【正文】 (4)(5)：器件處于 反向擊穿 狀態(tài) 。 能帶圖： 圖 (c)是可控硅器件在熱平衡狀態(tài)下的能帶圖；其中每一個結(jié)都有耗盡層 ， 其內(nèi)建電勢由摻雜濃度決定 。 在 pnpn二極管的基礎(chǔ)上 ， 在內(nèi)層的 p2層上引出第三端電極 ， 構(gòu)成的三端點(diǎn) 器件一般稱為 可控硅器件 。 此缺點(diǎn)的克服由如下方式達(dá)到： 1. 制作 緩變層異質(zhì)結(jié) ， 消除 ΔEC， 下圖顯示一緩變層加在射基異質(zhì)結(jié)中的能帶圖 ， 緩變層的厚度為 Wg。 先進(jìn)的 HBT 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 51 2. 制作 緩變基區(qū) ， 以將由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的禁帶寬度減小 。 (硅的載流子遷移率較低造成 ) 一 、 磷化銦 (InP)系 (InP/InGaAs或 AlInAs/InGaAs)異質(zhì)結(jié)構(gòu)有相當(dāng)多的 優(yōu)點(diǎn) 。 1. 如同砷化鋁鎵 /砷化鎵 HBT， 硅 /硅鍺 HBT也因禁帶寬度差可重?fù)诫s基區(qū)而具有 高速能力 。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 49 1. ΔEV增加了射基異質(zhì)結(jié)處 價帶勢壘的高度 ， 此效應(yīng)使得 HBT不必像同質(zhì)結(jié)晶體管那樣必須降低基區(qū)摻雜濃度以保證 發(fā)射區(qū)和基區(qū)較高的 摻雜濃度比 ，HBT可以使用 較高摻雜濃度的基區(qū) ，而同時維持極高的 發(fā)射效率和電流增益 ； 2. 基區(qū)的高摻雜濃度可 降低基區(qū)的方塊電阻 ， 且 基區(qū)可以做得很薄而不需擔(dān)心 穿通效應(yīng) 。 p+型基區(qū) 是以 窄禁帶的 GaAs組成 。 一般情況下， 異質(zhì)結(jié) 晶體管的發(fā)射區(qū)和基區(qū)材料間具有很大的禁帶寬度差 ΔEg，發(fā)射效率 ?和 共射電流增益 β0可以提到很高。對于 異質(zhì)結(jié) 晶體管， EgE與 pEO成反比， 增大 EgE使 pEO數(shù)值減小，以增大 ?和 β0 BBVCBip NkTENNNnn ）（＝（基區(qū)）基區(qū)g39。 如在微波應(yīng)用方面 ， HBT常被用來制造 固態(tài)微波 及 毫米波功率放大器 、 震蕩器 和 混頻器 。 一個有效降低 τp、 使轉(zhuǎn)換變快的方法是 加入接近禁帶中點(diǎn)的產(chǎn)生 復(fù)合中心 ， 使導(dǎo)通時迅速產(chǎn)生少子 ， 關(guān)閉時迅速復(fù)合少子 。 ( b ) 基極儲存電荷隨時間的變化。 (d)基 極在不同時間的少數(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。 器件在 t=t3后 ， IC以指數(shù)形式衰減到零 。 在 導(dǎo)通 的過程中 ， tt1時 ， QBQs， 工作在 放大模式 下； t=t1時 ， 基區(qū)電荷量 QB=Qs，由 放大區(qū) 達(dá)到 飽和區(qū)邊緣 ；當(dāng) tt1時 ， QBQs，晶體管 進(jìn)入飽和模式 ， 而發(fā)射極和集電極電流大致維持定值 。 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 43 當(dāng) QB(t)＜ Qs時 ， 晶體管工作于 放大模式下 ， 其中 Qs是 VCB=0時基區(qū)中的電荷量 。 （c）圖 4 . 1 6 晶體管開關(guān)特性. ( a ) 基極輸入電流脈沖。 圖 (b)是晶體管的輸出電流 ， 起初因?yàn)樯浠Y(jié)與集基結(jié) 都是反向偏壓 ， 處于 截止區(qū) ， 集電極電流非常低 ， 發(fā)射極與集電極間 不導(dǎo)通 (關(guān) )；但射基電壓 由負(fù)變正 后 ， 集電極電流 沿著負(fù)載線 ， 經(jīng)過放大區(qū)最后到達(dá)高電流狀態(tài)的 飽和區(qū) ， 此時射基結(jié)與集基結(jié) 都變?yōu)檎蚱珘?， 發(fā)射極與集電極間 導(dǎo)通 (開 )。 代入 dxI Axqpxv dxWPWB ?? ??00)()(? PB DW22?? ?)e xp(0p kTqVW pqA DI EBnpC ? ???????WxVx EB －）（ 1kTqe xpp)(p0nn和 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 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 41 開關(guān)瞬態(tài)過程 在數(shù)字電路中晶體管的主要作用是當(dāng)作開關(guān) 。 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 天津工業(yè)大學(xué) 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)載流子的分布 ， 空穴經(jīng)過基區(qū)所需的時間 τB為 特征頻率 fT也可以表示為 fT = (2πτT)1， 其中 τT代表載流子從發(fā)射極傳輸?shù)郊姌O所需的時間 ， 它包含了發(fā)射區(qū)延遲時間 τE、 基區(qū)渡超時間 τB以及集電區(qū)渡越時間 τC。 右下圖是一典型的共基電流增益相對于工作頻率的示意圖 。 EBBEB vig~~?另外 ， 基極電阻 rB和集電極電阻 rC也都列入考慮 。 當(dāng)一小信號附加在輸入電壓上時 ， 基極電流 iB將會隨時間變動 ， 而成為一時間函數(shù) ， 如右圖所示 。 頻率響應(yīng) 高頻等效電路 ：圖 (a)是以共射組態(tài)晶體管所構(gòu)成的放大器電路 ， 在固定的直流輸入電壓 VEB下 ， 將會有直流基極電流 IB和直流集電極電流 IC流過晶體管 ， 這些電流代表圖(b)中的工作點(diǎn) ， 由供應(yīng)電壓 VCC以及 負(fù)載電阻 RL所決定出的負(fù)載線 ， 將以一 1/RL的斜率與 VCE軸相交于 VCC。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 C I EC V 0 A V B I EBC?pnpEC????BICIEI(a)pnp晶體管的共射組態(tài)EECVBCVB8642010 20C B OBV飽和截止（b）其輸出電流－電壓特性CEOIAIB?25?0?CBV0Ic/ m A1015205圖4 . 1 0現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 33 例 3：已知在一理想晶體管中 ， 各電流成分為： IEp=3mA、 IEn=、ICp=、 ICn=。 假設(shè) 基極的中性區(qū)域?qū)挾?(W)為 定值時 ， 在共射組態(tài)的理想晶體管中 ， 固定的 IB下 ， 且 VEC0(即處于 放大區(qū) )時 ，IC與 VEC不相關(guān) 。 BW)( xPn)0(nP0?BCV0?BCVW00nP( a ) 放大模式 0?BCV 0?BCVBW)( xPnW00nP0?CI0?CI( b ) 飽和模式中兩結(jié)皆為正向偏壓圖 4 . 9 p n p 晶體管基極中的少數(shù)載流子分布雙極型晶體管的靜態(tài)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 CBV864205? 1020CBOI CB OBV0BCV12345 mAI E 6?飽 和截 止放 大現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 30 其中 β0為 共射電流增益 ， 是 IC對 IB的微分且 下圖是一個共射組態(tài)下的 pnp晶體管 ， 將式 IB=IEIC代入 共射組態(tài)晶體管的電流 電壓特性 可得出共射組態(tài)下的集電極電流 C B OEC III ＋0??C B OCBC IIII ??? )(0?00011 ????????C B OBCIII000 1 ???????BCII＝定義 01 ??? C B OC E O II此電流是當(dāng) IB=0時 ， 集電極與發(fā)射極間的漏電流 。 共基組態(tài)晶體管的基極為輸入端與輸出端所共用 ， 其電流 電壓特性仍可用下式描述 ， 其中 VEB和 VBC分別是輸入與輸出電壓 ， 而 IE和 IC分別為輸入與輸出電流 。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 27 上二式各結(jié)的偏壓視晶體管的工作模式可為正或負(fù) 。 在 飽和模式 下 ， 晶體管中的 兩個結(jié)都是正向偏壓 ， 導(dǎo)致兩個結(jié)的耗盡區(qū)中少數(shù)載流子分布并非為零 ，因此在 x=W處的邊界條件變?yōu)? 工作模式 圖 4 . 7四 種 晶 體 管 工 作 模 式 下 得 結(jié) 極 性 與 少 數(shù) 載 流 子 分 布0 0WEBBCCE EBCEBC0WWW00 pnpnpn pn pn pnpn pnnnnpnp放 大 飽 和反 轉(zhuǎn)截 止?? ?? CBVEBV??????? kTqVpWp CBnn e xp)( 0雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 26 在 截止模式 下 ， 晶體管的 兩個結(jié)皆為反向偏壓 ， 邊界條件變?yōu)閜n(0)=pn(W)=0， 截止模式下的晶體管可視為開關(guān)斷路 (或是 關(guān)閉 )。 可見 ，欲改善 ?， 必須減少 NB/NE， 也就是發(fā)射區(qū)的摻雜濃度必須遠(yuǎn)大于基區(qū) ， 這也是 發(fā)射區(qū)用 p＋ 重?fù)诫s 的原因 。 發(fā)射極電流 IE=IEp+IEn， 即 ?????? ?????????? ???1)e x p (A kTqVL nq A DdxdnqDI EBEEOExxEEEnECCOCxxCCCn Lnq A DdxdnqDAIC????????? ???1211 1)e xp( akTqVaI EBE ??????? ??)( 011EEOEnpLnDWpDqAa ??Wpq A Da np 012 ?其中 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū)?P Pn)0(nP)( xP nBQnoPW cx)( xn ccon0Ex?EOn)( xN E圖 4 . 6 放大模式下p n p 晶體管中各區(qū)域得少數(shù)載流子分布發(fā)射區(qū) )( ?P 基區(qū) )( n 集電區(qū) )( PEI CIBBIEnI CnI} CPI} EPI}BI空穴電流和空穴流電子電流電子流圖4 . 5現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 21 集電極電流 IC=ICp+ICn， 即 可見 ?12= ?21。 設(shè)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度分別遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長度 LE和 LC， 將邊界條件代入 )(e xp)(e xp)( 21EEpp LxCLxCnxn ????得到 EEEEBEOEOE xxLxxkTqVnnx ????????? ??? ,e xp1)e xp ()(n ）（發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū)?P Pn)0(nP)( xPnBQnoPW cx)( xnccon0Ex?EOn)( xNE圖 4 . 6 放大模式下p n p 晶體管中各區(qū)域得少數(shù)載流子分布雙極型晶體管的靜態(tài)特性 n ( ) e x p ,CC C O C O CCxxx n n x xL?? ? ?（ ）現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 19 由少子分布可計算出晶體管中的各項(xiàng)電流成分 。 如圖 。 第二個邊界條件表示在反向偏壓的狀態(tài)下 ， 集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣 (x=W)的少數(shù)載流子濃度為零 。 各區(qū)域中的載流子分布 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 15 圖 (c)顯示結(jié)上的電場強(qiáng)度分布 ， 在 基區(qū)中性區(qū)域 中的少數(shù)載流子分布可由無電場的穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程式表示： 其中 Dp和 τp分別表示少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)和壽命 。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(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大