半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第3章-双极型晶体管

第3章双极型晶体管3.1晶体管的结构与工作原理3.1.1晶体管的基本结构晶体管就有两种基本组合形式：P-N-P型或N-P-N型，它们的结构和符号如图所示，其符号中的箭头方向表示发射结电流的方向。（a）管芯结构（b）符号P-N-P型晶体管的结构和符号3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布1.合金晶体管PNP型合金管结构与杂质分布如图所示合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都是均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电结均是突变结。（a）管芯结构（b）杂质分布锗合金晶体管的结构与杂质分布3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布2.平面晶体管平面晶体管结构与杂质分布如图所示平面工艺最主要的特点是：利用SiO2稳定的化学性能，能耐高温，具有掩蔽杂质原子扩散和良好的绝缘性能，与光刻技术相配合，可进行选择扩散，这样使平面晶体管具有更为合理的电极形状，薄的基区，钝化的表面，因此在功率、噪声、稳定性、可靠性等方面达到一个较高的水平。（a）管芯结构（b）杂质分布图3-4硅平面晶体管的结构与杂质分布3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布3.外延平面晶体管在平面晶体管制造工艺的基础上又发展了一种外延平面晶体管。其结构与杂质分布如图所示由图可见，双扩散外延平面晶体管的基片电阻率很低，集电极串联电阻很小，使集电极饱和压降减小，晶体管可做得很小，基区宽度Wb很薄，从而使外延平面晶体管在频率特性、开关速度和功率等方面都有很大的提高与改善，因此，成为目前生产最主要的一种晶体管。（a）管芯结构（b）杂质分布硅外延平面管结构及杂质分布示意图3.1.3晶体管的工作原理晶体管最重要的作用是具有放大电信号的能力。为什么紧靠着的两个PN结具有放大作用？要晶体管具有放大作用首先要有适当的电路。晶体管放大电路原理3.1.3晶体管的放大功能基区厚度很大的NPN结构的电流流通与少子分布示意图3.1.4晶体管的放大功能表1给出了型号为3DG6晶体管（硅高频小功率管），在集电结UCC=6V条件下测量所得的实际数据。晶体管的电压放大系数为：晶体管的功率放大应等于它的电流放大系数与电压放大系数的乘积，表1晶体管各电极电流分配表发射极电流IE（mA)12345集电极电流IC（mA)0.981.962.943.924.90基极电流IB（mA)0.020.040.060.080.10rRUUKUL入出2LrRKP3.2晶体管的电流放大特性几点假设:发射结和集电结均为理想的突变结，且结面积相等（用A表示）；各区杂质为均匀分布，载流子仅做一维传输，不考虑表面的影响；外加电压全部降落在PN结势垒区，势垒区以外不存在电场；发射结和集电结势垒区宽度远小于少子扩散长度，且不存在载流子的产生与复合，因而通过势垒区的电流不变；发射区和集电区的宽度远大于少子扩散长度，而基区宽度远小于少子扩散长度；注入基区的少子浓度比基区多子浓度低得多，只讨论小注入情况。3.2.1晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输1.平衡晶体管的能带及载流子的浓度分布（a）结构（b）能带（c）载流子分布平衡晶体管能带与载流子浓度分布3.2.1晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输2.非平衡晶体管的能带及少数载流子的浓度分布（a）结构（b）能带（c）少子分布非平衡晶体管能带与少数载流子浓度分布3.2.1晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输3.载流子的输运过程（a）少子分布示意图（b）载流子输运过程示意图晶体管中载流子分布及其输运过程示意图3.2.1晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输3.载流子的输运过程（1）根据正向PN结特性，发射区注入基区靠发射结边界X2处的电子浓度为由基区注入发射区靠发射结边界X1处的空穴浓度为（2）根据反向PN结特性，集电结两边界X3和X4处的少子浓度分别为kTqUbbEenXn/02)(kTqUeeEepXp/01)(0)(/0/03kTqUbkTqUbbCCenenXn0)(/0/04kTqUckTqUccCCepepXp3.2.2晶体管内的电流传输与各端电流的形成1.晶体管内的电流传输NPN型晶体管电流传输示意图3.2.2晶体管内的电流传输与各端电流的形成2.晶体管各端电流的形成（1）发射极电流IE从上面的分析与讨论可知，发射极的正向电流IE是由两股电流组成的：IE=Ip(X1)+In(X2)（3-8）（2）基极电流IB基极电流IB是由三部分组成的：IB=Ip(X1)+IVB-ICBO（3-9）由于通常情况下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示为IB≈Ip(X1)+IVB（3-10）（3）集电极电流IC通过集电结和集电区的电流主要有两股组成：IC=In(X4)+ICBO（3-11）因为ICBO很小，（3-11）式可近似表示为IC=≈In(X4)（3-12）3.2.2晶体管内的电流传输与各端电流的形成2.晶体管各端电流的形成（4）晶体管三端电流之间的关系由上面的分析可以得出In(X2)=IVB+In(X3)=IVB+In(X4)（3-13）将（3-13）式代入（3-8）式，得IE=Ip(X1)+IVB+In(X4)（3-14）将（3-9）式与（3-11）式相加，可得IB+IC=Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO=Ip(X1)+IVB+In(X4)（3-15）将（3-15）式代入（3-14）式，得IE=IB+IC（3-16）3.2.3晶体管的直流电流方程式1.In(X2)的表达式In(X2)是注入基区的电子所形成的扩散电流，根据扩散电流公式有基区电子可近似看成线性分布基区少子分布示意图dxxdnAqDXIbnbn)()(23.2.3晶体管的直流电流方程式根据PN结理论，基区X2和X3处的电子浓度分别为基区电子分布函数为那么基区电子的扩散电流In(X2)则为可求出In(X2)近似为kTqUbbEenXn/02)(0)(3XnbkT/qUbbbEe)Wx(n)x(n10kTqUbbnbbnbnEeWnqDAdxxdnAqDXI/02)()(）（1)()(/02kTqUbbnbbnbnEeWnqDAdxxdnAqDXI3.2.3晶体管的直流电流方程式2.Ip(X1)表达式Ip(X1)是在发射结正偏情况下由基区注入发射区的空穴扩散电流。根据正向PN结特性，边界X1处的少子空穴浓度为空穴扩散电流为kTqUeX/0e1eEp)(p）（1Lp)(/pe0epe1pEkTqUeqDAXI3.2.3晶体管的直流电流方程式3.IVB表达式IVB是注入基区的电子与基区中的空穴复合而形成的复合电流。IVB=-q×单位时间内在基区中复合的电子数在只考虑体内复合的情况下nbVBqτI基区中积累的电子总数）（1nW21nxnAW21Eb0bb02bbkT/qUeA])([）（12nAW/nb0bbVBEkTqUeτqI3.2.3晶体管的直流电流方程式4.ICBO的表达式ICBO由电子漂移电流和空穴漂移电流IpCB两部分组成，即ICBO=InCB+IpCB若晶体管工作在放大区，且有时，）（1WnDACb0bnbnCBkT/qUeqI）（1LpDACpc0cpcpCBkT/qUeqI）（1]AA[/P0cpcb0bnbpCBnCBCBOCkTqUceLpqDWnqDIIIqTUCcLpqDWnqDIP0cpcb0bnbCBOAA3.2.3晶体管的直流电流方程式5.IE、IC、IB直流电流方程式因为IE由Ip(x1)和In(x2)组成，所以因为IC=In(x4)+ICBO=In(x2)-IVB+ICBO，所以因为IB=Ip(x1)+IVB-ICBO，所以）（1]AA[)()(/b0bnbpe0epe2n1pEEkTqUeWnqDLpqDXIXII）（）（1]AA[1]2AA[/P0cpcb0bnb/nb0bbb0bnbCCEkTqUckTqUeLpqDWnqDeτnWqWnqDI）（）（1AA12AA/Pc0cpcb0bnb/nb0bbpe0epeBCEkTqUkTqUeLpqDWnqDeτnWqLpqDI3.2.4晶体管的直流电流放大系数1.共基极直流电流放大系数在共基极电路中，基极作为输入和输出的公共端，共基极连接方式如下图所示。NPN型晶体管的共基极连接3.2.4晶体管的直流电流放大系数2.共发射极直流电流放大系数在共发射极电路中发射极作为输入和输出的公共端，其连接方式如图所示。NPN型晶体管的共发射极连接3.2.4晶体管的直流电流放大系数3.共集电极直流电流放大系数共集电极电流放大系数4.α0与β0的关系β0和α0的关系曲线10BBCBEβIIIII00CECBC01ααIIIIIβ3.2.5晶体管电流放大系数的定量分析1.均匀基区晶体管电流放大的中间参量（1）发射结的发射效率γ0对于NPN型晶体管，γ0定义为注入基区的电子电流与发射极总电流之比，即有（3-41）由于IE=In(X2)+Ip(X1)，利用nbo·pbo=neo·peo=ni2E2n0)(IXIγ)()(11)()()()(2n1p1p2n2nE2n0XIXIXIXIXIIXIγpeb0be0nbpe2n1p)()(LnWpDDXIXInbnbpepeμqTDμqTD，3.2.5晶体管电流放大系数的定量分析pebe0nbb0pe2n1pLWnp)(I)(IμμXXpebe0nbb0pe0LWnp11μμpebbe0LρWρ113.2.5晶体管电流放大系数的定量分析（2）基区输运系数β0*对于NPN晶体管，定义为到达集电结边界X3的电子电流In(X3)与注入基区的电子电流In(X2)之比，即有)(I)(I2n3n*0XX)(II1II)(I)(I)(I2nVB2nVB2n2n3n*0XXXXX）（）（1W2LDWA12WAb2nb0nb2bn0VBkT/qUbkT/qUbbbEEenqenqI）（1)(/02kTqUbbnbnEeWnqDAXI)(ILW212n2nb2bVBXI2nb2b0LW211*3.2.5晶体管电流放大系数的定量分析（3）晶体管直流电流放大系数与γ0和β0*的关系In(X3)=In(X4)≈IC11，或*00EE0*0E2n*0E3nEC0III)(II)(IIIXX)(*2nb2bpebbe000LW211LW112nb2bLW21pebbeLW2nb2bpebbe2nb2bpebbe02LWLW1LW211LW1))((000011100112nb2bpebbe002LWLW113.2.5晶体管电流放大系数的定量分析2.缓变基区晶体管电流放大的中间参量（1）基区自建电场在缓变基区晶体管中，基区掺杂浓度是不均匀的，因此基区存在着杂质浓度梯度。NPN平面晶体管净杂质浓度分布0E)(pqd)(dpqDJbbpbbpbpbxxx3.2.5晶体管电流放大系数的定量分析利用，，基区杂质分布xxxpxd)(dp)(p1D)(EbbpbbbqTDPbbPdx)x(dNdx)(dpBbxxxxxd)(dN)(N1qT)(EBBbbWxBBe0NxN)()(bbWqT)(Ex)W(N)0(NbBBnI3.2.5晶体管电流放大系数的定量分析（2）发射结的发射效率γ0（当WeLPe时）（当WeLPe时）pebbe0LW11ebbe0WW11be0RR113.2.5晶体管电流放大系数的定量分析（3）基区输运系数β0*（λ2）（4）缓变基区共基极直流电流放大系数α0（5）缓变基区共发射极直流电流放