半导体器件原理

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异质结晶体管HBT2019/10/71SemiconductorDevices中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/72SemiconductorDevices简介•晶体管（晶体三极管，三极管）：Transistor•双极型晶体管：BipolarJunctionTransistor•双极型器件是指电子和空穴两种载流子都参与导电的半导体器件•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2019/10/73SemiconductorDevicesThe”PlanarProcess”developedbyFairchildinthelate50sshapedthebasicstructureoftheBJT,evenuptothepresentday.双极型晶体管中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/74SemiconductorDevices§3.1晶体管的基本原理1、基本结构及其杂质分布•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2019/10/75SemiconductorDevices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2019/10/76SemiconductorDevices•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.(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2019/10/77SemiconductorDevices•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2019/10/78SemiconductorDevicesNPN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2019/10/79SemiconductorDevices2、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。0CECIIIECIIELECiVRRIIVVG0电压增益：ELECiPRRIIPPG20)(功率增益：中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/710SemiconductorDevicesP-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2019/10/711SemiconductorDevicesP-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2019/10/712SemiconductorDevices3、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。•IBR＝IEP－ICP，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2019/10/713SemiconductorDevicesPNP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2019/10/714SemiconductorDevicesemittercurrentinjectedintothebasebasecurrentinjectedintotheemitterrecombinationinthebasecurrentregionreversebiasedcurrentacrosstheBCJreversebiasedcurrentacrosstheBCJelectroncurrentfromtheemitterEBnIBEpIBERICBpICBnICnINPN晶体管电流组成中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/715SemiconductorDevices4、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EpCpEnEpEpEnEpCpECpIIIIIIIIII00EnEpEpEEpIIIIIEpCpTIIT0中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/716SemiconductorDevices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CBOECIII0中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/717SemiconductorDevices•共发射极晶体管的电流放大系数（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。BCnCpCpECpIIIIII0001中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/718SemiconductorDevices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2019/10/719SemiconductorDevices5、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WBLB。外部：发射结正偏，集电结反偏，这样才会有电流传输过程，即晶体管工作在有源放大区。•晶体管的作用是将发射极电流最大限度地传输到集电极。为提高α0，要尽可能减小输运过程中的损失。主要方法有：（1）减小基区向发射区的反向注入空穴电流（或电子电流）NPN管（或PNP管），即提高发射效率γ。（2）减小基区体内的复合电流IBB，即提高基区传输因子αT。中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/720SemiconductorDevices•提高电流增益的主要措施有：1.提高发射区掺杂浓度或杂质总量，增大正向注入电流，2.减小基区宽度，3.提高基区杂质分布梯度，4.提高基区载流子寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度。中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/721SemiconductorDevices§3.2IV特性1、均匀基区理想晶体管的电流为了简便起见，推导过程包含了如下基本假设：①发射区、基区和集电区的杂质分布均为均匀分布，且两结皆为突变结。②小注入条件满足。即注入到基区的少子浓度远低于该区多子浓度。③势垒区宽度远小于扩散长度，忽略耗尽区内的产生一复合作用，通过势垒区的电流为常数。④器件中不存在串联电阻，晶体管三个中性区的电导率均足够高，使得外加电压全部降落在势垒区中，势垒区以外无电场。⑤器件的一维性。使载流子只沿x方向作一维运动，忽略了表面复合等影响，且发射结和集电结两结面积相同且互相平行。⑥发射区宽度WE和集电区宽度WC都远大于少子扩散长度，在两端处的少子浓度等于平衡时值。中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/722SemiconductorDevices•由理想模型可以求解各区中的少子连续性方程，得出各区的少子浓度分布和电流密度分布。最后求出发射极电流IE，集电极电流IC与偏压VEB和VCB的函数关系。•根据基本物理模型，可以写出稳态下的一维的电流密度方程和连续性方程如下：02022pnnnLppxp02022npppLnnxnxnqDJnnxpqDJpp中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/723SemiconductorDevices•中性基区少子分布的表达式为)sinh()sinh()1()sinh()sinh()1()(000pBBpBkTqVBpBBpBBkTqVBBBLWLxepLWLxWeppxpBCEB•基区少子分布遵循双曲函数规律变化。它之所以不再是单个P-N结那样的简单指数分布函数，原因就在于离发射结很近的地方有集电结存在，从而改变了边界条件。中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/724SemiconductorDevices•对实际晶体管，基区宽度WB远小于少子扩散长度LpB，对上式中的双曲函数取一级近似：)1)(0()1()(0WxpWxepxpBBkTqVBBEB此时，基区少子分布可以近似为线性分布。中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/725SemiconductorDevices放大状态下的载流子分布示意图中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/726SemiconductorDevices•由此，基区连续性方程为基区少子浓度的边界条件kTqVBBBBCepWp0)(基区少子的分布02022pBBBLppxp)1)(0()1()(0WxpWxepxpBBkTqVBBEBkTqVBBEBepp0)0(中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/727SemiconductorDevices•通过发射结注入的空穴电流密度为•到达集电结的空穴电流密度为]csc)1()1[()(00pBBkTqVpBBkTqVpBBpBxnpEpLWheLWctheLpqDAdxxdpqADICBEB])1(csc)1[()(0pBBkTqVpBBkTqVpBBpBWxnpCpLWctheLWheLpqDAdxxdpqADICBEBB中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/728SemiconductorDevices•发射区连续性方程为02022nEEEELnndxnd发射区少子浓度的边界条件kTqVEEEEBenxn0)(0)(EnEEnLnnEEEBLxxkTqVEEEeennxn)(00)1()(发射区少子的分布通过发射结的电子电流密度为)1()(0kTqVnEEnExxnEnEBEEeLnqDxJJ中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/729SemiconductorDevices•类似地，集电区连续性方程为集电区少子浓度的边界条件kTqVCCCCBenxn0)(0)(CnCCnLn集电区少子的分布通过集电结的电子电流密度为02022nCCCCLnndxndnCCCBLxxkTqVCCCeennxn)(00)1()()1()(0kTqVnCCnCxxnCnCCBCeLnqDxJJ中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/730SemiconductorDevicesPNP管各区的少子分布图中国科学技术大学物理系微电子专业2019/10/731SemiconductorDevices基区过剩载流子存贮电荷•当pn(x)pn0时WnnBdxpxpqAQ00))((即阴影部分面积2)0(nBBpqAWQ