第四章 双极型晶体管及相关器件

半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件1双极型晶体管及相关器件半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件2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半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件3双极型晶体管(bipolartransistor)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。早期是在锗上做的合金结。现在采用平面的扩散工艺。双极型晶体管的工作原理杂质分布三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结。浓度最高的n＋区域称为发射区(emitter，以E表示)；中间较窄的p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n型区域称为集电区(collector，用C表示)。半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件4晶体管的基本结构n+pnEBC发射区基区集电区p+npEBC发射区基区集电区ECBnpnECBpnp半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件50exp1nnpnqDqVJnLkT1exp0kTqVpLqDJnpppAninDpipsNLnqDNLnqDJ22n+pnEBCIeIcIbRERLVbeVcbn+pnEBCIeIcIbRERLVbeVcb半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件6放大条件：1、WbLnb2、发射结正偏3、集电结反偏n+pnEBCIeIcIbRERLVbeVcb电流放大原理半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件7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。双极型晶体管工作在放大模式发射区基区集电区PPnEWBWCWADNNxxECEFEVECEFEVE图4.3（a）所有端点接地的p-n-p晶体管（热平衡状态）（b）突变掺杂晶体管的掺杂浓度分布（c）电场分布（d）热平衡状态下的能带图双极型晶体管的工作原理半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件8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发射区基区集电区PPnEWBWCWADNNxxE输出BIEICIEBVBCV(a)0W(b)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx(d)图4.4双极型晶体管的工作原理半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件9电流传输电流放大原理peneeIIIcbonccIIIcbovbpebIIIIIneInccbeIII半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件10共基极电流放大系数电流放大原理0cbVecII11nccnenceneecIIIIIIII*T集电区倍增因子基区传输系数发射效率（注入比）nepepeneneeneIIIIIII111（当Ne/Nb1时）nevbnevbnenencTIIIIIII11（当WbLnb时）IeIbIcVbeVcbcbeIII半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件11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。电流增益发射区)(P基区)(n集电区)(PEICIBBIEnICnI}CPI}EPI}BI空穴电流和空穴流电子电流电子流图4.5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半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件12晶体管各端点的电流可由上述各个电流成分来表示发射区)(P基区)(n集电区)(PEICIBBIEnICnI}CPI}EPI}BI空穴电流和空穴流电子电流电子流图4.5晶体管中有一项重要的参数，称为共基电流增益，定义为,EnEpEIII,CnCpCIIICnCpEpEnCEBIIIIIII)(ECIIp0因此，得到ppnppnpp0ECEEEEECIIIIIIII＋＝＋＝双极型晶体管的工作原理半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件13发射区)(P基区)(n集电区)(PEICIBBIEnICnI}CPI}EPI}BI空穴电流和空穴流电子电流电子流图4.5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：npppEEEEEIIIII＋ppECTIIT＝0双极型晶体管的工作原理半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件14发射区)(P基区)(n集电区)(PEICIBBIEnICnI}CPI}EPI}BI空穴电流和空穴流电子电流电子流图4.5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都趋近于1，因此0也接近于1。集电极电流可用0表示，即CnECnETCnETCnCpCIIIIIIIII＋＝＋＋0ppCBOECIII＋0双极型晶体管的工作原理半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件15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9967.001.033npp＝＋＝＋＝EEEIII（b）基区输运系数为9967.0399.2ppECTII（c）共基电流增益为9934.09967.09967.00T＝（d）3.01mA,mA01.0m3npAIIIEEE＝＋AAAIIICCm991.2m001.0m99.2npC所以AmAmAIIIECCBO87.001.39934.0991.20双极型晶体管的工作原理半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件16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半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件17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τp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：发射区基区集电区PPnEWBWCWADNNxxE输出BIEICIEBVBCV(a)0W(b)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx(d)图4.4发射区基区集电区PPnEWBWCWADNNxxE输出BIEICIEBVBCV(a)0W(b)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx(d)图4.40022pnnnpτ－pp－dxpdD)(exp)(exp)(21ppnnLxCLxCpxp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pppDL)exp()0(0kTqVppEBnn和0）（Wpn决定。双极型晶体管的静态特性半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件18其中pn0是热平衡状态下基区中的少数载流子浓度，可由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)(exp)(exp)(21ppnnLxCLxCpxp)sinh()sinh(1)sinh()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（发射区基区集电区PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE图4.6放大模式下p-n-p晶体管中各区域得少数载流子分布双极型晶体管的静态特性半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件19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。WxpWxkTqVpxpEB－＝－）（1)0(1exp)(n0nn)sinh()sinh(1)sinh()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（发射区基区集电区PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE图4.6放大模式下p-n-p晶体管中各区域得少数载流子分布双极型晶体管的静态特性半导体材料与器件宁波大学双极型晶体管及相关器件20双极型晶体管及相关器件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：)exp()(nkTqVnxxEBEOEE0)exp()(nkTVqnxxCBCOCC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)(exp)(exp)(21EEppLxCLxCnxn得到EEEEBEOEOExxLxxkTqVnnx,exp1)exp()(n）（发射区基区集电区PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xn