电流的载流子密度直接由输入电压控制，跨导可以很高；开启电压由pn结内建电场决定，而不依赖于器件尺寸和工艺的变化；输入电容一般用工作电流衡量，大小主要由扩散电容决定，因此适应驱动负
70、载能力强；在高压大电流电路中，由于电子和空穴的双注入，有可能获得轻掺杂集电区电阻的电导调制，使串联电阻小。中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28133Semiconductor Devices在DC工作下需要一定的输入基极电流；工作在饱和区时，基极电流增加，过剩电荷存贮，使开关速度变缓，难以用于逻辑电路；在电路中，阈值电压不能作为设计参数。目前只能制造具有正阈值电压的晶体管；目前通过先进的工艺技术能使器件的尺寸和寄生效应变的更小，异质结的使用在晶体管的设计中增加一个新的自由度，使器件更快。在BiCMOS技术中双极与FET相结合可获得超高输入阻抗并可实现在逻辑电路中的信号开关旁路晶体管。双极晶体管缺点中国科学技术大学物理系微电子专业2024/8/28134Principle of Semiconductor Devices总结与展望总结与展望双极晶体管具有高的fT和gm，主要应用在高速电路和大功率器件。速度过冲效应新材料NPN和PNP构成类CMOS电路与其它器件的集成：BiCMOS
