《微电子学概论》-ch2_PN结双极晶体管

下一页上一页半导体器件物理基础——双极晶体管下一页上一页集成电路按其制造材料分为两大类：一类是Si（硅），另一类是GaAs（砷化镓）。目前用于ASIC设计的主体是硅材料。但是，在一些高速和超高速ASIC设计中采用了GaAs材料。用GaAs材料制成的集成电路，可以大大提高电路速度，但是由于目前GaAs工艺成品率较低等原因，所以未能大量采用。下一页上一页SiliconGaAsASICBipolarFETLogic……BipolarMOSECL/CMLTTLIILNMOSPMOSMNOSCMOSCMOS/SOSHSMOSMetalGateCMOSVMOS下一页上一页OUTLINEPNJunctionBipolarJunctionTransistor下一页上一页上一节课的主要内容•半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体•载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子•能带、导带、价带、禁带•掺杂、施主、受主•输运、漂移、扩散、产生、复合下一页上一页据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：金属－半导体接触(metal-semiconductorinterface)pn结(pnjunction)MOS结构(MOS:metal-oxide-semiconductor)异质结(heterojunctioninterface)超晶格半导体器件物理基础下一页上一页金属－半导体接触1874年开始，开创了半导体器件研究的先河整流接触(轻掺杂)：电流单方向流过（栅极）欧姆接触(重掺杂):电流双向通过，落在接触上的电压很小（漏极和源极金属半导体场效应晶体管MESFET）金属半导体下一页上一页p-n结由p型（带正电的载流子）与n型（带负电的载流子）半导体接触而成大部分半导体器件的基础结构，其理论是半导体物理的基础p-n-p双极型晶体管（1947年发明）P型半导体n型半导体下一页上一页异质结由两种不同材料的半导体接触形成的结（如砷化镓与砷化铝形成异质结）是高速器件与光电器件的关键构成要素半导体B半导体A下一页上一页MOS结构可以视为金属－氧化物界面和氧化物－半导体界面的结合用MOS结构作栅极，两个p-n结作漏极与源极，制作出金氧半场效应晶体管MOSFET金属半导体氧化物下一页上一页PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。•多子扩散•少子漂移下一页上一页P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。多子扩散少子漂移所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。下一页上一页1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴，N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动），增强少子的漂移运动。3.P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。注意:下一页上一页－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VVo平衡的PN结：没有外加偏压载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势下一页上一页平衡的PN结能带结构势垒下一页上一页－－－－++++REPN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。下一页上一页正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流100kTqVppnnnpnpeLDpLDnxjxjj电子：P区N区扩散扩散漂移漂移电子和空穴扩散电流相加下一页上一页PN结反向偏置－－－－内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE++++++++－－－－下一页上一页PN结的反向特性P区N区空穴：电子：N区P区扩散扩散漂移漂移100kTqVppnnnpnprReLDpLDnxjxjj反向电流反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散下一页上一页半导体二极管PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN下一页上一页PN结伏安特性单向导电性：正向偏置反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压反向击穿电压UI死区电压硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR下一页上一页击穿电压：PN结承受的反向偏压的上限雪崩击穿：空间电荷区电场很强，获得很大的能量，碰撞，电子激发，产生电子空穴对碰撞电离载流子倍增齐纳/隧道击穿：电场的存在使得能带弯曲，并决定了能带弯曲的陡度，电场越强，陡度越大，隧道宽度越小，穿透几率越大。PN结的击穿在杂质浓度特别大的PN结中才能发生齐纳击穿下一页上一页•隧道击穿取决于空间电荷区的最大电场，雪崩击穿不仅与电场有关，还与空间电荷区宽度有关。•光照的影响：不影响隧道击穿；影响雪崩击穿•温度的影响：隧道击穿电压负温度系数（温度增加，禁带宽度减小）；雪崩击穿电压正温度系数雪崩击穿VS.隧道击穿下一页上一页双极晶体管双极晶体管（BJT）的基本结构工作原理：电流输运特性基本特性直流特性频率特性双极晶体管的特点目前BJT的结构在高速电路，模拟电路，功率电路占主导地位，尤其在高速电路领域下一页上一页双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极下一页上一页双极晶体管的两种形式：NPN和PNPcbecbeBECNNP基极发射极收集极NPN型PNP收集极基极发射极BCEPNP型下一页上一页BECNNP基极发射极收集极基区：较薄，掺杂浓度低收集区：面积较大发射区：掺杂浓度较高下一页上一页BECNNP基极发射极收集极发射结收集结发射结的正向注入，收集结的反向抽取。下一页上一页双极晶体管双极晶体管（BJT）的基本结构工作原理：电流输运特性基本特性直流特性频率特性双极晶体管的特点目前BJT的结构下一页上一页BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到收集结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。电流放大原理工作基础非平衡少子扩散运动下一页上一页NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIIINPN晶体管的电流输运机制下一页上一页双极晶体管双极晶体管（BJT）的基本结构工作原理：电流输运特性基本特性直流特性频率特性双极晶体管的特点目前BJT的结构下一页上一页NPN晶体管的几种组态共基极共发射极共收集极共基极共发射极共收集极NNP晶体管的共收集极接法cbe下一页上一页晶体管的直流特性共基极的直流特性曲线共基极运用:无电流放大但收集极可接阻抗较大的负载：电压放大和功率放大1ecoII下一页上一页共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区bcoII共发射极电流放大系数下一页上一页双极晶体管双极晶体管（BJT）的基本结构工作原理：电流输运特性基本特性直流特性频率特性双极晶体管的特点目前BJT的结构5.BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路下一页上一页缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB下一页上一页双极晶体管双极晶体管（BJT）的基本结构工作原理：电流输运特性基本特性直流特性频率特性双极晶体管的特点目前BJT的结构下一页上一页当代BJT结构：多晶硅发射极双极晶体管特点：•深槽隔离：节省面积•多晶硅发射极•多晶硅基极接触（自对准〕：节省面积、降低电阻P+polySi掺杂多晶硅作扩散源形成发射极和外基区，多晶硅作发射区和基区接触下一页上一页小结：Bipolar：基区(Base)，基区宽度Wb发射区(Emitter)收集区(Collector)NPN，PNP共发射极特性曲线放大倍数、下一页上一页作业描述NPN晶体管的电流输运工作机理