【正文】 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 1 雙極型晶體管及相關(guān)器件 現(xiàn)代半導體 器件物理 Physics of Modern Semiconductor Devices 2022,7,30 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 2 本章內(nèi)容 ? 雙極型晶體管的工作原理 ? 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 ? 雙極型晶體管的頻率響應與開關(guān)特性 ? 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 ? 可控硅器件及相關(guān)功率器件 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 3 雙極型晶體管 (bipolar transistor)的結(jié)構(gòu) 雙極型晶體管是最重要的半導體器件之一 ， 在高速電路 、 模擬電路、 功率放大 等方面具有廣泛的應用 。 雙極型器件是一種 電子與空穴 皆參與導通過程的半導體器件 ， 由兩個相鄰的耦合 pn結(jié)所組成 ， 其結(jié)構(gòu)可為pnp或 npn的形式 。 如圖為一 pnp雙極型晶體管的透視圖 ， 其制造過程是以 p型半導體為襯底 ， 利用熱擴散的原理在 p型襯底上形成一 n型區(qū)域 ， 再在此 n型區(qū)域上以熱擴散形成一高濃度的 p＋ 型區(qū)域 ， 接著以金屬覆蓋 p＋ 、 n以及下方的 p型區(qū)域形成歐姆接觸 。 雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 4 圖 (a)為理想的一維結(jié)構(gòu) pnp雙極型晶體管 ， 具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域 ， 形成兩個 pn結(jié) 。 濃度最高 的 p＋ 區(qū)域稱為 發(fā)射區(qū) (emitter， 以 E表示 )；中間較窄的 n型區(qū)域 ， 其雜質(zhì) 濃度中等 ， 稱為 基區(qū) (base， 用 B表示 )， 基區(qū)的寬度需遠小于少數(shù)載流子的擴散長度； 濃度最小 的 p型區(qū)域稱為 集電區(qū)(collector， 用 C表示 )。 圖 (b)為 pnp雙極型晶體管的電路符號 ， 圖中亦顯示各電流成分和電壓極性 ， 箭頭和 “ 十 ” 、 “ 一 ” 符號分別表示晶體管在一般工作模式 (即放大模式 )下各電流的方向和電壓的極性 ， 該模式下 ， 射基結(jié)為正向偏壓(VEB＞ 0)， 而集基結(jié)為反向偏壓 (VCB＜ 0)。 發(fā)射區(qū)?PE集電區(qū)P基區(qū)nBC+++ ECVEBV CBV( a ) 理想一維p n p 雙級型集體管發(fā)射區(qū)?PE集電區(qū)P基區(qū)nBC+++ CEVBEV BCV( c ) 理想一維n p n 雙級型集體管ECV+ B +E+ CEBV BCVEI CIBI(b)pnp雙級 型集體管的電路符號CEV +B+E+CBEV CBVEI CIBI(d)npn雙級 型集體管的電路符號圖 4 . 2發(fā)射區(qū)?PE集電區(qū)P基區(qū)nBC+++ ECVEBV CBV( a ) 理想一維p n p 雙級型集體管發(fā)射區(qū)?PE集電區(qū)P基區(qū)nBC+++ CEVBEV BCV( c ) 理想一維n p n 雙級型集體管ECV+ B +E+ CEBV BCVEI CIBI(b)pnp雙級 型集體管的電路符號CEV +B+E+CBEV CBVEI CIBI(d)npn雙級 型集體管的電路符號圖 4 . 2雙極型晶體管的工作原理 + 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 5 圖 (a)是一 熱平衡狀態(tài) 下的理想 pnp雙極型晶體管 ， 即其三端點接在一起 ， 或者三端點都接地 ， 陰影區(qū)域分別表示兩個 pn結(jié)的耗盡區(qū) 。 圖 (b)顯示三段摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度 ， 發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠比集電區(qū)大 ， 基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低 ， 但高于集電區(qū)濃度。 圖 (c)表示耗盡區(qū)的電場強度分布情況 。 圖 (d)是晶體管的能帶圖 ，它只是將熱平衡狀態(tài)下的 pn結(jié)能帶直接延伸 ， 應用到兩個相鄰的耦合 p＋ n結(jié)與 np結(jié) 。 各區(qū)域中 EF保持水平。 雙極型晶體管 (pnp型 )工作在放大模式 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū)?P PnEWBWCW???ADNN??xxECEFEVECEFEVE圖4 . 3 （a ）所有端點接地的p n p 晶體管（熱平衡狀態(tài)）（b ）突變摻雜晶體管的摻雜濃度分布 （c ）電場分布 （d ）熱平衡狀態(tài)下的能帶圖雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 6 圖 (a)為工作在 放大模式 下的 共基組態(tài) pnp型晶體管 ， 即基極被輸入與輸出電路所共用 ， 圖 (b)與圖 (c)表示偏壓狀態(tài)下空間電荷密度與電場強度分布的情形 ， 與熱平衡狀態(tài)下比較 ， 射基結(jié) 的耗盡區(qū)寬度 變窄 ， 而 集基結(jié) 耗盡區(qū) 變寬 。 圖 (d)是晶體管工作在放大模式下的能帶圖 ， 射基結(jié) 為正向偏壓 ， 因此空穴由 p＋ 發(fā)射區(qū)注入基區(qū) ， 而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū) 。 雙極型晶體管工作在放大模式 發(fā)射區(qū) 基區(qū)集電區(qū)?P PnEWBWCW???ADNN??xxE輸出BIEICIEBVBCV(a)0 W(b)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNEx?Cx(d)圖4 . 4雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 7 在理想的二極管中 ， 耗盡區(qū)將不會有 產(chǎn)生 復合電流 ， 所以由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)的電子組成了 發(fā)射極電流 。而 集基結(jié) 是處在 反向偏壓 的狀態(tài) ，因此將有一反向飽和電流流過此結(jié) 。 當基區(qū)寬度足夠小時 ， 由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴散通過基區(qū)而到達集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣 ， 并在集基偏壓的作用下通過集電區(qū) 。 此種輸運機制便是注射載流子的 “ 發(fā)射極 “ 以及收集鄰近結(jié)注射過來的載流子的 “ 集電極 ” 名稱的由來 。 發(fā)射區(qū) 基區(qū)集電區(qū)?P PnEWBWCW???ADNN??xxE輸出BIEICIEBVBCV(a)0 W(b)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNEx?Cx(d)圖4 . 4雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 8 如果大部分入射的空穴都沒有與基區(qū)中的電子復合而到達集電極 ， 則集電極的空穴電流將非常地接近發(fā)射極空穴電流： IEp≈ICp。 可見 ， 由鄰近的射基結(jié)注射過來的空穴可在反向偏壓的集基結(jié)造成大電流 ， 這就是晶體管的 放大作用 ， 而且只有當此兩結(jié)彼此足夠接近時 (基區(qū)寬度足夠窄 )才會發(fā)生 ， 因此此兩結(jié)被稱為 交互 pn結(jié) 。 相反地 ， 如果此兩 pn結(jié)距離太遠 (基區(qū)寬度太大 ) ， 所有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復合而無法到達集基區(qū) ， 并不會產(chǎn)生晶體管的放大作用 ， 此時 pnp的結(jié)構(gòu)就只是單純 兩個背對背連接的 pn二極管 。 發(fā)射區(qū) 基區(qū)集電區(qū)?P PnEWBWCW???ADNN??xxE輸出BIEICIEBVBCV(a)0 W(b)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNEx?Cx(d)圖4 . 4雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 9 下圖中顯示出一理想的 pnp晶體管在放大模式下的各電流成分 。設(shè)耗盡區(qū)中無產(chǎn)生 復合電流 ， 則由 發(fā)射區(qū) 注入的空穴將構(gòu)成 最大的電流成分 IEp 。 電流增益 發(fā)射區(qū) )(?P 基區(qū) )( n 集電區(qū) )( PEICIBBIEnI CnI} CPI} EPI}BI空穴電流和空穴流電子電流電子流圖4 . 5大部分的入射空穴將會到達 集電極 而形成 ICp。 基極的電流有三個 ， 即 IBB、 IEn、 ICn。 其中IBB代表由基極所供應 、 與入射空穴 復合 的 電子電流 ( 即IBB=IEpICp)； IEn代表由 基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流 ， 是不希望有的電流成分； ICn代表 集電結(jié)附近因熱所產(chǎn)生 、 由 集電區(qū)流往基區(qū)的電子電流 。 雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 10 晶體管各端點的電流可由上述各 個電流成分來表示 發(fā)射區(qū) )(?P 基區(qū) )( n 集電區(qū) )( PEICIBBIEnI CnI} CPI} EPI}BI空穴電流和空穴流電子電流電子流圖4 . 5晶體管中有一項重要的參數(shù) ， 稱為 共基電流增益 ， 定義為 ,EnEpE III ??,CnCpC III ??CnCpEpEnCEB IIIIIII ?????? )(ECII p0 ??因此 ， 得到 ????????????????ppnppnpp0ECEEEEECIIIIIIII＋＝＋＝?雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 11 發(fā)射區(qū) )(?P 基區(qū) )( n 集電區(qū) )( PEICIBBIEnI CnI} CPI} EPI}BI空穴電流和空穴流電子電流電子流圖4 . 5第二項稱為 基區(qū)輸運系數(shù) ， 是到達集電極的空穴電流量與由發(fā)射極入射的空穴電流量的比 ， 即 所以 上式等號右邊第一項稱為 發(fā)射 效率 ， 是入射空穴電流與總發(fā) 射極電流的比 ， 即： npppEEEEEIIIII＋???ppECT II??T??? ＝0雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 12 發(fā)射區(qū) )(?P 基區(qū) )( n 集電區(qū) )( PEICIBBIEnI CnI} CPI} EPI}BI空穴電流和空穴流電子電流電子流圖4 . 5其中 ICn是發(fā)射極斷路時 (即 IE=0)集基極間的電流 ， 記為 ICBO， 前兩個下標（ CB） 表示集 、 基極兩端點 ， 第三個下標 （ O） 表示第三端點 (發(fā)射極 )斷路 ，所以 ICBO代表當發(fā)射極斷路時 ， 集基極之間的漏電流 。 共基組態(tài)下的集電極電流可表示為 對合格的晶體管 ， IEn遠比 IEp小 ， 且 ICp與 IEp非常接近 ， ?T與 ?都趨近于 1， 因此 ?0也接近于 1。集電極電流可用 ?0表示 ， 即 CnECnETCnETCnCpCIIIIIIIII＋＝＋＋0pp?????????C B OEC III ＋0??雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導體器件物理 天津工業(yè)大學 雙極型晶體管及相關(guān)器件 13 例 1：已知在一理想晶體管中 ， 各電流成分為： IEp=3mA、 IEn=、ICp=、 ICn=。 試求出下列各值： (a)發(fā)射效率 ?； (b)基區(qū)輸運系數(shù) ?T； (c)共基電流增益 ?0； (d)ICBO。 解 （ a） 發(fā)射效率為 3npp ＝＋＝＋＝ EEEIII?（ b） 基區(qū)輸運系數(shù)為 pp ???ECT II?（ c） 共基電流增益為 ???T??? ＝（ d） 共基電流增益為 3 .0 1 m A , ??? AIII EEE ＝＋AAAIII CC ?????所以 AmAmAIII ECC B