半导体器件物理ppt

现代半导体器件物理天津工业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现代半导体器件物理PhysicsofModernSemiconductorDevices2004,7,30现代半导体器件物理天津工业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现代半导体器件物理天津工业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。如图为一p-n-p双极型晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区域，再在此n型区域上以热扩散形成一高浓度的p＋型区域，接着以金属覆盖p＋、n以及下方的p型区域形成欧姆接触。双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件4图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结。浓度最高的p＋区域称为发射区(emitter，以E表示)；中间较窄的n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p型区域称为集电区(collector，用C表示)。图(b)为p-n-p双极型晶体管的电路符号，图中亦显示各电流成分和电压极性，箭头和“十”、“一”符号分别表示晶体管在一般工作模式(即放大模式)下各电流的方向和电压的极性，该模式下，射基结为正向偏压(VEB＞0)，而集基结为反向偏压(VCB＜0)。发射区PE集电区P基区nBC+++---ECVEBVCBV(a)理想一维p-n-p双级型集体管发射区PE集电区P基区nBC+++-CEVBEVBCV(c)理想一维n-p-n双级型集体管ECV+-B-+E+-CEBVBCVEICIBI(b)p-n-p双级型集体管的电路符号CEV+-B-+E+-CBEVCBVEICIBI(d)n-p-n双级型集体管的电路符号图4.2发射区PE集电区P基区nBC+++---ECVEBVCBV(a)理想一维p-n-p双级型集体管发射区PE集电区P基区nBC+++-CEVBEVBCV(c)理想一维n-p-n双级型集体管ECV+-B-+E+-CEBVBCVEICIBI(b)p-n-p双级型集体管的电路符号CEV+-B-+E+-CBEVCBVEICIBI(d)n-p-n双级型集体管的电路符号图4.2双极型晶体管的工作原理+-现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件5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。各区域中EF保持水平。双极型晶体管(pnp型)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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件6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)表示偏压状态下空间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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件7在理想的二极管中，耗尽区将不会有产生-复合电流，所以由发射区到基区的空穴与由基区到发射区的电子组成了发射极电流。而集基结是处在反向偏压的状态，因此将有一反向饱和电流流过此结。当基区宽度足够小时，由发射区注入基区的空穴便能够扩散通过基区而到达集基结的耗尽区边缘，并在集基偏压的作用下通过集电区。此种输运机制便是注射载流子的“发射极“以及收集邻近结注射过来的载流子的“集电极”名称的由来。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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件8如果大部分入射的空穴都没有与基区中的电子复合而到达集电极，则集电极的空穴电流将非常地接近发射极空穴电流：IEp≈ICp。可见，由邻近的射基结注射过来的空穴可在反向偏压的集基结造成大电流，这就是晶体管的放大作用，而且只有当此两结彼此足够接近时(基区宽度足够窄)才会发生，因此此两结被称为交互p-n结。相反地，如果此两p-n结距离太远(基区宽度太大)，所有入射的空穴将在基区中与电子复合而无法到达集基区，并不会产生晶体管的放大作用，此时p-n-p的结构就只是单纯两个背对背连接的p-n二极管。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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件9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IEp。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、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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件10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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件11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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件12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合格的晶体管，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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件13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）共基电流增益为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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件14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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件15图(c)显示结上的电场强度分布，在基区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现代半导体器件物理天津工业大学双极型晶体管及相关器件16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)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkT