【正文】 810Ic/ 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/(a)基本晶體管等效電路EBV~E ECBEBm Vg~(b)基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容EBV~E ECBEBm Vg~CBCdCEBCEBgEBV~E ECBEBm Vg~CBCdCEBCEBgECgC CrBr B(c)基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)圖 4 . 1 3雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性 (a)基本晶體管等效電路EBV~E ECBEBm Vg~(b)基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容EBV~E ECBEBm Vg~CBCdCEBCEBgEBV~E ECBEBm Vg~CBCdCEBCEBgECgC CrBr B(c)基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)圖 4 . 1 3gEB 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 36 其中 (a)基本晶體管等效電路EBV~E ECBEBmVg~(b)基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容EBV~E ECBEBmVg~CBCdCEBCEBgEBV~E ECBEBmVg~CBCdCEBCEBgECgCCrBrB(c)基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)圖 4 . 1 3稱為 跨導(dǎo) (transconductance) EBCm vig~~?稱為 輸入電導(dǎo) (input conductance)。 EBBEB vig~~?另外 ， 基極電阻 rB和集電極電阻 rC也都列入考慮 。 ECCEC vig~~?雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性 gEB 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 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 ?0有關(guān) 。 右下圖是一典型的共基電流增益相對(duì)于工作頻率的示意圖 。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)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 38 右圖中也顯示了共射電流增益 ， 由上式可得 其中 fβ稱為 共射截止頻率 )/(110?????ffj＋＝－??? ? ff )1( 0??由于 ?0≈1， 所以 fβ f?。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)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(guò)基區(qū)所需的時(shí)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(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。 少數(shù)載流子在 dt時(shí)段中所走的距離為dx＝ 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(kāi)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 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 τB ， 所以高頻晶體管都設(shè)計(jì)成短基區(qū)寬度 （ W） 。 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(kāi)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(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程 在數(shù)字電路中晶體管的主要作用是當(dāng)作開(kāi)關(guān) 。 關(guān)是高電壓低電流的狀態(tài) ， 開(kāi)是低電壓高電流的狀態(tài) 。 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(guò)放大區(qū)最后到達(dá)高電流狀態(tài)的 飽和區(qū) ， 此時(shí)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(kāi) )。 集電極電流的 暫態(tài)行為 可由儲(chǔ)存在基區(qū)中的超量少數(shù)載流子電荷 QB(t)來(lái)決定 ， 圖 (b)是 QB(t)與時(shí)間的關(guān)系圖 。 （c）圖 4 . 1 6 晶體管開(kāi)關(guān)特性. ( a ) 基極輸入電流脈沖。 (c)集 電極電流隨時(shí)間的變化。 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(shí) ， 晶體管工作于 放大模式下 ， 其中 Qs是 VCB=0時(shí)基區(qū)中的電荷量 。 當(dāng) QB(t) Qs時(shí) ， 晶體管工作于 飽和區(qū) 。 在 導(dǎo)通 的過(guò)程中 ， tt1時(shí) ， QBQs， 工作在 放大模式 下； t=t1時(shí) ， 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(shí) ， 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 。 在 關(guān)閉 的過(guò)程中 ， 器件起初是在 飽和模式 下 ， 直到 QB降至 Qs， 重新回到 放大模式 。 器件在 t=t3后 ， IC以指數(shù)形式衰減到零 。 ( b ) 基極儲(chǔ)存電荷隨時(shí)間的變化。 (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(kāi)關(guān)特性. ( a ) 基極輸入電流脈沖。 (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。 (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)閉時(shí)間 則取決于能如何迅速地通過(guò)復(fù)合將空穴移除 。 一個(gè)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(shí)迅速產(chǎn)生少子 ， 關(guān)閉時(shí)迅速?gòu)?fù)合少子 。 HBT的主要優(yōu)點(diǎn)是 發(fā)射效率 ?較高 ， 其應(yīng)用基本上與雙極型晶體管相同 ， 但 HBT具有較高的速度 ， 可以 工作在更高的頻率 。 如在微波應(yīng)用方面 ， HBT常被用來(lái)制造 固態(tài)微波 及 毫米波功率放大器 、 震蕩器 和 混頻器 。對(duì)于 同質(zhì)結(jié) 晶體管，可通過(guò) 重?fù)诫s發(fā)射區(qū) 以減小其數(shù)值 基區(qū)少子濃度。對(duì)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。20e x p)( ??基區(qū)禁帶寬度。 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。 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 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) 。 p+型基區(qū) 是以 窄禁帶的 GaAs組成 。 基本 HBT結(jié)構(gòu) 發(fā)射極接觸G a Asn ??AIGaAsn ?基極接觸G a AsP ??次極電極集電極接觸半絕緣G a A s 襯底n G a A s(a)npn HBT結(jié)構(gòu)的 截面圖示發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)CE?VE?( b ) 放大模式下H B T 的能帶圖圖 4 . 1 7異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 發(fā)射極接觸G a Asn ??AIGaAsn ?基極接觸G a AsP ??次極電極集電極接觸半絕緣G a A s 襯底n G a A s(a)npn HBT結(jié)構(gòu)的 截面圖示發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)CE? VE?( b ) 放大模式下H B T 的能帶圖圖 4 . 1 7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 。 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(jià)帶勢(shì)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(shí)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) 。 窄基區(qū)寬度可以降低基區(qū)渡越時(shí)間 τB ， 且增加截止頻率 ， 這正是人們期望的特性 。 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 。 3. 可與 標(biāo)準(zhǔn)硅工藝技術(shù)相容 。 (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) 。 2. 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 ， 提高 信號(hào)傳輸速度 。 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 。 其中存在一 內(nèi)建電場(chǎng) Ebi于準(zhǔn)中性基區(qū)內(nèi) ， 降低少子的基區(qū)渡越時(shí)間 τB ， 增加了 HBT的 共射電流增益與截止頻率 。 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。 與接觸電極相連的最外一 p層稱為 陽(yáng) 極 ，另一邊的 n層稱為 陰極 。 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 。 可控硅器件的 用途 ： 1. 是一種非常重要的 功率器件 ， 對(duì)電流 、 電壓的控制范圍很廣 ， 可控制 高電壓 (額定電壓可超過(guò) 10000V)和 高電流 (額定電流超過(guò) 5000A)； 2. 用于 開(kāi)關(guān) 控制 ， 即：使器件從關(guān)閉或是阻斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開(kāi)啟或是導(dǎo)通的狀態(tài) ， 反之亦然； 3. 其工作與雙極型晶體管的 相同之處 ：傳導(dǎo)過(guò)程皆牽涉到電子和空穴 ， 不同之處 ：開(kāi)關(guān)機(jī)制和結(jié)構(gòu) 。 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(gè)結(jié)都有耗盡層 ， 其內(nèi)建電勢(shì)由摻雜濃度決定 。 (2)(3)：器件處于 正向?qū)?或開(kāi)啟狀態(tài) ，具有低阻抗 ， 在點(diǎn) 2處 dV/dI=0， 定義保持電流 Ih和保持電壓 Vh。 (4)(5)：器件處于 反向擊穿