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1、电子和空穴二种极性载流子同时参与输运的具有电流和功率放大能力的三端半导体器件，通常简称晶体管。按功能-高频晶体管、低频晶体管、大功率晶体管、小功率晶体管、开关晶体管、低噪声晶体管，等。由满足一定几何结构参数和材料物理参数要求的二只背靠背的pn结构成；直流和交流工作状态下呈现不同的电学特性。双极型晶体管:基本特征：分类:按材料Ge晶体管、Si晶体管、GaAs、SiGe晶体管等。按能带结构同质结双极晶体管，一般称其为晶体管(BJT)。异质pn结双极晶体管，简称异质结晶体管(HBT)。异质结晶体管具有更优良的电学特性。重点讨论晶体管器件物理-载流子分布、载流子输运物理过程及图像，各种特性产生机理和表
2、征参数。约定：未作说明，则讨论的是同质结晶体管。第1页/共81页2.1 晶体管基本结构1.基本原理结构与条件-基于放大能力正偏反偏pnnLnLn如同二只孤立pn结正偏反偏pnn产生新电学特性正偏pn结与反偏背靠背pn结共用区宽度小于少子扩散长度1)基本原理结构2)基本结构条件基本条件：偏置；结构；？第2页/共81页2.基本类型2)电极结构基区：pn结共用区。该区电极称基极(B)。发射区：正偏pn结的非共用区域。该区电极称发射极(E)。集电区：反偏pn结的非共用区域。该区电极称集电极(C)。发射结：正偏pn结。集电结：反偏pn结。1)类型共用区为p型：称npn型；共用区为n型：称pnp型第3页/
3、共81页3.晶体管制造与掺杂分布A.平面工艺技术-缓变基区晶体管(漂移(型)晶体管)-均匀基区晶体管(扩散(型)晶体管)xjexjcB.CVD等技术CEBBn-n+pn+结构中n+的作用？第4页/共81页xjexjc4.基本结构参数pnp与npn晶体管器件物理基本相同，本章以npn晶体管为例。A.几何结构参数纵向:发射结结深xje；集电结结深xjc；基区宽度wb；集电区宽度wc，等。横向：晶体管表面腑视图所见:基区和发射区宽度、长度；基区和发射区金属引线尺寸；它们之间的边距，等。B.材料物理参数发射区掺杂浓度及分布-NE(x);基区掺杂浓度及分布-NB(x);集电区掺杂浓度及分布NC(通常是常
4、数);少子寿命及迁移率(尤其基区)，等。纵向、横向几何结构参数和材料物理参数决定晶体管特性。第5页/共81页2.2 2.2 晶体管直流放大机理(npn)发射结正偏，集电结反偏；基区宽度小于少子扩散长度。一、放大状态载流子分布及输运特征：A.势垒区二侧边界处少子浓度与孤立pn结相同;B.发射区与集电区少子扩散长度内少子分布分别与孤立pn结相同;C.基区少子浓度及浓度梯度分布由发射结侧与集电结侧边界条件决定。1.少数载流子分布第6页/共81页2.载流子输运过程正偏反偏pnnWba.发射区电子注入基区，边扩散边复合-IVB；b.基区空穴注入发射区，边扩散边复合-IpE；c.发射区注入基区的电子扩散至
5、集电结空间电荷区边界被反偏电场抽至集电区，形成电流-InC；d.集电结反向电流-ICBO。IVB第7页/共81页3.电流(载流子)输运关系发射区注入到基区的电子流-用nE表示；基区注入到发射区的空穴流-用pE表示。流过发射结总电流(发射极流入的总电子流)-E表示，忽略发射结空间电荷区复合，为：输运至集电结势垒区边界并输运至集电区的电子流-nC表示；集电结反向电流-ICBO表示。B.通过集电结(集电极)电流：A.通过发射结(发射极)电流：集电结总电流(集电极电流)-用C表示，为IC=InC+ICBOIE=InE+IpEIVB忽略复合第8页/共81页C.通过基极的电流基区注入发射区的空穴流-IpE
6、表示在基区与发射区注入电子相复合的空穴流-vB表示流出基极的集电结反向电流(空穴流)-CBO表示IB=IpE+IVB-ICBOIVB=InE-InC流入基极净空穴流用IB表示，为:IVB第9页/共81页D.结论IE=InE+IpEIC=InC+ICBOIB=IpE+IVB-ICBOIVB=InE-InCIE=IB+IC即，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。若WbLnb，那么VBnC即VBNB(x)，可使pEnE即pEIB所以，如将基极电流IB作为输入信号，集电极电流IC作为输出信号，则晶体管实现了电流放大。另外，晶体管的正偏发射结电阻远远小于反偏集电结的电阻。这样，输出回路负载电阻可以很
7、大。因此，晶体管具有电压放大和功率放大的能力。IVB第10页/共81页二、电流放大能力分析用电流放大系数(电流增益)表征。通常有共基极和共射极电流放大系数。1.共基极电流放大系数-0表示A.：发射效率B.*基区输运系数：1IpE/InENBNEWb1第12页/共81页3.其它电流关系a.根据定义有共基极IC=0IE+ICBO当IB=0(即共射极基极开路)，有IC=（1+0）ICBO=ICEO-？即，在基极开路时，C-E间电流（称反向电流）是集电结反向电流的（1+0）倍。此时的电流放大系数0是小电流时的放大系数。有共射极IC=0IB+（1+0）ICBO令（1+0）ICBO=ICEO则：IC=0I
8、B+（1+0）ICBO=0IB+ICEOb.利用IE=IC+IB及0与0关系：IC=0IE+ICBO=0（IC+IB）+ICBOIC=0IB/(1-0)+ICBO/(1-0)第13页/共81页三、晶体管其它工作状态 a.发射结反偏，集电结反偏-称晶体管处于截止状态。b.发射结反偏，集电结正偏-称晶体管处反向放大状态。若晶体管纵、横向结构参数完全对称，其放大能力与正常放大偏置相同。否则，放大系数会很小。？c.发射结正偏，集电极正偏-称晶体管处于饱和状态（电流方向?）。0IBIC(IB=IpE+IVB+IpC)(IC=InC-IpC)d.发射结正偏，集电结零偏，称晶体管处于临界饱和状态。此时0IB
9、=IC载流子分布？放大能力？第14页/共81页A.晶体管具有电流放大能力，须具备三个条件：E(x)B(x)-使发射效率尽可能接近于；wb IC机理。第15页/共81页2.3 均匀基区晶体管直流伏安特性方程假设:1.空间电荷区没有载流子产生-复合;2.外加电压主要降在势垒区；3.注入少子远低于平衡多子-小注入；4.晶体管的发射结和集电结偏置电压分别为E和C。IE=?IC=?E和C满足各种偏置特征？第16页/共81页InE扩散流方程nb(x)基区连续性方程InCIpE扩散流方程pe(x)发射区连续性方程IpC扩散流方程pc(x)集电区连续性方程思路：IC=InC+IpC仍用放大状态符号表示IpCI
10、nCInEIpEIE=IpE+InEnpn少子扩散运动第17页/共81页一、基区少子浓度及电流分布1.nb(x):边界条件基区发射结侧非平衡少子基区集电结侧非平衡少子第18页/共81页2.电流密度:第19页/共81页pe(x)x=pe()=pne二、发射区少子浓度及电流分布1.pe(x)边界条件2.电流密度:第20页/共81页三、集电区少子浓度及电流分布与发射区同样过程，有：第21页/共81页四、电流-电压方程(适合于各种偏置)#IE和IC皆与VE、VC有关电流叠加考虑电流实际反向有：第22页/共81页#特性方程物理意义：一般满足：WbLnb当(Wb/Lnb)1时：Sh(Wb/Lnb)X，Ch
11、(Wb/Lnb)1有：发射结电流项（集电结偏压为零）集电结注入基区发射结侧电子电流项（发射结偏压为零）发射结注入基区集电结侧电流项（集电结偏压为零）集电结电流项（发射结偏压为零）基区中电子流物理意义？前述方程中出现双曲函数的原因？第23页/共81页2.4 均匀基区晶体管输出短路电流放大系数1.考虑集电结零偏，即输出短路电流放大系数(电流放大系数是集电结偏置电压的函数)；2.要求：明确电流放大系数与结构参数的关系；3.集电结反偏时的情况后续讨论。正偏零偏pnnWb第24页/共81页一、发射效率wbLnb th(wb/Lnb)wb/Lnb=1/1Wbe方块电阻单位面积下，从平行于表面二侧呈现的电阻
12、电阻pe/nbpb/ne-1W第25页/共81页#方块电阻物理意义beLL=L/LW第26页/共81页二、基区输运系数*wb102、Wb/Lnb第27页/共81页2.5 2.5 缓变基区晶体管直流放大系数一、缓变基区晶体管特征基区自建电场、发射区自建电场减速场(可略)-加速基区少子渡越-IVBJnc；-阻止少子扩散，JpE缓变基区晶体管直流放大系数高2.作用n+p+nn+XN1.特征-自建电场第28页/共81页3.基区自建电场-基区净空穴流4.发射区自建电场-减速场(可略)电场因子设：NB(x)第29页/共81页二、发射效率JnE:JpE:wELpe,Jpe(x)=JpE=Cwb102；2.减
13、小基区宽度wb；3.提高基区电场因子；4.提高基区少子寿命和迁移率。第33页/共81页作业试证明：缓变基区晶体管载流子的基区渡越时间其中：第34页/共81页2.6晶体管直流放大特性分析集电结内自建电场减弱；集电结处少子浓度提高，Jnc减小，Jc减小。EBC一、晶体管特性曲线1.共基极:ICBOIC=0IE+ICBO饱和区截止区放大区正偏JnCJpC|VCB|WbJnEJEXmCnb(0)=C第35页/共81页2.共射极:VCEVBE时IC下降，机理与前同IC=0IB+ICEOICEOCEBVBEVCEVBE导通电压IB=IpE +IVB-ICBO VCEWbIVBIBxmcVBE导通电压VCE
14、=0:二只并联二极管第36页/共81页输出特性曲线二个特征:1.IE与IB较小或较大时，0和0较小，而且IC越大或越小0和0越小;2.随VCB或VCE的增大，输出电流IC略有增大，反映出0和0增大。3.电流放大系数与电流关系：ICVCE第37页/共81页Early(厄利)电压二、基区宽变效应(Early效应)-曲线倾斜机理VCB或VCEXmcWb0、0VCB或VCEXmcWb0、0定义：晶体管有效基区宽度随集电结偏置电压变化而变化的现象，称为晶体管基区宽度效应，又称Early(厄利)效应。机理分析wb1wb2dnb(x)/dxJnEIVBJnc第38页/共81页三、发射结空间电荷区复合-小电流
15、放大系数低的机理 载流子在发射结空间电荷区内的复合是小电流时放大系数小的主要原因。IE=InE+IpE+IERIER小电流(低VE)时，势垒区复合电流所占比例大，随电流(VE)增大，复合电流影响逐渐减小,0、0增大第39页/共81页四、大注入效应-大电流电流放大系数下降的机理大注入：发射区注入基区的非平衡少子浓度nb(x)接近甚至超过基区多子浓度的现象。大注入效应：大注入下，晶体管内产生三种物理现象，即三个效应，分别称为 1.基区电导调制效应；2.有效基区扩展效应；3.发射结电流集边效应。它们都将造成晶体管电流放大系数的下降。这里将它们统称为大注入效应。大注入效应通常发生在工作电流密度高的功率
16、晶体管中。第40页/共81页1.基区电导调制效应基区多子浓度：pb(x)=NB(x)+nb(x)pb(x)=1/b=qpbPb(x)=qpbNB(x)+nb(x)b定义：基区电导随注入基区少子浓度增大而增大(电阻率减小)的现象。设：Wb=C第41页/共81页2.有效基区扩展效应定义：大电流密度下，晶体管有效基区宽度随注入基区电流(载流子)密度的增大而展宽，这种现象称为晶体管有效基区扩展效应，又称kirk效应。nc=JnC/qVSLxmC(集电区侧)(基区侧)设：VCB=C，即：电场曲线下所围面积不变基区少子分布斜率下降|(x)|大注入效应、基区扩展效应同时发生第42页/共81页基区扩展效应nc
17、=JnC/qVSLxmC(集电区侧)(基区侧)；EBCNPNN+WbJnc-+电场曲线下所围面积不变=VCB第43页/共81页3.发射结电流集边效应定义：发射结电流密度从发射结（横向）中心到发射结边缘逐渐增大的现象。基区横向压降：基极电流在基区体电阻上产生的从发射结中心到边缘逐渐增大的压降-用V(x)表示。发射区横向等电位。影响：1.发射结有效面积减小;2.中心区域结面产生反向电流及存在势垒电容；3.导致基区电导调制效应或基区扩展效应在发射结边缘发生，造成电流放大系数下降。机理：第44页/共81页发射结电流根部集中效应发射结电流沿发射区金属电极条纵向流向外电极引线；金属电极层较薄，电阻不可忽略
18、，发射极电流在金属电极层产生纵向压降；纵向压降造成外引线端侧发射区电位低于另一端；基区在纵向等电位；引起发射结正偏向引线端逐渐升高，电流密度逐渐增大。定义：发射结电流密度在纵向沿发射区向外电极引线处逐渐升高的现象。结果：根部集中效应和电流集边效应使发射结电流密度在在引线端发射结的二个弯角处最高，首先发生前二个效应，电流放大系数下降。第45页/共81页三个效应关系基区电导调制效应和基区扩展效应是电流放大系数下降的物理原因；电流集边效应与根部集中效应使电导调制效应和基区扩展效应首先在发射结边缘发生；基区电导调制效应和基区扩展效应一般同时存在。大注入效应的控制：1.限定控制电导调制效应和基区扩展效应
19、所允许的最大电流密度。取二个效应中最大电流密度的较小者作为控制大注入效应临界电流密度。2.为控制电流集边效应，规定发射区有效宽度。考虑发射极根部集中效应，规定了发射区的有效长度。发射区有效宽度和有效长度分别是以它们的横向或纵向压降等于KTq时的值来确定。第46页/共81页五、大注入效应控制1.基区电导调制效应：2.基区扩展效应3.发射区有效条宽4.发射区有效条长*线电流密度线性放大：I00.05mA/m;一般放大：I0=0.050.15mA/m第47页/共81页大注入自建电场定义：基区非平衡多子扩散形成引起电场，称为大注入自建电场。大注入自建电场对渡越基区的少子产生加速作用，但该作用效果被基区
20、扩展效应所屏蔽；缓变基区晶体管，基区自建电场是基区掺杂和非平衡载流子引起的电场迭加；注入基区的非平衡载流子浓度远高于掺杂浓度时，基区自建电场将主要由非平衡载流子决定。在这样条件下，缓变基区晶体管与均匀基区晶体管基区自建电场趋于相同，它们的特性也趋于一致。(x)第48页/共81页作业:1.试解释发射效率、基区输运系数的物理意义；2.试简述放大状态晶体管内部载流子的输运过程；3.试简述晶体管电流放大系数与其结构参数的关系；4.试解释晶体管电流放大系数与工作电流间的曲线。5.对npn晶体管，若WbLnb,WELpE试写出：IE=?IC=?第49页/共81页2.7 晶体管频率特性一、晶体管交流电流放大
21、系数与工作频率关系0/0/二、频率特性表征参数共基极交流输出短路电流放大系数：共基极截止频率-f：共射极交流输出短路电流放大系数：共射极截止频率-f：|=0/特征频率-fT：共射极状态下，|=时的工作频率。最高振荡频率-fmax：共射状态下使最佳功率增益等于时的工作频率。|=0/第50页/共81页发射界交流电压下降，信号迟后；发射结交流电压下降，信号仍迟后。三、晶体管交流载流子输运要点：直流载流子输运；1.势垒电容CT；2.扩散电容CD；3.势垒区宽度；以发射结交流信号上升为例：4.交流信号叠加在直流信号上；5.势垒区变窄；5.边界少子浓度提高。iCTeiCDeeipee=reCTee1=re
22、CDeeiCDebeb=reCDebd=xmc/2vsIVRC=rCSCTcEBCrCS第51页/共81页#充电时常数分析：共基极reCTeCTCrCSCDeeCDebreCTeCTCrCSCDeeCDeb共射极ee=re（CTe+CTc）b=reCDeb=wb2/(Dnb)e=reCTe；c=rCSCTc；d=xmc/2vs第52页/共81页四、晶体管交流输出短路电流放大系数直流：InE=IEIpE;InC=InEIvB交流：nc工作频率越高，电容对电流分流越大，电流放大系数越小。ieCDeeCDebCTeCTce1=reCDeeeb=reCDebe=reCTeC=rCSCTcd=xmc/2
23、vs输出交流电流幅度减小输出电流相位滞后输出交流电流变成复数InC直流：IEIpEInEIVBieCTeCDeepeineCDebVBincicCTc交流：第53页/共81页ee=re（CTe+CTc）b=reCDeb=wb2/(Dnb)基区扩散电容充放电时间=基区少子基区渡越时间。e=reCTec=rCSCTcd=xmc/2vs一级近似：第54页/共81页五、频率特性与器件结构关系re=KT/(qAeje)CTe=AeCTe0CTc=AcCTc0rcs=cwc/Ac第55页/共81页2.8 2.8 晶体管开关特性输入电压可使晶体管处于：1.截止-关态（基极零偏，或二个结都反偏）2.放大临界饱
24、和饱和一、开关特性-开态饱和开关非饱和开关功耗大临界饱和:Vce=Vbe饱和:VceVbe第56页/共81页二、饱和开关特性分析ton=td+trtoff=ts+tf第57页/共81页二、开关机理分析#载流子消失途径：-复合-抽取开关时间成因：载流子再分布过程所需要的时间第58页/共81页2.2.9 异质结晶体管1.电流增益高，可比Si同质结晶体管高104；2.特征频率fT和最高振荡频率fmax高，可以是Si同质结晶体管的几倍-十余倍；3.线性性度高；噪声小；大电流特性好。异质结晶体管（HBTHeterojunctionBipolarTransistor）：-发射结采用异质结或发射结和集电结都
25、是异质结的晶体管。-基区禁带宽度小于发射区禁带宽度，或同时小于发射区和集电区禁带宽度的晶体管。优势：主要得益于异质发射结注入电流比。机理：第59页/共81页一、能带结构：EBC2.双异质结晶体管EBC1.单异质结晶体管第60页/共81页一、异质发射结电流注入比同质发射结电流注入比weLpe，wbLnb异质发射结电流注入比weLpe，wbNE，异质发射结发射效率仍可以高于同质结。第61页/共81页三、异质结晶体管特性1.共射极输出短路电流放大系数结论：1.电流放大系数(发射效率)远高于同质结晶体管；2.利用该特征可以突破同质结晶体管的结构参数极限对晶体管特性造成的制约，提高晶体管的频率特性和其它
26、性能。如：NB可以大于NE-fmax提高；基区宽度可以进一步减小-fT提高。制约同质结晶体管因素：1.发射效率-NE/NB102;2.fmax-NB尽量高(1018),Wb不能太窄。二着至使()与fT不高。同质结晶体管：=250mv，注入比和发射效率可以比同质发射结高104倍以上。第62页/共81页异质结晶体管基区高掺杂，即使基区非常窄，仍然可以大大减小基区电阻；所以最高振荡频率fmax将明显增大。2.最高振荡频率NBrbfmax第63页/共81页2.特征频率发射区掺杂浓度可以降低，减小了发射结势垒电容；基区宽度可以很窄(满足fmax)，从而减小了基区渡越时间.fT第64页/共81页基区禁带渐
27、变，产生少子加速场，基区渡越时间进一步减小。如：发射结侧禁带宽为Ege，集电结侧为（Ege-Egb），那么基区等效电场强度为Egbqwb。若Egb=0.2eV，wb=5106cm，则电场强度可达4104v/cm。同质结缓变基区晶体管中基区掺杂浓度产生的自建电场一般在26103v/cm，比前者约小一个数量级。所以异质结晶体管特征频率进一步得到提高。#特征频率：第65页/共81页4.其它特性基区高掺杂，同时还改善了下述特性-晶体管Early电压高，提高线性度；-有效抑制了大注入效应；-降低了器件的热噪声。5.双异质结晶体管-晶体管进入饱和状态时，可以阻止空穴从基区向集电区的注入，大大减少集电区的贮
28、存电荷，减小储存时间，提高晶体管的开关速度；-提高集电结雪崩击穿电压，原因是宽禁带材料临界击穿电场高；-结构的对称性为晶体管在正反二个方向对称工作及集成电路设计提供了灵活性。第66页/共81页四、异质结晶体管技术1.Si基异质结晶体管-Si1-xGex fT-115GHz；fmax-150GHz。2002.12:fT-350GHz第67页/共81页2.GaAs基异质结晶体管-AlxGa1-xAsEg=1.424+1.247x(x0.45)第68页/共81页作业：1.试叙述晶体管交流载流子输运过程及电流放大系数下降的机理；3.试叙述HBT交直流特性好的根本原因，并简要说明其特征 频率fT与最高振
29、荡频率高的机理。第69页/共81页xjexjc双极晶体管基本结构与原理；*双极晶体管直流放大特性；*双极晶体管频率特性；*异质结双极晶体管(HBT)；一、具有放大功能的晶体管的结构与偏置条件1.背靠背pn结；2.基区宽度小于基区少子扩散长度；3.发射区掺杂浓度高于基区掺杂。4.偏置：放大：发射极正偏，集电极反偏。饱和：发射极正偏，集电极零偏。截止：发射极反偏，集电极反偏。第70页/共81页二、晶体管载流子输运过程IE=InE+IpEIC=InC+ICBOIB=IpE+IVB-ICBOIVB=InE-InC1.直流第71页/共81页2.交流直流载流子输运；势垒电容CT；扩散电容CD；势垒区宽度；
30、以发射结交流信号上升为例：交流信号叠加在直流信号上；势垒区变窄；边界少子浓度提高iCTeiCDeeipee=reCTee1=reCDeeiCDebeb=reCDebd=xmc/2vsIVRC=rCSCTcEBCrCS第72页/共81页三、放大能力分析用电流放大系数(电流增益)表征。通常有共基极和共射极电流放大系数。1.共基极电流放大系数-0表示A.：发射效率B.*基区输运系数：1第74页/共81页四、I-V方程求解思路IpCInCInEIpEIC=InC+IpCIE=IpE+InEInE扩散流方程nb(x)连续性方程InCIpE扩散流方程pe(x)连续性方程IpC扩散流方程pc(x)连续性方程
31、npn思路：第75页/共81页五、特性曲线分析集电结自建电场减弱。集电极处少子浓度提高；EBC1.晶体管特性曲线共基极:ICBOIC=0IE+ICBO饱和区截止区线性区正偏JnCJpC|VCB|WbJnEJEXmC第76页/共81页共射极:IC=0IB+ICEOVCEVBE时IC下降，机理与前同ICEOCEBVBEVCEVBE导通电压IB=IpE+IVB-ICBOVCEWbIVBIBxmcVBE导通电压VCE=0:二只并联二极管第77页/共81页六、I-曲线分析输出特性曲线二个特征:1.IE与IB较小或较大时，0和0较小，而且IC越大或越小0和0越小;2.随VCB或VCE的增大，输出电流IC略有增大，反映出0和0增大。第78页/共81页七、异质结晶体管能带结构：EBC2.双异质结晶体管1.单异质结晶体管EBC第79页/共81页1.异质发射结电流注入比同质发射结电流注入比weLpe，wbLnb异质发射结电流注入比weLpe，wbLnb2.异质结晶体管特性共射极输出短路电流放大系数第80页/共81页感谢您的观看！第81页/共81页