半导体器件物理-第三章

第三章双极结型晶体管第三章双极结型晶体管发展历史:1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-BellLab.(Bardeen、Shockley、Brattain)1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-BellLab.(Shockley)1951年制造出第一只锗结型晶体管-BellLab.(Shockley)1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（TI）1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学高鼎三）1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产3.1双极结型晶体管的结构晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频管和高频管，小功率管和大功率管，高反压管和开关管等等。但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为发射结和集电结的P-N结组成。两个P-N结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集电极，用符号E、B、C（e、b、c）表示。晶体管的基本形式可分为PNP型和NPN型两种。3.1双极结型晶体管的结构EECC发射区集电区基区NNp（a）CB发射区集电区基区ppN（c）BC（b）BE（d）BE图3-2（a）理想的一维NPN双极结晶体管，（b）图（a）的电路符号（c）理想的一维PNP双极结晶体管，（d）图（c）的电路符号合金管合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在N型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成PNP结构，如图所示。图中Wb为基区宽度，Xje和Xjc分别为发射结和集电结的结深。合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个P-N结都是突变结。合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到10微米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。平面管平面晶体管的发射区和基区是用杂质扩散的方法制造得到的，所以在平面管的三层结构即三个区域的杂质分布是不均匀的。其杂质分布可根据扩散工艺推算出来，如图所示。3.1双极结型晶体管的结构•芯片是通过以下步骤制造出来的1)衬底制备衬底为低阻N型硅，电阻率在左右，沿（111）面切成厚约的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。2)外延外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。3)一次氧化高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。4)光刻硼扩散窗口cm001.0m4003.1双极结型晶体管的结构5)硼扩散和二次氧化硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散，并起钝化作用。6)光刻磷扩散窗口7)磷扩散和三次氧化磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。8)光刻发射极和基极接触孔9)蒸发铝10)在铝上光刻出电极图形晶体管的基区杂质分布有两种形式：●均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管。均匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，故又称为扩散型晶体管。●基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。3.2基本工作原理3.2基本工作原理•双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令，，分别为基极对发射极和基极对集电极的电压。则四种工作模式是：EBBEEVVVVCBBCCVVVV（1）正向有源模式：0，0；（2）反向有源模式：0，0；（3）饱和模式：0，0；（4）截止模式：0，0。EVCVEVEVEVCVCVCV工作模式和少子分布(1)正向有源工作模式：0，0基区少子满足的边界条件为，(2)反向有源工作模式：0，0相应的边界条件为:,(3)饱和工作模式：0，0相应的边界条件为:,(4)截止工作模式:0，0相应的边界条件为:前面指出，双极晶体管有四种工作模式，取决于发射结和集电结的偏置状况。EVCVTEVVppenn000BpxnEVCV00pnTCVVpBpenxn0EVCVTEVVppenn00TCVVpBpenxn0EVCV00BppxnnNPN晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子。注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边扩散，边复合，最后形成一稳定分布，记作nB(x)。同样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，记作pE(x)。集电结反偏，集电结势垒区对载流子起抽取作用。当反向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到集电结势垒区XmC的电子，都被势垒区电场拉向集电区。因此，势垒区边界X3处少子浓度下降为零；同样，在集电区一边，凡是能够扩散到XmC的空穴，也被电场拉向基区，在X4处少子浓度也下降为零，其少子浓度分布为pC(x)。3.4爱拜耳斯-莫尔方程四种工作模式及相应的少子分布此外，0EEEpxpTEVVEEEePWP00CCpp0正向有源饱和截止反向有源图3-14晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布/()0CTVVCCCPxPe3.2基本工作原理共基极连接晶体管的放大作用晶体管共基极放大电路图3-6（a）NPN3.2基本工作原理共基极连接晶体管的放大作用BEqVBCqVEBC（b）图3-6（b）NPN晶体管共基极能带图当晶体管作为放大运用时发射结加正向偏压VE集电结加反向偏压VC3.2基本工作原理•电流分量3.2基本工作原理•电流分量是从发射区注入到基区中的电子流。是到达集电结的电子流。是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是从基区注入到发射区的空穴电流是发射结空间电荷区内的复合电流。是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流。nEInCInCnEIIpEIrgI0CI3.2基本工作原理•电流分量rgpEnEEIIII0CnCnErgpEBIIIIII0CnCCIII0BCEIII（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）3.2基本工作原理•电流增益为描述晶体管的增益特性引进以下物理量发射极注射效率（3-5）（3-7）基区输运因子共基极直流电流增益nEnEEnEpErgIIrIIIITnCTnEIIEccIII0（3-6）3.2基本工作原理•电流增益显然（3-8）（3-10）利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成考虑到集电结正反两种偏压条件的完全表达式为TrgpEnEnCIIII0CECIII（3-9）CI01CTVVCECIIIe减小基区体内复合电流是提高βT的有效途径，主要措施是减薄基区宽度WB，使基区宽度远小于少子在基区的扩散长度LnB，即WB远小于LnB。所以，在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度，从而得到合适的电流放大系数。若基区太宽，甚至比基区少子扩散长度大得多，则晶体管相当于两个背靠背的二极管。发射结相当于一只正向偏压二极管，集电结相当于一只反向偏压二极管，互不相干。这样，晶体管就失去放大电流、电压的能力。3.2基本工作原理式中定义共发射极接法0CBCCIIII0011CEBFECBCIIhIII1FEh100CCEII晶体管的放大作用晶体管在共射极运用时，IC=hFEIB。由于hFE远大于1，输入端电流IB的微小变化，将引起输出端电流IC较大的变化，因此具有放大电流的能力。在共基极运用时，IC=αIE。由于α接近于1，当输入端电流IE变化△IE时，引起输出端电流IC的变化量△IC小于等于△IE。所以起不到电流放大作用。但是可以进行电压和功率的放大。晶体管具有放大能力，必须具有下面条件（1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，即NE远大于NB，以保证发射效率γ≈1；（2）基区宽度WB远小于LnB，保证基区输运系数βT≈1；（3）发射结必须正偏，使re很小；集电结反偏，使rc很大，rc远大于re。晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管各电极电流与电压间的关系，反映晶体管内部所发生的物理过程，以及晶体管各直流参数的优劣。所以，在生产过程中常用特性曲线来判断晶体管的质量好坏。晶体管的接法不同，其特性曲线也各不相同。共基极输入特性曲线输出电压VCB一定时，输入电流与输入电压的关系曲线，即IE～VBE关系曲线。由于发射结正向偏置，所以，IE～VBE输入特性实际上就是正向P-N结的特性，因而IE随VBE指数增大。但它与单独P-N结间存在差别，这是由于集电结反向偏置VCB影响的结果。若VCB增大，则集电结的势垒变宽，势垒区向基区扩展，这样就使有效基区宽度随VCB增加而减小（这种现象称为基区宽变效应）。由于WB减小，使少子在基区的浓度梯度增加，从而引起发射区向基区注入的电子电流InE增加，因而发射极电流IE就增大。所以，输入特性曲线随VCB增大而左移。共射极输入特性曲线在输出电压VCE一定时，输入端电流IB与输入端电压VBE的关系曲线，即IB～VBE曲线。由于发射结正偏，如将输出端短路，VCE=0时，就相当于将发射结与集电结两个正向P-N结并联。所以，输入特性曲线与正向P-N结伏安特性相似。当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，IB也就减少。所以，特性曲线随VCE的增加而右移。而且，当VBE=0时，IpE和IVR都等于零，故IB=-ICBO。因而在VBE=0处，特性曲线下移至ICBO。共基极输出特性曲线输出端电流随输出电压变化的关系曲线，即IC～VCB关系曲线。当IE=0，即发射结不发射载流子时，输出电流IC=ICBO，这时的输出特性就是集电结的反向特性，即图中最靠近水平坐标而且基本上平行于坐标轴的曲线。当IE≠0时，随着IE的增加，IC按αIE的规律增大。若IE取不同的数值，就得到一组基本上互相平行的IC～VCB关系曲线，这就是共基极输出特性曲线。共射极输出特性曲线IC～VCE关系曲线当IB=0（基极开路）时，IC=ICEO。这是因为共射极电路的输出电压为VCE，这个电压虽然主要降落在集电结上，使集电结反偏，但也有一小部分电压降落在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当IB=0时，IE并不为零，这部分发射极电流输运到集电极上，使输出电流ICE0比ICB0大，这就是图中下面的第一条曲线。当IB≠0时，随着IB的增加，IC就按βIB的规律增加。IB取不同的数值，IB～VCE关系就得到一组曲线。3.3理想双极结型晶体管中的电流传输3.3理想双极结型晶体管中的电流传输•3.3.1电流传输理想晶体管的主要假设及其意义：（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2）结是理想的平面结，载流子作一维运动；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流子运动是一维的；（4）基区宽度远小于少子扩散长度；（5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；（6）发射结面积和集电结面积相等；（7）小注入，等等晶体管中载流子浓度分布及传输设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，分别用NE、NB、NC表示，且NE远大于NB大于NC。We发射区宽度Wb基区宽度Wc集电区宽度Xme发射结势垒宽度Xmc集电结势垒宽度3.3理想双极结型晶体管中的电流传输•3.3.1电流传输adNNxEW0BxCx图3-10各区均匀掺杂NPN晶体管的杂质分布Ex图3-10是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。3.3理想双极结型晶体管中的电流传输一、电流传输中性基区（0）少子电子分布及其电流：边界条件为：xBx0022npppnnndxndDTEVVppenn00TCVVpBpenxn0