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1、半导体器件基础半导体器件基础2 2半导体器件半导体器件基本概念基本概念 Bipolar Junction TransistorN+ NPPEBCEBCEBCNPNPNP半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件工作原理工作原理半导体器件半导体器件特性参数特性参数 发射效率发射效率(PNP)(PNP) 基区输运系数基区输运系数EnEpEpEEpIIIIIEpCpTII半导体器件半导体器件特性参数特性参数-1 共基极直流电流增益共基极直流电流增益CnCBTdcCBEdcCIIIII00半导体器件半导体
2、器件特性参数特性参数-2 共发射极直流电流增益共发射极直流电流增益dcCBCEdcdcdcdcCBBdcdcCCBBCdcCCEBdcCIIIIIIIIIIII1,111)(00000BCdcII半导体器件半导体器件小结小结 BJT的基本概念的基本概念 BJT的结构与工艺的结构与工艺 BJT的工作原理的工作原理 特性参数特性参数半导体器件半导体器件半导体器件基础半导体器件基础半导体概要半导体概要载流子模型载流子模型载流子输运载流子输运pn结的静电特性结的静电特性pn结二极管：结二极管：I-V特性特性pn结二极管：小信号导纳结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性结二极管：瞬态特性BJT的基础
3、知识的基础知识 BJT静态特性静态特性BJT动态响应模型动态响应模型MOS结构基础结构基础MOSFET器件基础器件基础JFET 和和 MESFET简介简介半导体器件半导体器件理想晶体管模型理想晶体管模型基本假设基本假设载流子在基区的运动是一维的。载流子在基区的运动是一维的。基区宽度大于载流子的平均自由程、因而能够将基区宽度大于载流子的平均自由程、因而能够将载流子在基区的输运看作是扩散载流子在基区的输运看作是扩散+ +漂移漂移; ;基区中准中性近似成立。基区中准中性近似成立。准中性区满足小注入条件。非平衡少于密度低于准中性区满足小注入条件。非平衡少于密度低于同一位置上的多子平衡态密度。同一位置上
4、的多子平衡态密度。忽略基区复合，对于现代高忽略基区复合，对于现代高 晶体管这一条是成立晶体管这一条是成立的。的。稳态条件下工作稳态条件下工作发射区和集电区足够宽发射区和集电区足够宽, ,杂质在三个区中是均匀分杂质在三个区中是均匀分布的布的半导体器件半导体器件边界条件边界条件 发射区发射区1)0 (0) ( 0/022kTqVEEEEEEEEBenxnxnndxndD0XP+半导体器件半导体器件边界条件边界条件-1 基区基区0XP+1)()1()0(0/0/022kTqVBBkTqVBBBBBBCBEBepWpepppdxpdDWN半导体器件半导体器件边界条件边界条件-2 集电区集电区0X1)0
5、(0)(0/022kTqVCCCCCCCCBenxnxnndxndDW半导体器件半导体器件计算方法计算方法 只要求出只要求出 的分布的分布, ,就可计算就可计算各区的电流各区的电流, , 从而计算出各特性参数从而计算出各特性参数. .CBEnpn,半导体器件半导体器件通用解通用解 发射区的解发射区的解发射区通解发射区通解: :EELxLxEeAeAxn/ 2/ 1) (02Ax) 1() 1()(/0/ /0kTqVEEEEnLxkTqVEEEBEEBenLDqAIeenxn半导体器件半导体器件通用解通用解-1 集电区的解集电区的解通解通解: :CCLxLxCeAeAxn/ 2/ 1) (02
6、Ax) 1() 1() (/0/ /0kTqVCCCCnLxkTqVCCCBCCBenLDqAIeenxn半导体器件半导体器件通用解通用解-2 基区通解基区通解BBLxLxBeAeAxp/2/1)(见P.283-284半导体器件半导体器件简化关系式简化关系式 当当WLB时时WxpWppxpWxWpWxpxpBBBBBBB)0()()0()()(1)0()(0w)0(Bp)(WpBx半导体器件半导体器件简化关系式简化关系式-1 特性参数特性参数2222112111211111BEEBBEdcBEEBBEdcBTEEBBELWLWNNDDLWLWNNDDLWLWNNDD半导体器件半导体器件E-M方
7、程方程 BJTBJT的端口特性的端口特性 P289P289半导体器件半导体器件理论和实验的偏差理论和实验的偏差 共基极输入特性共基极输入特性理论特性中发射极电流与理论特性中发射极电流与V VCBCB无关无关实际特性实际特性:I:IE E随随V VCBCB增加显著增加增加显著增加 共基极输出特性共基极输出特性理论理论: V: VCBCB无限制无限制实际实际: :最大为最大为V VCB0CB0半导体器件半导体器件理论和实验的偏差理论和实验的偏差-1 共发射极输入特性共发射极输入特性大部分是一致的大部分是一致的 共发射极输出特性共发射极输出特性理论理论: :完全水平完全水平实际实际: :向上倾斜向上
8、倾斜, , 有最大有最大V VCECE限制限制半导体器件半导体器件基区宽度调制基区宽度调制 W与外加电压有关与外加电压有关WWBkTqVBBEEBepWDqAI02211BEEBBEdcLWLWNNDD半导体器件半导体器件基区宽度调制基区宽度调制-1 对共基极对共基极22111BEEBBEdcLWLWNNDD半导体器件半导体器件基区穿通基区穿通 双极晶体管在基极开路条件下工作，随双极晶体管在基极开路条件下工作，随着外加着外加VCE上升，未发生雪崩击穿而出现上升，未发生雪崩击穿而出现 集电极电流急剧增加的现象集电极电流急剧增加的现象 W0半导体器件半导体器件雪崩倍增和击穿雪崩倍增和击穿 共基极共
9、基极与单个与单个PN结类似结类似, 最大击穿电压为最大击穿电压为VCB0 共发射极共发射极现象现象: VCE0小于小于VCB0CBEVCE半导体器件半导体器件雪崩倍增和击穿雪崩倍增和击穿-1 M1/dcCBBdcdcCdcCBBdcdcCMIIMMIIII111100mdcCBmdcCBCECVVVI/10/100) 1()1 (dc半导体器件半导体器件几何效应几何效应 器件尺寸有限器件尺寸有限, 必须考虑二维效应必须考虑二维效应 发射区面积不等于集电区面积发射区面积不等于集电区面积半导体器件半导体器件几何效应几何效应-1 串联电阻(基区电阻)半导体器件半导体器件复合复合-产生电流产生电流-1
10、 发射结侧向注入及基区表面复合发射结侧向注入及基区表面复合半导体器件半导体器件缓变基区缓变基区)()0(ln)0()()()(10)()()()(BABABBBBWxABABpBpBBBpBpBpBBBpBpBWNNWqkTeNxNdxxdpxpqkTdxxdpqDxpxqxJB半导体器件半导体器件品质因素品质因素 Gummel图图 与与IC的对数的对数关系曲线关系曲线IBICdcVEBIC,IBdc半导体器件半导体器件现代现代BJT结构结构 第一个集成的第一个集成的BJT半导体器件半导体器件现代现代BJT结构结构-1 多晶硅发射结多晶硅发射结BJT半导体器件半导体器件现代现代BJT结构结构-
11、2 HBTBBNr以及基区宽度调制减小以及基区宽度调制减小半导体器件半导体器件小结小结 理想晶体管模型理想晶体管模型 E-M模型模型 实际与理想的偏离实际与理想的偏离 BJT结构结构半导体器件半导体器件半导体器件基础半导体器件基础半导体概要半导体概要载流子模型载流子模型载流子输运载流子输运pn结的静电特性结的静电特性pn结二极管：结二极管：I-V特性特性pn结二极管：小信号导纳结二极管：小信号导纳pn结二极管：瞬态特性结二极管：瞬态特性BJT的基础知识的基础知识BJT静态特性静态特性 BJT动态响应模型动态响应模型MOS结构基础结构基础MOSFET器件基础器件基础JFET 和和 MESFET简
12、介简介半导体器件半导体器件小信号模型小信号模型 小信号工作是指输入信号电流、输出信号电小信号工作是指输入信号电流、输出信号电流、输入信号电压以及输出信号电压之间满流、输入信号电压以及输出信号电压之间满足线性变化关系的工作状态足线性变化关系的工作状态 小信号工作条件：小信号工作条件：输入信号电压以及输出信号电压都远小于热电压输入信号电压以及输出信号电压都远小于热电压(kT/q)(kT/q)(,)(,)(,)BEBEbeCBEbeCEceCBECEcbecevVvi VvVvIVVi vv半导体器件半导体器件小信号模型小信号模型-1iBiCvBEvCECEBECEBEBBbbeceBECEVVCC
13、cbeceBECEVVIIivvVVIIivvVV11122122;CEECBEEBCEECBEEBBBBBBEEBCEECVVVVCCCCBEEBCEECVVVVIIIIggVVVVIIIIggVVVVT半导体器件半导体器件小信号模型小信号模型-1iBiCvBEvCE11122122bbececbeceig vg vig vg vT半导体器件半导体器件小信号等效电路小信号等效电路 混合混合 模型模型在放大偏置模式下并假定基区宽度调制可忽略，由在放大偏置模式下并假定基区宽度调制可忽略，由E-M方程：方程：/0/0/01222(1)0;0EBEBEBEBEBqVKTEFqVKTCFFqVKTBE
14、CFFBCECECVVIIeIIeIIIIeIIggVV半导体器件半导体器件小信号模型小信号模型-121111/mggrg半导体器件半导体器件混合混合 模型模型-1 跨导gmg gm m正比于正比于I Ic c，反比于，反比于T T。g gm m只决定于工作电流及工作温度，与器件所用材只决定于工作电流及工作温度，与器件所用材料无关。料无关。跨导与器件的结面积的大小无关。跨导与器件的结面积的大小无关。半导体器件半导体器件混合混合 模型模型-2 输入电阻输入电阻r 111(/)/ECCdcBEBBBmmVIrIVqIKTIgg半导体器件半导体器件小信号模型小信号模型-121111212221/1/
15、1/()moggrgrgrgg 半导体器件半导体器件瞬态响应瞬态响应 开关工作开关工作器件在开态和关态之器件在开态和关态之间切换间切换开关晶体管的静态参开关晶体管的静态参数包括数包括临界饱和电流临界饱和电流增益增益、饱和深度饱和深度、开开态阻抗态阻抗及及关态阻抗关态阻抗。临界饱和电流增益：临界饱和电流增益：半导体器件半导体器件瞬态响应瞬态响应-1 饱和深度（过驱动因子）饱和深度（过驱动因子） 关态阻抗关态阻抗 开态阻抗开态阻抗过驱动电流过驱动电流半导体器件半导体器件开关时间开关时间开启时间开启时间关断时间关断时间半导体器件半导体器件瞬态开启特性瞬态开启特性基极输入电压脉冲的上升沿到来之后，集电
16、基极输入电压脉冲的上升沿到来之后，集电极电流从截止态小电流上升到饱和态大电流极电流从截止态小电流上升到饱和态大电流的过程。的过程。包含延迟过程和上升过程包含延迟过程和上升过程延迟过程是发射结过渡区电容的充电过程延迟过程是发射结过渡区电容的充电过程半导体器件半导体器件关断时间关断时间始于基极输入电压脉冲的下降沿，集电极电始于基极输入电压脉冲的下降沿，集电极电流下降到反向电流值结束流下降到反向电流值结束包含退饱和过程和下降过程包含退饱和过程和下降过程退饱和过程和下降过程的界限是退饱和过程和下降过程的界限是V VBCBC=0=0半导体器件半导体器件小结小结 小信号模型小信号模型小信号模型的定义小信号模型的定义混合混合 模型模型特征频率和截止频率特征频率和截止频率 瞬态模型瞬态模型上升时间上升时间下降时间下降时间57 结束语结束语