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1、现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2 2本章内容本章内容q双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理q双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性q双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性q异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管q可控硅器件及相关功率器件可控硅器件及相关功率器件现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3 3现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4 4现
2、代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5 5现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 6 6现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 7 7现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 8 8现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 9 9 下图中显示出一理想的p-n-p晶体管在放
3、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 。电流增益电流增益发射区发射区)(P基区基区)(n集电区集电区)(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴电流空穴电流和空穴流和空穴流电子电流电子电流电子流电子流图4.5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。
4、双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1010晶体管各端点的电流可由上述各个电流成分来表示 发射区发射区)(P基区基区)(n集电区集电区)(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴电流空穴电流和空穴流和空穴流电子电流电子电流电子流电子流图4.5图4.5晶体管中有一项重要的参数，称为共基电流增益共基电流增益，定义为 ,EnEpEIII,CnCpCIIICnCpEpEnCEBIIIIIII)(ECIIp0因此，得到 ppnppnpp0ECEEEEECIIIIIIII双极型晶体
5、管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1111发射区发射区)(P基区基区)(n集电区集电区)(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴电流空穴电流和空穴流和空穴流电子电流电子电流电子流电子流图4.5图4.5第二项称为基区输运系数基区输运系数，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发射效率效率，是入射空穴电流与总发射极电流的比，即： npppEEEEEIIIIIppECTIIT0双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导
6、体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1212发射区发射区)(P基区基区)(n集电区集电区)(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴电流空穴电流和空穴流和空穴流电子电流电子电流电子流电子流图4.5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
7、接近于1。集电极电流可用0表示，即 CnECnETCnETCnCpCIIIIIIIII0ppCBOECIII0双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1313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. 033nppEEEIII（b）基区输运系数为9967. 0399.
8、2ppECTII（c）共基电流增益为 9934. 09967. 09967. 00T（d）共基电流增益为 3.01mA,mA01. 0m3npAIIIEEEAAAIIICCm991. 2m001. 0m99. 2npC所以 AmAmAIIIECCBO87. 001. 39934. 0991. 20双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1414 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
9、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各区域中的载流子分布 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1515 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p分别表示少数载
10、流子的扩散系数和寿命。上式的一般解为 一、基区区域：一、基区区域：发发射射区区基基区区集集电电区区PPnEWBWCWADNNxxE输输出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )图图4 4. .4 4发发射射区区基基区区集集电电区区PPnEWBWCWADNNxxE输输出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )图图4 4. .4 40022pnnnpppdxpdD)(exp)(exp)(2
11、1ppnnLxCLxCpxp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双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1616 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
12、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)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（发射区发射区基区基区集电区集电区PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1717当x1时，sinh(x)将会近似于x。所以当W/Lp1时，可简化为 即：少数载流子分布趋近
13、于一直线。此近似是合理的，因为在晶体管的设计中，基极区域的宽度远小于少数载流子的扩散长度。如图。可见，由线性少数载流子分布的合理假设，可简化电流-电压特性的推导过程。 WxpWxkTqVpxpEB）（1)0(1exp)(n0nn)sinh()sinh(1)sinh()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（发射区发射区基区基区集电区集电区PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管
14、及相关器件 1818和 发射区和集电区中的少数载流子分布可以用类似上述基区情况的方法求得。在图中，发射区与集电区中性区域的边界条件为 二、发射极和集电极区域二、发射极和集电极区域 ：)exp()(nkTqVnxxEBEOEE0)exp()(nkTVqnxxCBCOCC其中nEO和nCO分别为发射区和集电区中热平衡状态下的电子浓度。设发射区和集电区的宽度分别远大于扩散长度LE和LC，将边界条件代入)(exp)(exp)(21EEppLxCLxCnxn得到EEEEBEOEOExxLxxkTqVnnx,exp1)exp()(n）（发射区发射区基区基区集电区集电区PPn)0(nP)(xPnBQnoPW
15、cx)(xnccon0ExEOn)(xNE双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性n ( )exp,CCCOCOCCxxxnnxxL（-）现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1919由少子分布可计算出晶体管中的各项电流成分。在x=0处，由发射区注入基区的空穴电流IEp与少数载流子浓度分布的梯度成正比，因此当W/Lp1时，空穴电流IEp可以由式放大模式下理想晶体管的电流放大模式下理想晶体管的电流 ：同理，在tW处由集电极所收集到的空穴电流为 表示为WxWxVxEB）（1)0(p1kTqexpp)(pn0nn)exp(ddp
16、q00nppkTqVWpqADxDAIEBnpxE)exp(ddpq0nppkTqVWpqADxDAIEBnpWxC双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性发射区发射区基区基区集电区集电区PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE发射区发射区)(P基区基区)(n集电区集电区)(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴电流空穴电流和空穴流和空穴流电子电流电子电流电子流电子流图4.5图4.5当W/Lp1时，IEp= ICp。现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2020而IEn
17、是由基区流向发射区的电子流形成的，ICn是由集电区流向基区的电子流形成的，分别为 其中DE和DC分别为电子在发射区和集电区中的扩散系数。 各端点的电流可由以上各方程式得出。发射极电流IE=IEp+IEn，即 1)exp(AkTqVLnqADdxdnqDIEBEEOExxEEEnECCOCxxCCCnLnqADdxdnqDAIC12111)exp(akTqVaIEBE)(011EEOEnpLnDWpDqAaWpqADanp012其中双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性发射区发射区基区基区集电区集电区PPn)0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE发射区发射
18、区)(P基区基区)(n集电区集电区)(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空穴电流空穴电流和空穴流和空穴流电子电流电子电流电子流电子流图4.5图4.5现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2121集电极电流IC=ICp+ICn，即 可见12= 21。理想晶体管的IB=IE-IC，即 所以，晶体管三端点的电流主要是由基极中的少子分布来决定，一旦获得了各电流成分，即可由其中22211)exp(akTqVaIEBCWpqADanp021)(022CCOCnpLnDWpDqAa)(1)exp()(22122111aakTq
19、VaaIEBB得出共基电流增益 npppEEEEEIIIIIppECTII和T0双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性发发射射区区)(P基基区区)(n集集电电区区)(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴电电流流和和空空穴穴流流电电子子电电流流电电子子流流图图4 4. .5 5现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2222例2：一个理想的p+-n-p晶体管，其发射区、基区和集电区的掺杂浓度分别为1019cm-3、1017cm-3和51015cm-3，而寿命分别为10-8s、10-7s和10-6s，假设有
20、效横截面面积A为0.05mm2，且射基结正向偏压在0.6V，试求晶体管的共基电流增益。其他晶体管的参数为DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。 解： 在基极区域中 在发射极区域中 cmcmDLpPp371010103231729201013. 910)1065. 9(cmcmNnpBincmDLEEE41032i13. 9ncmNnEEO双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2323因为W/Lp=0.051，各电流成分为 共基电流增益0为 AAeI
21、Ep440259. 0/6 . 042419107137. 110105 . 01031. 910105106 . 1AICp4107137. 1AAeIEn80259. 0/6 . 04419105687. 8) 1(1031. 91105106 . 1995. 0105687. 8107137. 1107137. 18440EnEpCpIII双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2424在W/Lp1，所以IB的微小变化将造成IC的剧烈变化。下图是不同的基极电流下，输出电流-电压特
22、性的测量结果。可见当IB=0时，集电极和发射极间还存在一不为零的ICEO。 假设基极的中性区域宽度(W)为定值时，在共射组态的理想晶体管中，固定的IB下，且VEC0(即处于放大区)时，IC与VEC不相关。EBCpnpECBICIEI(a)p-n-p晶体管的共射组态(a)p-n-p晶体管的共射组态EECVBCVB864201020CBOBV饱和饱和截止截止（b）其输出电流电压特性（b）其输出电流电压特性CEOIAIB250CBV0Ic/Ic/m mA A1015205双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性0001BCIICEOBCIII0放大放大现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业
23、大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3232 但实际上，基极中的空间电荷区会随着VEC改变，使得基区的中性区域宽度(W)是VEC的函数，因此IC将与VEC相关。 当VEC增大时，W减小，导致基区中的少数载流子浓度梯度增加，亦即使得扩散电流增加，因此IC也会增加。 下图显示出IC随着VEC的增加而增加，这种电流变化称为厄雷效应，或称为基区宽度调制效应基区宽度调制效应，将集电极电流往左方延伸，与VEC轴相交，可得到交点，称为厄雷电压厄雷电压 VA。 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性CIECV0AVBIEBCpnpECBICIEI(a)p-n-p晶体管的共射组态
24、(a)p-n-p晶体管的共射组态EECVBCVB864201020CBOBV饱和饱和截止截止（b）其输出电流电压特性（b）其输出电流电压特性CEOIAIB250CBV0Ic/Ic/m mA A1015205图4.10图4.10现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3333例3：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。求出共射电流增益0，并以0和ICBO表示ICEO，并求出ICEO的值。 解： 发射效率为 9967. 001. 033nppEEEII
25、I基区输运系数为9967. 0399. 2ppECTII共基电流增益为 9934. 09967. 09967. 00T因此可得 5 .1509934. 019934. 00CBOCBOCEOIII) 1() 11(000AAICEO461032. 11087. 0) 15 .150(所以 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3434前面讨论的是晶体管的静态特性(直流特性)，没有涉及其交流特性，也就是当一小信号重叠在直流值上的情况。小信号意指交流电压和电流的峰值小于直流的电压、电流值
26、。 频率响应频率响应 高频等效电路高频等效电路：图(a)是以共射组态晶体管所构成的放大器电路，在固定的直流输入电压VEB下，将会有直流基极电流IB和直流集电极电流IC流过晶体管，这些电流代表图(b)中的工作点，由供应电压VCC以及负载电阻RL所决定出的负载线，将以一1/RL的斜率与VCE轴相交于VCC。pnp(a)连接成共射组态的双极晶体管(a)连接成共射组态的双极晶体管ciEiBiEBVCCVEBV0246810Ic/Ic/m mA A5101505101520AIB25工作点工作点BitBiBICIcicit负载线负载线输出电流输出电流（b）晶体管电路的小信号工作状态（b）晶体管电路的小信
27、号工作状态图4.12图4.12CCVVVEC/双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性RL现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3535下图(a)是此放大器的低频等效电路。图(b)表示在高频率的状况下，必须在等效电路中加上适当的电容。与正向偏压的p-n结类似，在正向偏压的射基结中，会有一势垒电容CEB和一扩散电容Cd，而在反向偏压的集基结中只存在势垒电容CCB，如所示。 当一小信号附加在输入电压上时，基极电流iB将会随时间变动，而成为一时间函数，如右图所示。 输入电流iB的变动使得输出电流iC跟着变动，
28、 而iC的变动是iB变动的0倍，因此晶体管放大器将输入信号放大了。 pnp(a)连接成共射组态的双极晶体管(a)连接成共射组态的双极晶体管ciEiBiEBVCCVEBV0246810Ic/Ic/m mA A5101505101520AIB25工作点工作点BitBiBICIcicit负载线负载线输出电流输出电流（b）晶体管电路的小信号工作状态（b）晶体管电路的小信号工作状态图4.12图4.12CCVVVEC/( (a a) )基基本本晶晶体体管管等等效效电电路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效电电路路加加上上势势垒垒和和扩扩散散电电容容EBVEECBEBmVgCBCdC
29、EBCEBg双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性( (a a) )基基本本晶晶体体管管等等效效电电路路EBVEECBEBmVggEB现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3636其中(a)基本晶体管等效电路(a)基本晶体管等效电路EBVEECBEBmVg(b)基本等效电路加上势垒和扩散电容(b)基本等效电路加上势垒和扩散电容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB(c)基本等效电路加上电阻和电导(c)基本等效电路加上电阻和电导图
30、4.13图 4.13称为跨导(transconductance)EBCmvig称为输入电导(input conductance)。而基区宽度调制效应(厄雷效应)，将产生一个有限的输出电导。EBBEBvig另外，基极电阻rB和集电极电阻rC也都列入考虑。图(c)是加入上述各器件后的高频等效电路。 ECCECvig双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性gEB现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3737截止频率截止频率 ：在右上图中，跨导gm和输入电导gEB与晶体管的共基电流增益0有关。在低频时， 0是定
31、值 (0 1且0 1)，不会因工作频率而改变，然而当频率升高至一关键点后， 0将会降低。右下图是一典型的共基电流增益相对于工作频率的示意图。加入频率参量后，共基电流增益为 ( (a a) )基基本本晶晶体体管管等等效效电电路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效电电路路加加上上势势垒垒和和扩扩散散电电容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB)/(10ffj其中0是低频(或直流)共基电流增益，f是共基截止频率共基截止频率，当工作频率f = f时，的值为0.707 0(下降3dB)。 双极型晶体管的频率
32、响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性51061071081091010101 . 010010210310dB3fdB3fTf频率频率Hz/现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3838右图中也显示了共射电流增益，由上式可得 其中f称为共射截止频率 )/(110ffjff)1 (0由于01，所以f f。另外，截止频率fT(又称特征频率)定义为|=1时的频率，将前式等号右边的值定为1，可得出 ffffT00020)1 (1由于0 1且0 Qs时，晶体管工作于饱和区。 IC对时间的变化显示在图(c)中。 在导通的过程中，
33、tt1时，QBt1时， QBQs，晶体管进入饱和模式，而发射极和集电极电流大致维持定值。图(d)显示在tt1时，空穴分布pn(x)与t=t1时平行，所以在x=0和x=W处的空穴浓度梯度即电流维持相同。 在关闭的过程中，器件起初是在饱和模式下，直到QB降至Qs，重新回到放大模式。由t2到QB=Qs时的t3这段时间称为存储延迟时间。器件在t=t3后，IC以指数形式衰减到零。 （c）（c）图 4.16 晶体管开关特性.(a)基极输入电流脉冲;(b)基极储存电荷随时间的变化;图 4.16 晶体管开关特性.(a)基极输入电流脉冲;(b)基极储存电荷随时间的变化; (c)集电极电流随时间的变化; (d)基
34、极在不同时间的少数载流子分布 (c)集电极电流随时间的变化; (d)基极在不同时间的少数载流子分布CI0t2t（a）（a）（b）（b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)(xPn2tatSQ0W0t1t和和 3t（d）（d）（ c c ）图图 4 4 . . 1 1 6 6 晶晶 体体 管管 开开 关关 特特 性性 . . ( ( a a ) ) 基基 极极 输输 入入 电电 流流 脉脉 冲冲 ; ; ( ( b b ) ) 基基 极极 储储 存存 电电 荷荷 随随 时时 间间 的的 变变 化化 ; ; ( ( c c ) ) 集集 电电 极极 电
35、电 流流 随随 时时 间间 的的 变变 化化 ; ; ( ( d d ) ) 基基 极极 在在 不不 同同 时时 间间 的的 少少 数数 载载 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a ）（ b b ）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)( xPn2tatSQ0W0t1t和和3t（ d d ）双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性（b b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2t现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4444（c）（c）图 4.16 晶
36、体管开关特性.(a)基极输入电流脉冲;(b)基极储存电荷随时间的变化;图 4.16 晶体管开关特性.(a)基极输入电流脉冲;(b)基极储存电荷随时间的变化; (c)集电极电流随时间的变化; (d)基极在不同时间的少数载流子分布 (c)集电极电流随时间的变化; (d)基极在不同时间的少数载流子分布CI0t2t（a）（a）（b）（b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)(xPn2tatSQ0W0t1t和和 3t（d）（d） 导通时间取决于能如何迅速地将空穴(p-n-p晶体管中的少数载流子)加入基极区域，而关闭时间则取决于能如何迅速地通过复合将空穴移除。
37、 晶体管开关时最重要参数是基区的少子寿命p。 一个有效降低p、使转换变快的方法是加入接近禁带中点的产生-复合中心，使导通时迅速产生少子，关闭时迅速复合少子。 双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4545 由于HBT发射区和基区是不同的半导体材料，它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响，当基区输运系数T非常接近1时，共射电流增益可表示为 异质结双极型晶体管(HBT)是指晶体管中的一个或两个结由不同的半导体材料所构成。HBT的主要优点是发射效率较高，其应用基本
38、上与双极型晶体管相同，但HBT具有较高的速度，可以工作在更高的频率。因为其具有这些特性，HBT在光电、微波和数字应用上非常受欢迎。如在微波应用方面，HBT常被用来制造固态微波及毫米波功率放大器、震荡器和混频器。 HBT的电流增益的电流增益 ： 1,111000TTT异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4646 发射区和基区中的少子浓度可写为 对n-p-n型晶体管，将 EpEOLWnpDD0nE1110代入 可得 EOpEpoEOEpnLWnpDD0n01EEVCEiEONkTENNNnp）
39、（发射区）发射区g2exp)(异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管发射区少子浓度。对于同质结晶体管，可通过重掺杂发射区以减小其数值基区少子浓度。对于同质结晶体管，可通过轻掺杂发射区以增加其数值发射区禁带宽度。对于异质结晶体管，EgE与pEO成反比，增大EgE使pEO数值减小，以增大和0BBVCBipNkTENNNnn）（基区）基区g20exp)(基区禁带宽度。对于异质结晶体管，EgB与np0成反比，减小EgB使np0 数值增大，以增大和0现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4747 因此，由于HBT发射区和基区半导体材料的不
40、同，它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响，且)exp()exp(0kTENNkTEENNgBEgBgEBE异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管 注意：发射区为宽禁带、基区为窄禁带半导体材料，才能实现对电流增益的提高。 一般情况下，异质结晶体管的发射区和基区材料间具有很大的禁带宽度差Eg，发射效率和共射电流增益0可以提到很高。而同质结晶体管并无禁带宽度差存在，必须将发射区和基区的掺杂浓度比提到很高，这是同质结与异质结双极型晶体管最基本的不同处。现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4848 大部分HBT的技术都是在Alx
41、Ga1-xAs/GaAs材料系统中发展的，右图是一个基本n-p-n型HBT结构。 n型发射区是以宽禁带的AlxGa1-xAs组成，为了形成欧姆接触，在发射区接触和砷化铝镓层之间加了一层高掺杂浓度的n+型砷化镓。 p+型基区是以窄禁带的GaAs组成。 n型集电区和n型次集电区分别以低掺杂浓度和高掺杂浓度的GaAs组成。 基本基本HBT结构结构发射极接触发射极接触GaAsn AIGaAsn 基极接触基极接触GaAsP 次极电极次极电极集电极集电极接触接触半绝缘GaAs衬底半绝缘GaAs衬底nGaAs(a)n-p-n HBT结构的截面图示(a)n-p-n HBT结构的截面图示发射区发射区基区基区集电
42、区集电区CEVE(b)放大模式下HBT的能带图(b)放大模式下HBT的能带图图 4.17图 4.17异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管发射极接触发射极接触GaAsn AIGaAsn 基极接触基极接触GaAsP 次极电极次极电极集电极集电极接触接触半绝缘GaAs衬底半绝缘GaAs衬底nGaAs(a)n-p-n HBT结构的截面图示(a)n-p-n HBT结构的截面图示发射区发射区基区基区集电区集电区CEVE发射区和基区间的能带差在异质结界面上造成了一个能带偏移。事实上，HBT优异的特性是直接由价带在异质界面处的不连续所造成的。现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶
43、体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4949EV增加了射基异质结处价带势垒的高度，此效应使得HBT不必像同质结晶体管那样必须降低基区掺杂浓度以保证发射区和基区较高的掺杂浓度比，HBT可以使用较高掺杂浓度的基区，而同时维持极高的发射效率和电流增益；基区的高掺杂浓度可降低基区的方块电阻，且基区可以做得很薄而不需担心穿通效应穿通效应。穿通效应是指集基结的耗尽层往基极延伸，最后与射基结的耗尽层接触的现象。窄基区宽度可以降低基区渡越时间B ，且增加截止频率，这正是人们期望的特性。 发射极接触发射极接触GaAsn AIGaAsn 基极接触基极接触GaAsP 次极电极次极电极集电极集电极接触接触半绝缘Ga
44、As衬底半绝缘GaAs衬底nGaAs(a)n-p-n HBT结构的截面图示(a)n-p-n HBT结构的截面图示发射区发射区基区基区集电区集电区CEVE异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管HBT表现出的性能优势：现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5050二、硅/硅锗(Si/SiGe) 系异质结，此系统有几项特性在HBT的应用中非常具有吸引力。如同砷化铝镓/砷化镓HBT，硅/硅锗HBT也因禁带宽度差可重掺杂基区而具有高速能力。硅界面具有低陷阱密度的特性，可以减少表面复合电流，确保在低集电极电流时，仍可维持高的电流增益。可与标
45、准硅工艺技术相容。1. 不足之处：与砷化镓系和磷化铟系HBT相比，截止频率低。(硅的载流子迁移率较低造成) 一、磷化铟(InP)系(InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs)异质结构有相当多的优点。InP/InGaAs结构具有非常低的表面复合，而且InGaAs的电子迁移率较GaAs高出很多，使基区渡越时间B大大降低，具有相当优异的高频性能，其截止频率可高达254GHz。InP集电极在强电场时比GaAs集电极具有更高的漂移速率，提高信号传输速度。1. InP集电极击穿电压亦比GaAs集电极高，抗击穿性能强。 先进的先进的HBT异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管现代半导体器件物理现代半导
46、体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 51512. 制作缓变基区，以将由发射区到基区的禁带宽度减小。将基区AlxGa1-xAs中的Al的摩尔比率x由0.10作线性变化就可以实现缓变基区。其中存在一内建电场Ebi于准中性基区内，降低少子的基区渡越时间B ，增加了HBT的共射电流增益与截止频率。 在前面基本HBT的能带图中，导带上的能带不连续EC迫使异质结中的载流子必须以热电子发射或隧穿的方法才能越过势垒，因而降低发射效率和集电极电流，是我们所不希望的。此缺点的克服由如下方式达到：1. 制作缓变层异质结，消除EC，下图显示一缓变层加在射基异质结中的能带图，
47、缓变层的厚度为Wg。 先进的先进的HBT异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5252 一个四层p-n-p-n器件，由3个串接的p-n结J1、J2、J3组成。与接触电极相连的最外一p层称为阳极，另一边的n层称为阴极。这个没有额外电极的结构是个两瑞点的器件，被称为p-n-p-n二极管。 在p-n-p-n二极管的基础上，在内层的p2层上引出第三端电极，构成的三端点器件一般称为可控硅器件。引出的第三端电极为栅极。可控硅器件的用途：1. 是一种非常重要的功率器件，对电流、电压的控制范围很广，可控制高
48、电压(额定电压可超过10000V)和高电流(额定电流超过5000A)；2. 用于开关控制，即：使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然；3. 其工作与双极型晶体管的相同之处：传导过程皆牵涉到电子和空穴， 不同之处：开关机制和结构。基本特性基本特性 ：AK1J2J3J1p2p1n2nAIKIgIG可控硅器件及相关功率器件可控硅器件及相关功率器件 现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5353 制作过程： 图(b)是一典型的可控硅器件掺杂浓度分布图，首先选一高阻值的n型硅片当作起始材料(n层)，再以一扩散步骤同
49、时形成p1和p2层，最后用合金或扩散，在硅片的一边形成n2层。能带图： 图(c)是可控硅器件在热平衡状态下的能带图；其中每一个结都有耗尽层，其内建电势由掺杂浓度决定。 可控硅器件及相关功率器件可控硅器件及相关功率器件 AK1J2J3J1p2p1n2n2010201020102010阴极阴极阳极阳极（a a）0 xWx 掺掺杂杂浓浓度度VECECEVE)(b)(c现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5454(1)-(2)：器件处于负电阻区域，也就是电流随电压急骤降低而增加。(2)-(3)：器件处于正向导通或开启状态，具有低阻抗
50、，在点2处dV/dI=0，定义保持电流Ih和保持电压Vh。(0)-(4)：器件处于反向阻断状态。(4)-(5)：器件处于反向击穿状态。IAKVBFVhVsIhIBRV) 0() 1 () 2() 3 () 4() 5 (正正向向导导通通正正向向阻阻断断反反向向阻阻断断图图 4 4. .2 23 3 p p- -n n- -p p- -n n二二极极管管的的电电流流电电压压特特性性p-n-p-n二极管电流-电压特性，其展现出五个不同的区域： (0)-(1)：器件处于正向阻断或是关闭状态，具有很高的阻抗；正向转折(或开关)发生于dV/dI0；在点1定义正向转折电压VBF和开关电流Is。高阻抗低电流