【正文】 EFEEBVBCVBNEx?Cx(d)圖4 . 4雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 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(huì)有產(chǎn)生 復(fù)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 。設(shè)耗盡區(qū)中無產(chǎn)生 復(fù)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 。 解 （ a） 發(fā)射效率為 3npp ＝＋＝＋＝ EEEIII?（ b） 基區(qū)輸運(yùn)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 O ?? 9 3 9 ??????雙極型晶體管的工作原理 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 14 為推導(dǎo)出理想晶體管的電流 、 電壓表示式 ， 需作下列五點(diǎn)假設(shè)： （ 1） 晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜； （ 2） 基區(qū)中的空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略； （ 3） 載流子注入屬于小注入； （ 4） 耗盡區(qū)中沒有產(chǎn)生 復(fù)合電流； （ 5） 晶體管中無串聯(lián)電阻 。 所以當(dāng) W/Lp1時(shí) ， 可簡(jiǎn)化為 即：少數(shù)載流子分布趨近于一直線 。 而 IEn是由基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電子流形成的 ， ICn是由集電區(qū)流向基區(qū)的電子流形成的 ， 分別為 其中 DE和 DC分別為電子在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的擴(kuò)散系數(shù) 。下圖顯示了一 pnp晶體管的四種工作模式與 VEB、 VCB的關(guān)系 ， 每一種工作模式的少數(shù)載流子分布也顯示在圖中 。 集電極與發(fā)射極電流幾乎相同 (?0≈1)并幾乎與 VBC不相關(guān) ， 非常符合理想晶體管的行為 。 可見當(dāng) IB=0時(shí) ， 集電極和發(fā)射極間還存在一不為零的ICEO。 小信號(hào)意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓 、 電流值 。 EBBEB vig~~?另外 ， 基極電阻和集電極電阻也都列入考慮 。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 1 . 0 1 0 ? 0 ? 10 2 10 3 10 dB 3 ? ? ? f dB 3 ? f T f 頻率 Hz / 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 39 其中 A是器件的截面積 ， p(x)是少數(shù)載流于的分布 ， 空穴經(jīng)過基區(qū)所需的時(shí)間 τB為 特征頻率 fT也可以表示為 (2πτT)1， 其中 τT代表載流子從發(fā)射極傳輸?shù)郊姌O所需的時(shí)間 ， 它包含了發(fā)射區(qū)延遲時(shí)間 τE、 基區(qū)渡超時(shí)間 τB以及集電區(qū)渡越時(shí)間 τC。 圖 (a)是一個(gè)基本的開關(guān)電路 ， 其中射基電壓瞬間由負(fù)值變?yōu)檎?。 (c)集 電極電流隨時(shí)間的變化。 ( b ) 基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化。 ( b ) 基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化。 HBT的電流增益 ： 1,111 000 ??????? TTT ??????????異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 46 發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度可寫為 對(duì) npn型晶體管 ， 將 EpEOLWnpDD0nE11??? ??? ?? 10代入 可得 EOpEpoEOE pnLWnpDD0n01?＝?EEVCEiEO NkTENNNnp）（＝（發(fā)射區(qū)）發(fā)射區(qū)g2 e x p)( ??異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 47 因此 ， 由于 HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)半導(dǎo)體材料的不同 ， 它們的禁帶寬度差將對(duì) HBT的電流增益造成影響 ， 且 )e x p ()e x p (0kTENNkTEENN gBEgBgEBE ????? 其中 NE和 EB分別是發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度 ， NC和 NV分別是導(dǎo)帶和價(jià)帶底的有效狀態(tài)密度 ， EgE是發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體的禁帶寬度 ，NC’、 NV’和 EgB則是基區(qū)半導(dǎo)體上相應(yīng)的參數(shù) . BBVCBip NkTENNNnn）（＝（基區(qū)）基區(qū)g39。 穿通效應(yīng)是指集基結(jié)的耗盡層往基極延伸 ， 最后與射基結(jié)的耗盡層接觸的現(xiàn)象 。 InP/ InGaAs結(jié)構(gòu)具有非常低的表面復(fù)合 ， 而且 InGaAs的電子遷移率較 GaAs高出甚多 ， 使其具有相當(dāng)優(yōu)異的高頻表現(xiàn) ， 其截止頻率可高達(dá) 254GHz． 此外 ， InP集電極在強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)比 GaAs集電極具有更高的漂移速率 ， 其擊穿電壓亦比 GaAs集電極高 。 可控硅器件是一種非常重要的功率器件 ， 可用來作高電壓和高電流的控制 ， 使器件從關(guān)閉或是阻斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟或是導(dǎo)通的狀態(tài) ， 反之亦然 。 IAKVBFVhVsIhIBRV)0()1()2()3()4()5(正向?qū)ㄕ蜃钄喾聪蜃钄鄨D 4 . 2 3 p n p n 二極管的電流－電壓特性 下圖表示基本的 pnpn二極管電流 電壓特性 ， 其展現(xiàn)出五個(gè)不同的區(qū)域： (0)(1)：器件處于正向阻斷或是關(guān)閉狀態(tài) ， 具有很高的阻抗；正向轉(zhuǎn)折 (或開關(guān) )發(fā)生于 dV/dI＝ 0；在點(diǎn) 1定義正向轉(zhuǎn)折電壓 VBF和開關(guān)電流 Is。 圖 (a)是一個(gè)以平面工藝制造 、 具有柵極電極連接到 p2區(qū)域的可控硅器件 ，圖 (b)是沿著虛線切開的橫截面圖 。 基本特性 ： K1J 2J 3J1p 2p1n 2n2022 2022陽 極 陰 極（ a ） 0?x Wx ?摻雜濃度 VEC CEV)(b)(c圖 4 . 2 2 ( a ) p n p n 二 極 管 ( b ) 可 控 硅 器 件 的 典 型摻 雜 分 布 ( c ) 熱 平 衡 狀 態(tài) 下 可 控 硅 器 件 的 能 帶 圖A K1J 2J 3J1p 2p1n 2nAI KIgIG( b ) 平面可控硅器件的橫截面圖 4 . 2 6可控硅器件及相關(guān)功率器件 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 53 圖 (b)是一典型的可控硅器件摻雜濃度分布圖 ， 首先選一高阻值的 n型硅片當(dāng)作起始材料 (n層 )， 再以一擴(kuò)散步驟同時(shí)形成 p1和 p2層 ， 最后用合金或擴(kuò)散 ， 在硅片的一邊形成 n2層 。 在前面基本 HBT的能帶圖中 ， 導(dǎo)帶上的能帶不連續(xù) Δ EC是我們所不希望的 ， 因?yàn)榇瞬贿B續(xù)迫使異質(zhì)結(jié)中的載流子必須以熱電子發(fā)射或隧穿的方法才能越過勢(shì)壘 ， 因而降低發(fā)射效率和集電極電流 ． 此缺點(diǎn)可由緩變層和緩變基區(qū)異質(zhì)結(jié)來改善 。 右圖是 HBT在放大模式下的能帶圖 ， 發(fā)射區(qū)和基區(qū)間的能帶差在異質(zhì)結(jié)界面上造成了一個(gè)能帶偏移 ， 事實(shí)上 ， HBT優(yōu)異的特性是直接由價(jià)帶在異質(zhì)界面處的不連續(xù)所造成的 。20e x p)( ??異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 48 大 部 分 HBT 的 技 術(shù) 都 是 在 AlxGa1xAs/GaAs材料系統(tǒng)中發(fā)展的 ， 右圖是一個(gè)基本 npn型 HBT結(jié)構(gòu) 。 (d)基 極在不同時(shí)間的少數(shù)載流子分布CI0t2t（a ）（b ）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)( xPn2tatSQ0 W0?t1t 和 ? ?3t（d ） 導(dǎo)通的時(shí)間取決于能如何迅速地將空穴 (pnp晶體管中的少數(shù)載流子 )加入基極區(qū)域 ， 而關(guān)閉的時(shí)間則取決于能如何迅速地通過復(fù)合將空穴移除 。 (d)基 極在不同時(shí)間的少數(shù)載流子分布CI0t2t（a ）（b ）t0)( 2tQ BBQSQ1t 3tat 2tt01t 3tat 2tCI)( 1tI Cst)( xP n2tatSQ0 W0?t1t 和 ? ?3t（d ）（c ）圖 4 . 1 6 晶體管開關(guān)特性. ( a ) 基極輸入電流脈沖。 IC對(duì)時(shí)間的變化顯示在圖 (c)中 。 因此晶體管在關(guān)的狀態(tài)下 ， 亦即工作于截止模式時(shí) ， 發(fā)射極與集電極間不導(dǎo)通；而在開的狀態(tài)下 ， 亦即工作在飽和模式時(shí) ， 發(fā)射極與集電極間導(dǎo)通 ． 因此晶體管可近似于一理想的開關(guān) 。 少數(shù)載流子在 dt時(shí)段中所走的距離為 dt＝v(x)dt， 其中 v(x)是基區(qū)中的少數(shù)載流子的有效速度 ， 此速度與電流的關(guān)系為 AxpxqvI P )()(?dxI Axqpxv dxWPWB ?? ??00)()(?雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 40 以線性空穴分布為例 ， 將 要改善頻率響應(yīng) ， 必須縮短少數(shù)載流子穿越基區(qū)所需的時(shí)間 ， 所以高頻晶體管都設(shè)計(jì)成短基區(qū)寬度 。 ECCEC vig~~?雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 37 截止頻率 ：在右上圖中 ， 跨導(dǎo) gm和輸入電導(dǎo) gEB與晶體管的共基電流增益有關(guān) 。 ?pnp( a ) 連 接 成 共 射 組 態(tài) 的 雙 極 晶 體 管ciEiBiEBV CCVEBV~ 0246810I c / m A 5101505101520 AI B ?25?工 作 點(diǎn)Bi Bi~BICIcici~ 負(fù) 載 線輸 出 電 流（ b ） 晶 體 管 電 路 的 小 信 號(hào) 工 作 狀 態(tài)圖 4 . 1 2CCV VVEC /?pnp( a ) 連接成共射組態(tài)的雙極晶體管ciEiBiEBV CCVEBV~0246810Ic/ m A5 10 1505101520AIB?25?工作點(diǎn)BitBi~BICIcici~t負(fù)載線輸出電流（b ）晶體管電路的小信號(hào)工作狀態(tài)圖4 . 1 2CCVVVEC/雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 35 下圖 (a)是此放大器的低頻等效電路 ， 在更高頻率的狀況下 ， 必須在等效電路中加上適當(dāng)?shù)碾娙?。 當(dāng)假設(shè)中性的基極區(qū)域(W)為定值時(shí) ， 上述特性始終成立 。 ?????? ?????????????? ???????? 1e x p1e x p 1211 kTqVakTqVaI CBEBE?????? ?????????????? ???????? 1e x p1e x p 2221 kTqVakTqVaI CBEBC共基組態(tài)晶體管的電流 電壓特性 （ b ） 其 輸 出 電 流 － 電 壓 特 性圖 4 . 8EBC?pnpE C? ?? ?BI II( a ) p n p 晶 體 管 的 共 基 狀 態(tài)EBV CBV8642005? 1020CBOI CB OBV0BCV12345 mAI E 6?飽 和截 止放 大（b ）