1、第二章 双极型晶体管,*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)；,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) 。
2、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征参数。,约定：未作说明，则讨论的是同质结晶体管。,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,如同二只孤立pn结,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,基本原理结构,2) 基本结构条件,基本条件：偏置；结构；？,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
3、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,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),B. CVD等技术,结构中n+的作用？,4. 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
4、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。,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,2.载流子输运过程,
5、a.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。,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)
6、-用C表示，为,IC = InC + ICBO,IE = InE + IpE,忽略复合,C. 通过基极的电流,基区注入发射区的空穴流-IpE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 - ICBO IVB = InE - InC,流入基极净空穴流用IB表示， 为:,D. 结 论 IE = InE + IpE IC = InC + ICBOIB =IpE + IVB - ICBO IVB = InE - InC IE = IB+ IC,即，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和 。,若 Wb NB(x) ，可使
7、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大。因此，晶体管具有电压放大和功率放大的能力。,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：, 1,IpE / InE,NBNE,WbLnb,2. 共射极电流放大系数-0表示,or,1,3. 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=
8、 （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=0IB +（1+0）ICBO=0IB +ICEO,b.利用 IE = IC + IB 及0与0关系：,IC= 0IE +ICBO= 0（IC +IB）+ICBO IC= 0IB/(1-0 )+ICBO /(1-0 ),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
9、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 ?）。0IB IC (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0 IB = IC,载流子分布？放大能力？,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 Lnb-使基区输运系数* 接近于；发射结正偏，集电结反偏-使载流子从发射区渡越至收集区 B.晶体管共基极电流放大系数0（可以）接近于; C.共射极电流放大系数0一般远大于；
10、 D.输入阻抗低，输出阻抗高，有足够大的电压和功率放大能力。,4. 小结,ex: 1. 试讲述晶体管具有放大能力的结构与偏置条件及其机理？2. 画出不同偏置下晶体管载流子分布，简述饱和态 0IB IC 机理。,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？,InE 扩散流方程 nb(x) 基区连续性方程,InC,IpE 扩散流方程 pe(x) 发射区连续性方程,IpC 扩散流方程 pc(x)
11、 集电区连续性方程,思 路：,IC=InC+IpC,仍用放大状态符号表示,少子扩散运动,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,2. 电流密度:,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:,三、集电区少子浓度及电流分布,与发射区同样过程，有：,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：,# 特性方程物理意义：,一般满足：WbLnb,当(Wb /Lnb) 1时： Sh(Wb /Lnb) X，Ch(Wb
12、/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？,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。,一、发射效率,wbLnb th (wb/Lnb)wb/Lnb,= 1/1W ,b,方块电阻单位面积下，从平行于表面二侧呈现的电阻电阻,#方块电阻
13、物理意义,L,L,= L/LW ,二、基区输运系数*,wbLnb sech(x)=1 - x2/2!,三、输出短路电流放大系数,Wb/Lnb,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,-加速基区少子渡越-IVB Jnc；,-阻止少子扩散，JpE,缓变基区晶体管直流放大系数高,2.作用,1.特征-自建电场,3.基区自建电场-,基区净空穴流,4.发射区自建电场-,电场因子,设：,NB(x),取：pe=pb，nb=ne,与均匀基区晶体管结果相同，其物理意义也相同。,三、基区输运系数,少子渡越基区时间,基区少子寿命,复合几率,JnE,四、输出短路电流放大
14、系数,均匀基区与缓变基区晶体管电流放大系数表征公式相似，物理意义相同。 提高晶体管电流放大系数： 1.提高NENB之比，为保证电流放大系数足够大，一般(NENB)102； 2.减小基区宽度wb； 3.提高基区电场因子； 4.提高基区少子寿命和迁移率。,作业,试证明：缓变基区晶体管载流子的基区渡越时间,其中：,2.共射极:,IC=0IB +ICEO,VBE,VCE,IB =IpE + IVB - ICBO,VCE,Wb,IVB,IB,xmc,VBE导通电压,输出特性曲线二个特征: 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; 随VCB或VCE的增大，输出电流IC略有增大，反
15、映出0和0增大。,3.电流放大系数与电流关系：,VCE,三、发射结空间电荷区复合-小电流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 + IER,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,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
16、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晶体管中。,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=qpb Pb(x)= qpb NB(x) + nb(x),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,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。,设：VCB=C，即：电场曲线下所围面积不变,大注入效应、基区扩展效应同时发生,基区扩展效应,3.发射结
17、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：,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，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
18、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。,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
19、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。,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,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
20、相同，它们的特性也趋于一致。,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=?,2.7 晶体管频率特性,一、晶体管交流电流放大系数与工作频率关系,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
21、最佳功率增益等于时的工作频率。,|=0/,# 充电时常数分析：,ee= re（CTe+CTc）,b= reCDeb= wb2/(Dnb),e=reCTe；,c=rCSCTc；,d=xmc/2vs,四、晶体管交流输出短路电流放大系数,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=reCTe,c=rCSCTc,d=xmc/2vs,一级近似：,五、频率特性与器件结构关系,re=KT/(qAeje) CTe=AeCTe0 CTc=AcCTc0 rcs=cwc/Ac,2.8 晶体管开关特性,二、饱和开关特性分析,ton=
22、td+tr,toff=ts+tf,2.9 异质结晶体管,电流增益高，可比Si同质结晶体管高104； 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； 线性性度高；噪声小；大电流特性好。,异质结晶体管（HBTHeterojunction Bipolar Transistor）：,-发射结采用异质结或发射结和集电结都是异质结的晶体管。,-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：,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
23、，wbLnb,二、发射效率,= 250mv，注入比和发射效率可以比同质发射结高104倍以上。,若,所以，即使NBNE，异质发射结发射效率仍可以高于同质结。,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。,
24、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。,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,2.特征频率,基区禁带渐变，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：,
25、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 。,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,2.GaAs基
26、异质结晶体管-AlxGa1-xAs,Eg=1.424 + 1.247x ( x 0.45),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 与最高振荡频率高的机理。,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。,二、
27、晶体管载流子输运过程,IE = InE + IpE IC = InC + ICBOIB =IpE + IVB - ICBO IVB = InE - InC,1.直流,2.交流,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：, 1,2. 共射极电流放大系数-0表示,or,1,四、I-V方程求解思路,IpC,InC,InE,IpE,IC=InC+IpC,IE=IpE+InE,InE 扩散流方程 nb(x) 连续性方程,InC,IpE 扩散流方程 pe(x) 连续性方程,IpC 扩散流方
28、程 pc(x) 连续性方程,n,p,n,思 路：,五、特性曲线分析,共射极:,IC=0IB +ICEO,VBE,VCE,IB =IpE + IVB - ICBO,VCE,Wb,IVB,IB,xmc,VBE导通电压,六、I-曲线分析,输出特性曲线二个特征: 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; 随VCB或VCE的增大，输出电流IC略有增大，反映出0和0增大。,七、异质结晶体管,能带结构：,E,B,C,2.双异质结晶体管,1.单异质结晶体管,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，wbLnb,2.异质结晶体管特性共射极输出短路电流放大系数,
