微电子器件(3-3)

3.3缓变基区晶体管的电流放大系数本节以NPN管为例，结电压为VBE与VBC。PN+N0xjcxjeNE(x)NB(x)NCx0xjcxje基区杂质分布的不均匀会在基区中产生一个内建电场E，使少子在基区内以漂移运动为主，所以缓变基区晶体管又称为漂移晶体管。本节求基区输运系数的思路BbnEQJ进而求出基区渡越时间bB1将E代入少子电流密度方程，求出JnE、nB(x)与QB令基区多子电流密度为零，解出基区内建电场E最后求出3.3.1基区内建电场的形成NB(x)NB(WB)NB(0)WB0x在实际的缓变基区晶体管中，的值为4~8。设基区杂质浓度分布为式中是表征基区内杂质变化程度的一个参数，当时为均匀基区；BBBexp)0()(WxNxN)()0(lnBBBWNNexp)0()(BBBNWN0因为，，所以内建电场对渡越基区的电子起加速作用，是加速场。令基区多子电流密度为零，BpppBd()()0dpxJqDqpxEx解得内建电场为0EBd0dNxpBpBd()1()dDpxEpxx小注入时，，上式成为)()()(BB0BxNxpxpnBnBd()1()dDpxpxxnBnBd()1()dDNxENxx将基区内建电场E代入电子电流密度方程，可得注入基区的少子形成的电流密度（参考方向为从右向左）为3.3.2基区少子电流密度与基区少子浓度分布BBBBnEnnBnnBddddddnnnNJqDqnEqDqDxxNxBBnEBnBB00ddWWJNxqDnN01exp)(BCB0BBkTqVnWnBBnEBnBBddddnNJNqDNnxxBBnddnNqDxnBBBBBB()()(0)(0)qDnWNWnNnBB(0)(0)qDnNBnBBnEB0(0)(0)dWqDnNJNx1exp)0()0(BEB2iBkTqVNnnB2niBEB0exp1dWqDnqVkTNx上式实际上也可用于均匀基区晶体管。对于均匀基区晶体管，NB为常数，这时2nBniBEnEBBB(0)exp1qDnqDnqVJWWNkT下面求基区少子浓度分布nB(x)。在前面的积分中将下限由0改为基区中任意位置x，得BnBBnEB()()dWxqDnxNxJNx由上式可解出nB(x)为BBnEBBnBnEBnBBBnEBn()()d()(0)expd()1exp1WxWxJnxNxxqDNxJxNxqDNxWxWJWqDBnBBnEB0(0)(0)dWqDnNJNxBnEBBn1exp1()xWJWnxqD对于均匀基区，nEBBB0nBBlim()1(0)1JWxxnxnqDWWBnEBBn1exp1()xWJWnxqD对于缓变基区晶体管，当较大时，上式可简化为3.3.3基区渡越时间与输运系数将Dn写为DB，上式可同时适用于PNP管和NPN管。对于均匀基区晶体管，B2Bb02limDW可见，内建电场的存在使少子的基区渡越时间大为减小。BB0BbnEnE()dWqnxxQJJ1122B2BbDW2Bn21e12WDBnEBBn1exp1()xWJWnxqD利用上面得到的基区渡越时间b，可得缓变基区晶体管的基区输运系数为1122112B2BBbLW3.3.4注入效率与电流放大系数pEnEnEpEpEEnEpEnEnEnE11111JIIIJIIIJIJ对于NPN晶体管，注入效率为B2niBEnEB0exp1dWqDnqVJkTNx上式中，已知22BEnEpB1ni2BEpnB1iexp1exp1qVJqRDnkTqVqkTRnkT口口BB1pB01dWRqNx口根据非均匀材料方块电阻表达式，缓变基区的方块电阻为于是JnE可表示为B2niBEnEB0exp1dWqDnqVJkTNx（3-43a）类似地，可得从基区注入发射区的空穴形成的电流密度为上式中，2BEnEnpB1iexp1qVJqkTRnkT口2BEpEnpEiexp1qVJqkTRnkT口EEnE01dWRqNx口（3-43a）（3-43b）pEEnEEnEB111JRIIJR口口于是可得缓变基区晶体管的注入效率以及缓变基区晶体管的电流放大系数2EB2BB1121EBBB1211112121112RWLRRWLR口口口口3.3.5小电流时电流放大系数的下降实测表明，与发射极电流IE有如下所示的关系小电流时下降的原因：当发射结正向电流很小时，发射结势垒区复合电流密度JrE的比例将增大，使注入效率下降。当电流很小时，相应的VBE也很小，这时很大，使γ减小，从而使下降。上式中，nErE1B口ErEpEnEnEEnE11JJRRJJJJJJ口当不忽略JrE时，注入效率为kTqVnLNxJJ2exp2BEiBEdnErEnErEJJ随着电流增大，减小，当但仍不应被忽略时，nErEJJ1nErEJJErEErEB1nEB1nE111RJRJRJRJ口口口当电流继续增大到与相比可以被忽略时，nErEJJEB11RR口口EB1RR口口当电流很大时，又会开始下降，这是由于大注入效应和基区扩展效应引起的。3.3.6发射区重掺杂的影响发射区重掺杂效应：当发射区掺杂浓度NE太高时，不但不能提高注入效率γ，反而会使其下降，从而使和β下降。原因：发射区禁带宽度变窄与发射区俄歇复合增强。1、发射区重掺杂效应对于室温下的硅，21sE2sG163kTNqqE12EG1822.5[meV]10NE(1)发射区禁带变窄GEVEVECECEGEGE发射区禁带变窄后，会使其本征载流子浓度ni变大，2GiBCV222GGGiECViBiBexpexpexpEnNNkTEEEnNNnnkTkT2BEnEpnB1iB2BEpEpnEiEexp1exp1qVJqkTRnkTqVJqkTRnkT口口2pEEEGiE2nEB1iBB1pEEGnEB1exp11expJRREnJRnRkTJREJRkT口口口口口口NE增大而下降，从而导致与β的下降。增大而先增大。但当NE超过(1~5)×1019cm-3后，γ反而随随着NE的增大，减小，增大，γ随NE1BE口口RRkTEGexpEGB11expRERkT口口(2)发射区俄歇复合增强EENELpEJ2、基区陷落效应当发射区的磷掺杂浓度很高时，会使发射区下方的集电结结面向下扩展，这个现象称为基区陷落效应。由于基区陷落效应，使得结深不易控制，难以将基区宽度做得很薄。为了避免基区陷落效应，目前微波晶体管的发射区掺杂多采用砷来代替磷。3.3.7异质结双极晶体管（HBT）式中，，当时，，则GEGBGEEEGBGEEE0GEkTERRRRGB1EB1Eexp11口口异口口同1expGkTE同异若选择不同的材料来制作发射区与基区，使两区具有不同的禁带宽度，则常见的HBT结构是用GaAs做基区，AlxGa1-xAs做发射区。另一种HBT结构是用SiGe做基区，Si做发射区。HBT能提高注入效率，使β得到几个数量级的提高。或者在不降低注入效率的情况下，大幅度提高基区掺杂浓度，从而降低基极电阻，并为进一步减薄基区宽度提供条件。在SiGeHBT中，可通过基区中半导体材料组分的不均匀分布，得到缓变的基区禁带宽度。与缓变的基区掺杂类似，缓变的基区禁带宽度也将在基区中产生一个对少子起加速作用的内建电场，降低少子的基区渡越时间。