半导体物理与器件 教学课件 ppt 作者 裴素华 第3章 双极型晶体管

第3章 双极型晶体管,3.1晶体管的结构与工作原理 3.1.1 晶体管的基本结构,晶体管就有两种基本组合形式：P-N-P型或N-P-N型，它们的结构和符号如图所示，其符号中的箭头方向表示发射结电流的方向。,（a）管芯结构 （b）符号 P-N-P型晶体管的结构和符号,3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布,1. 合金晶体管 PNP型合金管结构与杂质分布如图所示 合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都是均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电结均是突变结。,（a）管芯结构 （b）杂质分布 锗合金晶体管的结构与杂质分布,3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布,2. 平面晶体管 平面晶体管结构与杂质分布如图所示 平面工艺最主要的特点是：利用SiO2稳定的化学性能，能耐高温，具有掩蔽杂质原子扩散和良好的绝缘性能，与光刻技术相配合，可进行选择扩散，这样使平面晶体管具有更为合理的电极形状，薄的基区，钝化的表面，因此在功率、噪声、稳定性、可靠性等方面达到一个较高的水平。,（a）管芯结构 （b）杂质分布 图3-4 硅平面晶体管的结构与杂质分布,3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布,3. 外延平面晶体管 在平面晶体管制造工艺的基础上又发展了一种外延平面晶体管。其结构与杂质分布如图所示 由图可见，双扩散外延平面晶体管的基片电阻率很低，集电极串联电阻很小，使集电极饱和压降减小，晶体管可做得很小，基区宽度Wb很薄，从而使外延平面晶体管在频率特性、开关速度和功率等方面都有很大的提高与改善，因此，成为目前生产最主要的一种晶体管。,（a）管芯结构 （b）杂质分布 硅外延平面管结构及杂质分布示意图,3.1.3 晶体管的工作原理,晶体管最重要的作用是具有放大电信号的能力。为什么紧靠着的两个PN结具有放大作用？要晶体管具有放大作用首先要有适当的电路。,晶体管放大电路原理,3.1.3晶体管的放大功能,基区厚度很大的NPN结构的电流流通与少子分布示意图,3.1.4 晶体管的放大功能,表1给出了型号为3DG6晶体管（硅高频小功率管），在集电结UCC=6V条件下测量所得的实际数据。 晶体管的电压放大系数为： 晶体管的功率放大应等于它的电流放大系数与电压放大系数的乘积，,表1 晶体管各电极电流分配表,3.2 晶体管的电流放大特性,几点假设: 发射结和集电结均为理想的突变结，且结面积相等（用A表示）； 各区杂质为均匀分布，载流子仅做一维传输，不考虑表面的影响； 外加电压全部降落在PN结势垒区，势垒区以外不存在电场； 发射结和集电结势垒区宽度远小于少子扩散长度，且不存在载流子的产生与复合，因而通过势垒区的电流不变； 发射区和集电区的宽度远大于少子扩散长度，而基区宽度远小于少子扩散长度； 注入基区的少子浓度比基区多子浓度低得多，只讨论小注入情况。,3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输,1. 平衡晶体管的能带及载流子的浓度分布 （a）结构 （b）能带 （c）载流子分布 平衡晶体管能带与载流子浓度分布,3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输,2. 非平衡晶体管的能带及少数载流子的浓度分布 （a）结构 （b）能带 （c）少子分布 非平衡晶体管能带与少数载流子浓度分布,3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输,3. 载流子的输运过程 （a）少子分布示意图 （b）载流子输运过程示意图 晶体管中载流子分布及其输运过程示意图,3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输,3. 载流子的输运过程 （1）根据正向PN结特性，发射区注入基区靠发射结边界X2处的电子浓度为 由基区注入发射区靠发射结边界X1处的空穴浓度为 （2） 根据反向PN结特性，集电结两边界X3和X4处的少子浓度分别为,3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成,1. 晶体管内的电流传输 NPN型晶体管电流传输示意图,3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成,2. 晶体管各端电流的形成 （1） 发射极电流IE 从上面的分析与讨论可知，发射极的正向电流IE是由两股电流组成的： IE=Ip(X1)+ In(X2) （3-8） （2） 基极电流IB 基极电流IB是由三部分组成的： IB= Ip(X1)+ IVB-ICBO （3-9） 由于通常情况下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示为 IB Ip(X1)+ IVB （3-10） （3） 集电极电流IC 通过集电结和集电区的电流主要有两股组成： IC= In(X4)+ ICBO （3-11） 因为ICBO很小，（3-11）式可近似表示为 IC=In(X4) （3-12）,3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成,2. 晶体管各端电流的形成 （4） 晶体管三端电流之间的关系 由上面的分析可以得出 In(X2)= IVB + In(X3)= IVB+ In(X4) （3-13） 将（3-13）式代入（3-8）式，得 IE= Ip(X1)+IVB+In(X4) （3-14） 将（3-9）式与（3-11）式相加，可得 IB+ IC= Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO= Ip(X1)+IVB+In(X4) （3-15） 将（3-15）式代入（3-14）式，得 IE=IB+ IC （3-16）,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,1. In(X2)的表达式 In(X2)是注入基区的电子所形成的扩散电流，根据扩散电流公式有 基区电子可近似看成线性分布 基区少子分布示意图,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,根据PN结理论，基区X2和X3处的电子浓度分别为 基区电子分布函数为 那么基区电子的扩散电流In(X2)则为 可求出In(X2)近似为,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,2. Ip(X1)表达式 Ip(X1)是在发射结正偏情况下由基区注入发射区的空穴扩散电流。根据正向PN结特性，边界X1处的少子空穴浓度为 空穴扩散电流为,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,3. IVB表达式 IVB是注入基区的电子与基区中的空穴复合而形成的复合电流。 IVB=-q×单位时间内在基区中复合的电子数 在只考虑体内复合的情况下,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,4. ICBO的表达式 ICBO由电子漂移电流和空穴漂移电流IpCB两部分组成，即ICBO=InCB+IpCB 若晶体管工作在放大区，且有 时，,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,5. IE、IC、IB直流电流方程式 因为IE由Ip(x1)和In(x2)组成，所以 因为IC= In(x4)+ ICBO= In(x2)- IVB + ICBO，所以 因为IB= Ip(x1)+ IVB - ICBO，所以,3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数,1. 共基极直流电流放大系数 在共基极电路中，基极作为输入和输出的公共端，共基极连接方式如下图所示。 NPN型晶体管的共基极连接,3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数,2. 共发射极直流电流放大系数 在共发射极电路中发射极作为输入和输出的公共端，其连接方式如图所示。 NPN型晶体管的共发射极连接,3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数,3. 共集电极直流电流放大系数 共集电极电流放大系数 4.0与0的关系 0和0的关系曲线,3.2. 5 晶体管电流放大系数的定量分析,1. 均匀基区晶体管电流放大的中间参量 （1） 发射结的发射效率0 对于NPN型晶体管，0定义为注入基区的电子电流与发射极总电流之比，即有 （3-41） 由于IE=In(X2)+Ip(X1)， 利用 nbo·pbo= neo·peo =ni2,3.2. 5 晶体管电流放大系数的定量分析,3.2. 5 晶体管电流放大系数的定量分析,（2） 基区输运系数0* 对于NPN晶体管，定义为到达集电结边界X3的电子电流In(X3)与注入基区的电子电流In(X2)之比，即有,3.2. 5 晶体管电流放大系数的定量分析,（3）晶体管直流电流放大系数与0和0*的关系 In(X3)= In(X4)IC 1 1 ，或,3.2. 5 晶体管电流放大系数的定量分析,2. 缓变基区晶体管电流放大的中间参量 （1） 基区自建电场 在缓变基区晶体管中，基区掺杂浓度是不均匀的，因此基区存在着杂质浓度梯度。 NPN平面晶体管净杂质浓度分布,3.2. 5 晶体管电流放大系数的定量分析,利用 ， ， 基区杂质分布,3.2. 5 晶体管电流放大系数的定量分析,（2）发射结的发射效率0 （当WeLPe时） （当WeLPe时）,3.2. 5 晶体管电流放大系数的定量分析,（3）基区输运系数0* （2） （4） 缓变基区共基极直流电流放大系数0 （5） 缓变基区共发射极直流电流放大系数0,3.2. 6 影响晶体管直流电流放大系数的其它因素,1发射结空间电荷区复合对电流放大系数的影响 Ip(X1)= Ip(X2) ，In(X2)= In(X1) IE= Ip(X1)+In(X2) IE= Ip(X1)+In(X2)+IVE 发射效率,3.2. 6 影响晶体管直流电流放大系数的其它因素,发射结空间电荷区复合电流示意图 根据PN结空间电荷区复合电流公式可推出,3.2. 6 影响晶体管直流电流放大系数的其它因素,2. 基区表面复合对电流放大系数的影响 考虑表面复合后NPN管中的电流传输,3. 集电极电流大小对电流放大系数的影响 电流放大系数也与晶体管的工作电流即集电极电流的大小有关，0与IC的变化如图所示。,0与IC的变化曲线,4. 基区宽变效应对电流放大系数的影响 当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽度Xmc也将发生变化，因而会引起有效基区宽度的相应变化，如图所示。这种由于外加电压变化引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽度效应。,基区宽度效应示意图,基区宽变效应对电流放大系数的影响表现在晶体管输出特性曲线族上（输出特性曲线在后面讨论），如图所示。具体表现为曲线随外加电压增加而倾斜上升。,基区宽度效应对输出特性曲线的影响 （a）曲线向上倾斜 （b）基区宽度效应的影响,对均匀基区晶体管，其电流放大系数为,对缓变基区晶体管，其电流放大系数为,由此可见，晶体管的基区宽度越窄，反向偏压越高Xmc越宽，则基区宽度效应对电流放大系数的影响越严重。,5. 温度对电流放大系数的影响,温度对电流放大系数的影响是比较显著的，当温度升高时，0会随之增大，如图所示。,0随温度的变化关系,3.3 晶体管的直流特性曲线 3.3.1 共基极连接直流特性曲线,下图为测量晶体管共基极直流特性曲线的原理图。图中UEB为发射极和基极之间的电压降，UCB为集电极和基极之间的电压降，RE为发射极串联电阻，可控制UEB或IE。,共基极直流特性曲线测量原理电路图,共基极直流输入特性曲线,对于一个给定的UCB，改变UEB，测量IE，可以测得一条IE与UEB的关系曲线，对于不同的UCB值，改变UEB测量IE，可测得一组IE与UEB的关系曲线，称这组曲线为共基极直流输入特性曲线，如图（a）所示。,共基极直流特性曲线 （a）输入特性曲线,由前所知 IE=Jp(X1)+ Jn(X2) AE 式中Jp(X1)为空穴扩散电流密度；