半导体物理与器件第十二章1.

半导体物理与器件陈延湖双极晶体管的基本器件结构特点双极晶体管的各电极电流成分及电流增益双极晶体管的非理想特性双极晶体管的混合π型等效电路及频率特性本章重点问题：第十二章双极晶体管本章主要内容：双极晶体管的工作原理(12.1)基本结构及工作原理晶体管的电极电流各区域少子分布(12.2)低频共基极电流增益（12.3）非理想效应(12.4)基区调制效应等效电路模型(12.5)Ebers-Moll模型混合π模型频率上限（12.6）大信号开关特性（12.7）其他的双极晶体管结构(12.8)12.1双极晶体管的工作原理双极晶体管（bipolarjunctiontransistor）：由三个掺杂不同的扩散区形成两个背对背pn结。三个区对应晶体管的三个电极：发射极、基极、集电极。因为器件中包括电子和空穴两种极性的载流子运动，故称为双极器件。根据三个电极掺杂类型不同分为两类：npn型和pnp型。双极晶体管器件的一般特征：器件结构为垂直结构双极晶体管在结构尺寸上是不对称器件发射极掺杂浓度高，基极掺杂浓度低（对同质结），集电极掺杂浓度最低。基极层故意做的很薄BC结面积往往远大于BE结面积。双极器件基本工作原理：放大模式或正向有源模式（forwardactive）BE结正偏:电子从发射区由扩散注入或发射到基区BC结反偏:注入基区的少子电子由于浓度梯度，会扩散到bc结界面，然后被BC结电场抽取到集电极区形成集电极电流IC基极很薄，厚度小于少子电子的扩散长度，少子被空穴复合的数量较小，因而基区复合电流IBb较小，由发射区注入的电子大部分形成集电极电流ICIBICIEEcbiii正向有源下的能带图及少子分布晶体管三个电极电流简化表述在正向有源工作状态，假定基区中少子电子为理想化的线性分布，即不存在载流子复合：)exp()0(0tBEBBVVnn0)(BBxn则发射极扩散到BC结界面的少子电子形成集电极电流iC：)exp(00)0()(0TBEBBBEnBBBEnBEnBEnCCVvnxAqDxnAqDdxxdnAqDAJi)exp(TBESCVvIi简写为：器件一端的电流由加到另外两端的电压控制，这就是晶体管的基本工作原理发射极电流：BE结正偏，发射极注入到基区的电子流iE1（理想情况下iE1=iC)BE结正偏，基区注入发射区的空穴电流iE2，该电流对iC无贡献，但表达式与iC类似：)exp(221TBESEECEEEVvIiiiii1SESECIIii集电极电流与发射极电流之比，即共基极放大倍数：2pexp()BEESTviIV总发射极电流：基极电流成分：BE结正偏，基区注入发射区的空穴电流既是发射极电流的一部分也是基极电流的一部分，即iE2在基区，注入的少子电子与基区多子空穴的复合电流iBb。该电流也正比于1Bcii)exp(TBEVv器件的非对称设计使iB较小，则共发射极放大器倍数大于1b2bexp()BEBBESTviiiIV总基极电流：晶体管工作模式放大模式下晶体管各区少子分布几何结构少子分布其他工作模式的少子分布：截止模式：发射结反偏集电结反偏特征：集电极电流很小，晶体管可视为开关断路饱和模式：发射结正偏集电结正偏特征：集电极较小的电压变化可导致很大的集电极电流，晶体管可视为开关短路反向有源模式：发射结反偏集电结正偏特征：基本无放大作用此时集电极相当于发射电子，向基区注入，而后被发射极收集，由于发射极面积小，收集电子的效率低，其电流放大倍数一般较小。同时集电极掺杂浓度较基区浓度小，造成低的发射系数，晶体管基本无放大倍数。12.3低频共基极电流增益双极器件工作于正向有源区的各电极电流成分的详细分析及输运系数定义：JnE：x=0处基区少子扩散电流JnC：x=xB处基区少子扩散电流JRB：基区少子与多子的复合电流JpE：x’=0,处发射区少子空穴扩散电流Jpc0：集电区的少子抽取电流JR：BE结空间电荷区中的复合电流JG：BC结空间电荷区中的产生电流不同电流成分输运示意图：RRBpEBJJJJRpEnEEJJJJ0pcGnCCJJJJ直流共基极组态电流增益定义为：RpEnEpcGnCJJJJJJ00Npn型双极器件的基本公式：小信号共基极组态工作放大倍数或电流增益：定义发射极注入效率系数：TpERnEpEnEnEnCpEnEnERpEnEnCJJJJJJJJJJJJJJpERnEpEnEJJJJJnCTnEJJpEnEnEJJJ定义载流子基区输运系数：定义BE结复合系数：若要求共发射极组态工作直流放大倍数：由KCL定律，各极电流关系：TTECCECBCJJJJJJJ111BCEJJJ10099.0并假定对应9967.0TT则因此为了达到一个可观的电流增益各个因子必须接近于1与器件材料和尺寸参数相关的电流增益表达式：12.8其他结构双极晶体管由pn异质结的扩散模型：分析发射极注入效率系数：电子扩散流：空穴扩散流：202()exp[]exp(1)pnbivppeDpeVEeVJLkTkT101()exp[]exp(1)npbiCnneDneVEeVJLkTkT若将pn异质结用作npn双极器件的发射结，则其发射极注入效率系数：1EpEnEpEnpnnJJJJJJJexp()gnEdEpEaBEJNJNkT导致：晶体管基区电阻变大。为了减小基区电阻，基区宽度不能作的太薄。较大基区电阻或较厚的基区尺寸，都将导致无法提高器件的高频特性（ft，fmax）。对同质结：0exp()1gnEdEdEpEaBaBEJNNJNkTN0gE要保持较大增益，需要较大的发射极注入效率，应使发射区掺杂Nd-E基区掺杂Na-B，即双极器件的ft，fmax表达式jcCEnBBjcjeCCRRvXDvXCCqIkTfsatdep2T2η21jcbCRff8Tmax则即使基区掺杂较重，器件仍能保持较大的发射极注入效率和较大的增益，基区重掺杂导致：晶体管基区电阻变小。基区宽度可以做的很薄（nm量级）。在不降低器件增益的同时，器件具有优异的高频特性（ft，fmax高）。对异质结：1)exp(012TkENNJJgBAEDEpEn0gE若要求：HBT器件的特征：发射极为宽禁带基极为窄禁带薄基区基区重掺杂AlGaAs/GaAs异质结晶体管举例：使用简化公式对比SI，同质结BJT与某GaAsHBT的电流放大倍数。某种GaAsHBT的异质结为突变结，价带不连续ΔEv=0.193eV设两类器件的其他参数相同，如下：NE=2X1017cm-3，NB=3X1019cm-3，DnB=25cm2/S;DpE=2.5cm2/s，XE=2000Å，XB=800Å)exp(kTENXDNXDvBBpEEEnB对SI,bjtΔEv=0eV,在所设器件参数下：17.0BBpEEEnBNXDNXD对某GaAsHBTΔEv=0.193eV，在所设器件参数下：301)exp(kTENXDNXDvBBpEEEnB没有放大倍数放大倍数很大。相同器件尺寸和掺杂参数下HBT器件具有更优异的性能12.4非理想效应共发射极组态输出特性曲线：非理性因素-厄利（雷）电压效应前面的分析默认中性基区宽度XB恒定，实际上基区宽度是BC结电压的函数，随BC结反偏电压变大，BC结空间电荷区或耗尽区变宽，基区宽度减小，基区少子浓度梯度增加，这种效应称为基区调制效应或厄利（Early）效应非理性因素-厄雷电压效应在电流电压输出特性曲线上可以观察到厄利（雷）效应理想情况下，IC电流与VCE无关，仅与输入的VBE或IB有关。存在厄雷效应时，IC随VCE增大而增大。如何减小厄雷效应？？？其他非理想因素大注入效应击穿电压:穿通击穿现象，BVCEO，BVCBO发射极禁带变窄效应自热效应。。。。GP曲线：增益、理想因子、电流成分共发射极增益曲线：fT自热效应：增益下降，增益坍塌现象0123450.000.020.040.060.080.10IIIIc/AVce/VCollapseloci击穿特性：BVCEOBVCBO两种材料结构BJT的击穿特性对比051015202530350.0200.0?400.0?600.0?800.0?1.0mBVCBOBVCEOCurrent/AVoltage/V051015202530350.0200.0?400.0?600.0?800.0?1.0mBVCBOBVCEOCurrent/AVoltage/V2cri02CCBOCCseNBVEXXCBOCEOnBVBV（3-4）202scritCBCEBVeN双极晶体管的等效电路、频率及开关特性（12.5-7）晶体管的等效电路：双极晶体管的两类等效电路模型晶体管的数学模型，用基本的电路元件等效出晶体管的外部特性电流电压特性，以便于对晶体管电路特性进行手工计算和计算机仿真。大信号非线性模型：其数学模型直接使用半导体器件理论推导得到的伏安特性关系。E-M模型、GP模型等。小信号线性模型：其数学模型参数来自在直流偏置点的微分。Hybrid-PI模型，T型模型等。大信号非线性E-M模型:该模型的理论基础是将BJT看做两个PN的组合特性。这个基本的EM模型包括了4个模型参数，分别为：CSIRF放大模式下共基极电流增益ESI反向放大模式下共基极电流增益BC结反向饱和电流BE结反向饱和电流对大信号模型在直流偏置点上进行线性化处理，可得到小信号线性等效电路模型，当晶体管工作在共发射极组态时，可以得到小信号线性HP模型：基极与发射极结小信号等效电路集电极与发射极间小信号等效电路集电极与基极间小信号等效电路完整的HP模型电容会导致晶体管的频率响应，晶体管的增益是输入信号频率的函数。晶体管的频率响应：共基极组态截止频率cdbeecffj102/1ececf21f当晶体管工作在截止频率时，其增益下降为低频值的由小信号模型可以证明：为载流子从发射极到达集电极的总的时间常数：EB结电容充电时间基区渡越时间BC结耗尽区渡越时间BC结电容充电时间bcde共发射极组态截止频率及特征频率TffecTff21Tffj0011当0Tfff其中当Tff1fTf称为截止频率称为特征频率，即共发射极电流增益降为1的频率02iBRBBiEiCrbiCjcCjeRERCXBXdepEmitterBaseCollector例题：根据简化的HP模型确定共发射极组态截止频率BEbVIr低频时可不考虑电容，则：cmbIgrI所以：0cmbIgrI高频时，考虑电容：1BEbrVIjrC01cmbebIgVIjrC则：1/2ffrC01cbIIjrC所以当：020/2TmffgC得：则：开关特性当晶体管工作在开关状态时，晶体管工作在截止模式，饱和模式。rtttt21dttt0132ttt延时时间，BE结由反偏到正偏势垒区充电变窄上升时间，BE正偏，少子不断注入基区，少子梯度不断增大BE正偏，驱动晶体管进入饱和，更多少子注入基区，而后稳定stttt43ftttt54存储时间。BE反偏，饱和态时注入的额外少子被抽取，在这个阶段因少子梯度变化不大，电流不会大幅下降下降时间。BE反偏，饱和态时注入的额外少子被抽取完，此后因少子梯度变小，电流逐渐下降CQBXQCQBXQ为存储