Microelectric phys 5

1、半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)廣東工業(yè)大學(xué)雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1 1Semiconductor Devices Physics and Technology2012,2,16半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2 2本章內(nèi)容本章內(nèi)容q雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理q雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性q雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性q異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管q可控硅器件及

2、相關(guān)功率器件可控硅器件及相關(guān)功率器件半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3 3雙極型晶體管雙極型晶體管(bipolar transistor)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 雙極型晶體管是最重要的半導(dǎo)體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)通過(guò)程的半導(dǎo)體器件，由兩個(gè)相鄰的耦合p-n結(jié)所組成，其結(jié)構(gòu)可為p-n-p或n-p-n的形式。 如圖為一p-n-p雙極型晶體管的透視圖，其制造過(guò)程是以p型半導(dǎo)體為襯底，利用熱擴(kuò)散的原理在p型襯底上形成一n型區(qū)域，

3、再在此n型區(qū)域上以熱擴(kuò)散形成一高濃度的p型區(qū)域，接著以金屬覆蓋p、n以及下方的p型區(qū)域形成歐姆接觸。 雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4 4 圖(a)為理想的一維結(jié)構(gòu)p-n-p雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域，形成兩個(gè)p-n結(jié)。濃度最高的p區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)(emitter，以E表示)；中間較窄的n型區(qū)域，其雜質(zhì)濃度中等，稱為基區(qū)基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度；濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)集電

4、區(qū)(collector，用C表示)。 圖(b)為p-n-p雙極型晶體管的電路符號(hào)，圖中亦顯示各電流成分和電壓極性，箭頭和“十”、“一”符號(hào)分別表示晶體管在一般工作模式(即放大模式放大模式)下各電流的方向和電壓的極性，該模式下，射基結(jié)為正向偏壓(VEB0)，而集基結(jié)為反向偏壓(VCB0)。發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)PE E集集 電電 區(qū)區(qū)P基基 區(qū)區(qū)nBC C+ + + +- - - -E CVE BVC BV( ( a a ) ) 理理 想想 一一 維維 p p - - n n - - p p 雙雙 級(jí)級(jí) 型型 集集 體體 管管發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)PE E集集 電電 區(qū)區(qū)P基基 區(qū)區(qū)nB BC C+ + +

5、 +- -C EVB EVB CV( ( c c ) ) 理理 想想 一一 維維 n n - - p p - - n n 雙雙 級(jí)級(jí) 型型 集集 體體 管管E CV+ +- -B- -+ +E+ +- -CE BVB CVEICIBI( ( b b ) ) p p - - n n - - p p 雙雙 級(jí)級(jí) 型型 集集 體體 管管 的的 電電 路路 符符 號(hào)號(hào)C EV+ +- -B- -+ +E E+ +- -C CB EVC BVEICIBI( ( d d ) ) n n - - p p - - n n 雙雙 級(jí)級(jí) 型型 集集 體體 管管 的的 電電 路路 符符 號(hào)號(hào)圖圖 4 4 . . 2

6、 2發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)PE E集集 電電 區(qū)區(qū)P基基 區(qū)區(qū)nBC C+ + + +- - - -ECVEBVCBV( (a a) )理理 想想 一一 維維 p p- -n n- -p p雙雙 級(jí)級(jí) 型型 集集 體體 管管發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)PE E集集 電電 區(qū)區(qū)P基基 區(qū)區(qū)nB BC C+ + + +- -CEVBEVBCV( (c c) )理理 想想 一一 維維 n n- -p p- -n n雙雙 級(jí)級(jí) 型型 集集 體體 管管ECV+ +- -B- -+ +E+ +- -CEBVBCVEICIBI( (b b) )p p- -n n- -p p雙雙 級(jí)級(jí) 型型 集集 體體 管管 的的 電電 路路

7、 符符 號(hào)號(hào)CEV+ +- -B- -+ +E E+ +- -C CBEVCBVEICIBI( (d d) )n n- -p p- -n n雙雙 級(jí)級(jí) 型型 集集 體體 管管 的的 電電 路路 符符 號(hào)號(hào)圖圖 4 4. .2 2雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 5 5 圖(a)是一熱平衡狀態(tài)下的理想p-n-p雙極型晶體管，即其三端點(diǎn)接在一起，或者三端點(diǎn)都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個(gè)p-n結(jié)的耗盡區(qū)。圖(b)顯示三段摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度，發(fā)射區(qū)的

8、摻雜濃度遠(yuǎn)比集電區(qū)大，基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。圖4.3(c)表示耗盡區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。圖(d)是晶體管的能帶圖，它只是將熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)能帶直接延伸，應(yīng)用到兩個(gè)相鄰的耦合p-n結(jié)與n-p結(jié)。 雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管工作在放大模式發(fā)發(fā) 射射 區(qū)區(qū)基基 區(qū)區(qū)集集 電電 區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxECEFEVECEFEVE圖圖 4 4. .3 3（ a a） 所所 有有 端端 點(diǎn)點(diǎn) 接接 地地 的的 p p- -n n- -p p晶晶 體體 管管 （ 熱熱 平平 衡衡 狀狀 態(tài)態(tài) ）（ b b） 突突 變變 摻摻 雜雜 晶晶 體體 管管 的的 摻摻

9、雜雜 濃濃 度度 分分 布布 （ c c） 電電 場(chǎng)場(chǎng) 分分 布布 （ d d） 熱熱 平平 衡衡 狀狀 態(tài)態(tài) 下下 的的 能能 帶帶 圖圖雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 6 6 圖(a)為工作在放大模式下的共基組態(tài)p-n-p型晶體管，即基極被輸入與輸出電路所共用，圖(b)與圖(c)表示偏壓狀態(tài)下電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)度分布的情形，與熱平衡狀態(tài)下比較，射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄，而集基結(jié)耗盡區(qū)變寬。圖(d)是晶體管工作在放大模式下的能帶圖，射基結(jié)為

10、正向偏壓，因此空穴由p發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。 雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管工作在放大模式發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 7 7 在理想的二極管中，耗盡區(qū)將不會(huì)有產(chǎn)生-復(fù)合電流，

11、所以由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。而集基結(jié)是處在反向偏壓的狀態(tài)，因此將有一反向飽和電流流過(guò)此結(jié)。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時(shí)，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴(kuò)散通過(guò)基區(qū)而到達(dá)集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過(guò)集電區(qū)。此種輸運(yùn)機(jī)制便是注射載流子的“發(fā)射極發(fā)射極“以及收集鄰近結(jié)注射過(guò)來(lái)的載流子的“集集電極電極”名稱的由來(lái)。發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4雙極型晶體管的

12、工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 8 8 如果大部分入射的空穴都沒(méi)有與基區(qū)中的電子復(fù)合而到達(dá)集電極，則集電極的空穴電流將非常地接近發(fā)射極空穴電流。 可見(jiàn)，由鄰近的射基結(jié)注射過(guò)來(lái)的空穴可在反向偏壓的集基結(jié)造成大電流，這就是晶體營(yíng)的放大作用放大作用，而且只有當(dāng)此兩結(jié)彼此足夠接近時(shí)才會(huì)發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p-n結(jié)。相反地，如果此兩p-n結(jié)距離太遠(yuǎn)，所有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復(fù)合而無(wú)法到達(dá)集基區(qū)，并不會(huì)產(chǎn)生晶體管的放大作用，此時(shí)p-n-p的結(jié)構(gòu)就只是單

13、純兩個(gè)背對(duì)背連接的p-n二極管。 發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 9 9 下圖中顯示出一理想的p-n-p晶體管在放大模式下的各電流成分。設(shè)耗盡區(qū)中無(wú)產(chǎn)生-復(fù)合電流，則由發(fā)射區(qū)注入的空穴將構(gòu)成最大的電流成分

14、。電流增益電流增益發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5 大部分的入射空穴將會(huì)到達(dá)集電極而形成Icp。基極的電流有三個(gè)，即IBB、IEn以及ICn。其中IBB代表由基極所供應(yīng)、與入射空穴復(fù)合的電子電流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流，是不希望有的電流成分；ICn代表集電結(jié)附近因熱所產(chǎn)生、由集電區(qū)流往基區(qū)的電子電流。 雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工

15、程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1010晶體管各端點(diǎn)的電流可由上述各個(gè)電流成分來(lái)表示 發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5晶體管中有一項(xiàng)重要的參數(shù)，稱為共基電流增益共基電流增益，定義為 ,EnEpEIII,CnCpCIIICnCpEpEnCEBIIIIIII)(ECIIp0因此，得到 ppnppnpp0ECEEEEECIIIIIIII雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器

16、件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1111發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5第二項(xiàng)稱為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，是到達(dá)集電極的空穴電流量與由發(fā)射極入射的空穴電流量的比，即 所以 上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)稱為發(fā)射發(fā)射效率效率，是入射空穴電流與總發(fā)射極電流的比，即： npppEEEEEIIIIIppECTIIT0雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)

17、體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1212發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū))(P基基區(qū)區(qū))(n集集電電區(qū)區(qū))(PEICIBBIEnICnI CPI EPIBI空空穴穴電電流流和和空空穴穴流流電電子子電電流流電電子子流流圖圖4 4. .5 5其中ICn是發(fā)射極斷路時(shí)(即IE=0)集基極間的電流，記為ICBO，前兩個(gè)下標(biāo)（CB）表示集、基極兩端點(diǎn)，第三個(gè)下標(biāo)（O）表示第三端點(diǎn)(發(fā)射極)斷路，所以ICBO代表當(dāng)發(fā)射極斷路時(shí)，集基極之間的漏電流。共基組態(tài)下的集電極電流可表示為 對(duì)設(shè)計(jì)良好的晶體管，IEn遠(yuǎn)比IEp小，且ICp與IEp非

18、常接近， T與都趨近于1，因此0也接近于1。集電極電流可用0表示，即 CnECnETCnETCnCpCIIIIIIIII0ppCBOECIII0雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1313例1：已知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。試求出下列各值：(a)發(fā)射效率；(b)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T；(c)共基電流增益0；(d)ICBO。 解 （a）發(fā)射效率為 9967. 00

19、1. 033nppEEEIII（b）基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為9967. 0399. 2ppECTII（c）共基電流增益為 9934. 09967. 09967. 00T（d）共基電流增益為 3.01mA,mA01. 0m3npAIIIEEEAAAIIICCm991. 2m001. 0m99. 2npC所以 AmAmAIIIECCBO87. 001. 39934. 0991. 20雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的工作原理半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1414 為推導(dǎo)出理想晶體管的電流、電

20、壓表示式，需作下列五點(diǎn)五點(diǎn)假設(shè)假設(shè)：（1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜均勻摻雜；（2）基區(qū)中的空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略；（3）載流子注入屬于小注入；（4）耗盡區(qū)中沒(méi)有產(chǎn)生-復(fù)合電流；（5）晶體管中無(wú)串聯(lián)電阻。 假設(shè)在正向偏壓的狀況下空穴由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，然后這些空穴再以擴(kuò)散的方式穿過(guò)基區(qū)到達(dá)集基結(jié)，一旦確定了少數(shù)載流子的分布(n區(qū)域中的空穴)，就可以由少數(shù)載流子的濃度梯度得出電流。 各區(qū)域中的載流子分布各區(qū)域中的載流子分布 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體

21、管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1515 圖(c)顯示結(jié)上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，在中性區(qū)域中的少數(shù)載流子分布可由無(wú)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程式表示： 其中Dp和p分別表示少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)和壽命。上式的一般解為 一、基區(qū)區(qū)域：一、基區(qū)區(qū)域：發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 4發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPnEWBWCWADNNxxE輸輸出出BIEICIEBVBCV( (a a) )0W( (b b

22、) )( (c c) )CEVECEVEFEEBVBCVBNExCx( (d d) )圖圖4 4. .4 40022pnnnpppdxpdD)(exp)(exp)(21ppnnLxCLxCpxp其中 為空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度，常數(shù)C1和C2可由放大模式下的邊界條件 pppDL)exp()0(0kTqVppEBnn和0）（Wpn決定。雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1616 其中pn0是熱平衡狀態(tài)下基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度，可由pn0=ni2/NB決

23、定，NB表示基區(qū)中均勻的施主濃度。第一個(gè)邊界條件式表示在正向偏壓的狀態(tài)下，射基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣(x=0)的少數(shù)載流子濃度是熱平衡狀態(tài)下的值乘上exp(qVEB/kT)。第二個(gè)邊界條件表示在反向偏壓的狀態(tài)下，集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣(x=W)的少數(shù)載流子濃度為零。 將邊界條件代入得)(exp)(exp)(21ppnnLxCLxCpxp)sinh()sinh(1)sinh()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPn) 0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE圖圖 4 4. .6 6放放大大模模式式

24、下下p p- -n n- -p p晶晶體體管管中中各各區(qū)區(qū)域域得得少少數(shù)數(shù)載載流流子子分分布布雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1717當(dāng)x1時(shí)，sinh(x)將會(huì)近似于x。所以當(dāng)W/Lp1時(shí)，可簡(jiǎn)化為 即：少數(shù)載流子分布趨近于一直線少數(shù)載流子分布趨近于一直線。此近似是合理的，因?yàn)樵诰w管的設(shè)計(jì)中，基極區(qū)域的寬度遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。如圖?？梢?jiàn)，由線性少數(shù)載流子分布的合理假設(shè)，可簡(jiǎn)化電流-電壓特性的推導(dǎo)過(guò)程。 WxpWxkTqVpxp

25、EB）（1)0(1exp)(n0nn)sinh()sinh(1)sinh()sinh(1exp)(0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp）（發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPn) 0(nP)(xPnBQnoPWcx)(xnccon0ExEOn)(xNE圖圖 4 4. .6 6放放大大模模式式下下p p- -n n- -p p晶晶體體管管中中各各區(qū)區(qū)域域得得少少數(shù)數(shù)載載流流子子分分布布雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 18

26、18和 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的少數(shù)載流子分布可以用類似上述基區(qū)情況的方法求得。在圖中，發(fā)射區(qū)與集電區(qū)中性區(qū)域的邊界條件為 二、發(fā)射極和集電極區(qū)域二、發(fā)射極和集電極區(qū)域 ：)exp()(nkTqVnxxEBEOEE0)exp()(nkTVqnxxCBCOCC其中nEO和nCO分別為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中熱平衡狀態(tài)下的電子濃度電子濃度。設(shè)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度分別遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長(zhǎng)度LE和LC，將邊界條件代入)(exp)(exp)(21EEppLxCLxCnxn得到EEEEBEOEOExxLxxkTqVnnx,exp1)exp()(n）（發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)基基區(qū)區(qū)集集電電區(qū)區(qū)PPn) 0(nP)(xPnBQnoPWcx)

27、(xnccon0ExEOn)(xNE圖圖 4 4. .6 6放放大大模模式式下下p p- -n n- -p p晶晶體體管管中中各各區(qū)區(qū)域域得得少少數(shù)數(shù)載載流流子子分分布布雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 1919只要知道少數(shù)載流子分布，即可計(jì)算出晶體管中的各項(xiàng)電流成分。在x=0處，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴電流IEp與少數(shù)載流子濃度分布的梯度成正比，因此當(dāng)W/Lp1時(shí)，空穴電流IEp可以由式放大模式下理想晶體管的電流放大模式下理想晶體管的電流

28、：同理，在tW處由集電極所收集到的空穴電流為 表示為WxWxVxEB）（1)0(p1kTqexpp)(pn0nn)exp(ddpq00nppkTqVWpqADxDAIEBnpxE)exp(ddpq0nppkTqVWpqADxDAIEBnpWxC雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2020當(dāng)W/Lp1時(shí)，IEp等于ICp。而IEn是由基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電子流形成的，ICn是由集電區(qū)流向基區(qū)的電子流形成的，分別為 其中DE和DC分別為電子在發(fā)射區(qū)和

29、集電區(qū)中的擴(kuò)散系數(shù)。 各端點(diǎn)的電流可由以上各方程式得出。發(fā)射極電流為IEp與IEn的和，即 1)exp(AkTqVLnqADdxdnqDIEBEEOExxEEEnECCOCxxCCCnLnqADdxdnqDAIC12111)exp(akTqVaIEBE)(011EEOEnpLnDWpDqAaWpqADanp012其中雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2121集電極電流是ICp與ICn的和，即 可見(jiàn)12= 21。理想晶體管的基極電流是發(fā)射極電

30、流IE與集電極電流IC的差，即 所以，晶體管三端點(diǎn)的電流主要是由基極中的少數(shù)載流子分布來(lái)決定，一旦獲得了各電流成分，即可由其中22211)exp(akTqVaIEBCWpqADanp021)(022CCOCnpLnDWpDqAa)(1)exp()(22122111aakTqVaaIEBB得出共基電流增益 npppEEEEEIIIIIppECTII和T0雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2222例2：一個(gè)理想的p+-n-p晶體管，其發(fā)射區(qū)、基

31、區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度分別為1019cm-3、1017cm-3和51015cm-3，而壽命分別為10-8s、10-7s和10-6s，假設(shè)有效橫截面面積A為0.05mm2，且射基結(jié)正向偏壓在0.6V，試求晶體管的共基電流增益。其他晶體管的參數(shù)為DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。 解： 在基極區(qū)域中 在發(fā)射極區(qū)域中 cmcmDLpPp371010103231729201013. 910)1065. 9(cmcmNnpBincmDLEEE41032i13. 9ncmNnEEO雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東

32、工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2323因?yàn)閃/Lp=0.051，各電流成分為 共基電流增益0為 AAeIEp440259. 0/6 . 042419107137. 110105 . 01031. 910105106 . 1AICp4107137. 1AAeIEn80259. 0/6 . 04419105687. 8) 1(1031. 91105106 . 1995. 0105687. 8107137. 1107137. 18440EnEpCpIII雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物

33、理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 2424在W/Lp0時(shí)，集電極電流與VEC不相關(guān)。當(dāng)假設(shè)中性的基極區(qū)域(W)為定值時(shí)，上述特性始終成立。然而延伸到基極中的空間電荷區(qū)域會(huì)隨著集電極和基極的電壓改變，使得基區(qū)的寬度是集基偏壓的函數(shù)，因此集電極電流將與VEC相關(guān) EBCpnpECBICIEI( (a a) )p p- -n n- -p p晶晶 體體 管管 的的 共共 射射 組組 態(tài)態(tài)EECVBCVB864201020C BOBV飽飽 和和截截 止止（ b b） 其其 輸輸 出出 電電 流流 電電 壓壓 特特 性性C E

34、OIAIB250C BV0I Ic c/ /m mA A1015205圖圖 4 4. .1 10 0雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3232 當(dāng)集電極和基極間的反向偏壓增加時(shí)，基區(qū)的寬度將會(huì)減少，導(dǎo)致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度增加，亦即使得擴(kuò)散電流增加，因此IC也會(huì)增加。下圖顯示出IC隨著VEC的增加而增加，這種電流變化稱為厄雷效應(yīng)，或稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將集電極電流往左方延伸，與VEC軸相交，可得到交點(diǎn)，稱為厄雷電壓厄

35、雷電壓。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性CIECV0AVBI半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3333例3：已知在一理想晶體管中，各電流成分為：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。求出共射電流增益0，并以0和ICBO表示ICEO，并求出ICEO的值。 解： 發(fā)射效率為 9967. 001. 033nppEEEIII基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為9967. 0399. 2ppECTII共基電流增益為 9934. 09967. 09967.

36、00T因此可得 5 .1509934. 019934. 00CBOCBOCEOIII) 1() 11(000AAICEO461032. 11087. 0) 15 .150(所以 雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的靜態(tài)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3434前面討論的是晶體管的靜態(tài)特性(直流特性)，沒(méi)有涉及其交流特性，也就是當(dāng)一小信號(hào)重疊在直流值上的情況。小信號(hào)意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 高頻等效電路高頻等效電路：圖(a)是以共射組態(tài)晶體

37、管所構(gòu)成的放大器電路，在固定的直流輸入電壓VEB下，將會(huì)有直流基極電流IB和直流集電極電流IC流過(guò)晶體管，這些電流代表圖(b)中的工作點(diǎn)，由供應(yīng)電壓VCC以及負(fù)載電阻RL所決定出的負(fù)載線，將以一1/RL的斜率與VCE軸相交于VCC。pnp( (a a) )連連 接接 成成 共共 射射 組組 態(tài)態(tài) 的的 雙雙 極極 晶晶 體體 管管ciEiBiEBVC CVEBV0246810I Ic c/ /m mA A5101505101520AIB25工工 作作 點(diǎn)點(diǎn)BitBiBICIcicit負(fù)負(fù) 載載 線線輸輸 出出 電電 流流（ b b） 晶晶 體體 管管 電電 路路 的的 小小 信信 號(hào)號(hào) 工工

38、作作 狀狀 態(tài)態(tài)圖圖 4 4. .1 12 2C CVVVEC/雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3535下圖(a)是此放大器的低頻等效電路，在更高頻率的狀況下，必須在等效電路中加上適當(dāng)?shù)碾娙?。與正向偏壓的p-n結(jié)類似，在正向偏壓的射基結(jié)中，會(huì)有一勢(shì)壘電容CEB和一擴(kuò)散電容Cd，而在反向偏壓的集基結(jié)中只存在勢(shì)壘電容CCB，如圖 (b)所示。 當(dāng)一小信號(hào)附加在輸入電壓上時(shí)，基極電流iB將會(huì)隨時(shí)間變動(dòng)，而成為一時(shí)間函數(shù)，如右

39、圖所示?；鶚O電流的變動(dòng)使得輸出電流iC跟著變動(dòng)， 而iC的變動(dòng)是iB變動(dòng)的0倍，因此晶體管放大器將輸入信號(hào)放大了。 pnp( (a a) )連連 接接 成成 共共 射射 組組 態(tài)態(tài) 的的 雙雙 極極 晶晶 體體 管管ciEiBiEBVC CVEBV0246810I Ic c/ /m mA A5101505101520AIB25工工 作作 點(diǎn)點(diǎn)BitBiBICIcicit負(fù)負(fù) 載載 線線輸輸 出出 電電 流流（ b b） 晶晶 體體 管管 電電 路路 的的 小小 信信 號(hào)號(hào) 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài)圖圖 4 4. .1 12 2C CVVVEC/( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路

40、路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢(shì)勢(shì)壘壘和和擴(kuò)擴(kuò)散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB( (c c) )基基本本等等效效電電路路加加上上電電阻阻和和電電導(dǎo)導(dǎo)圖圖 4 4. .1 13 3( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢(shì)勢(shì)壘壘和和擴(kuò)擴(kuò)散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB( (c c) )基

41、基本本等等效效電電路路加加上上電電阻阻和和電電導(dǎo)導(dǎo)圖圖 4 4. .1 13 3雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3636其中( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢(shì)勢(shì)壘壘和和擴(kuò)擴(kuò)散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB( (c c) )基基本本等等效

42、效電電路路加加上上電電阻阻和和電電導(dǎo)導(dǎo)圖圖 4 4. .1 13 3稱為跨導(dǎo)(transconductance)EBCmvig稱為輸入電導(dǎo)(input conductance)。而基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，將產(chǎn)生一個(gè)有限的輸出電導(dǎo)。EBBEBvig另外，基極電阻和集電極電阻也都列入考慮。圖(c)是加入上述各器件后的高頻等效電路。 ECCECvig雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3737截止頻率截止頻率 ：在右上圖中，跨導(dǎo)gm和

43、輸入電導(dǎo)gEB與晶體管的共基電流增益有關(guān)。在低頻時(shí)，共基電流增益是一固定值，不會(huì)因工作頻率而改變，然而當(dāng)頻率升高至一關(guān)鍵點(diǎn)后，共基電流增益將會(huì)降低。右下圖是一典型的共基電流增益相對(duì)于工作頻率的示意圖。加入頻率的參量后，共基電流增益為 ( (a a) )基基本本晶晶體體管管等等效效電電路路EBVEECBEBmVg( (b b) )基基本本等等效效電電路路加加上上勢(shì)勢(shì)壘壘和和擴(kuò)擴(kuò)散散電電容容EBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgEBVEECBEBmVgCBCdCEBCEBgECgCCrBrB( (c c) )基基本本等等效效電電路路加加上上電電阻阻和和電電導(dǎo)導(dǎo)圖圖 4 4. .1 13 3

44、)/(10ffj其中0是低頻(或直流)共基電流增益，f是共基截止頻率共基截止頻率，當(dāng)工作頻率f=f時(shí)，的值為0.707 0(下降3dB)。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性51061071081091010101 . 010010210310dB3fdB3fTf頻率頻率Hz/半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3838右圖中也顯示了共射電流增益，由上式可得 其中f稱為共射截止頻率 )/(110ffjff)1 (0由于01，所以f遠(yuǎn)小于f。另外，一截止頻率

45、fT(又稱特征頻率)定義為的絕對(duì)值變?yōu)?時(shí)的頻率，將前式等號(hào)右邊的值定為1，可得出 ffffT00020)1 (1因此fT很接近但稍小于 f。雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性51061071081091010101 . 010010210310dB3fdB3fTf頻率頻率Hz/半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 3939其中A是器件的截面積，p(x)是少數(shù)載流于的分布，空穴經(jīng)過(guò)基區(qū)所需的時(shí)間B為 特征頻率fT也可以表示為(2T)-1，其中T代表載流子從發(fā)

46、射極傳輸?shù)郊姌O所需的時(shí)間，它包含了發(fā)射區(qū)延遲時(shí)間E、基區(qū)渡超時(shí)間B以及集電區(qū)渡越時(shí)間C。其中最主要的時(shí)間是B。少數(shù)載流子在dt時(shí)段中所走的距離為dtv(x)dt，其中v(x)是基區(qū)中的少數(shù)載流子的有效速度，此速度與電流的關(guān)系為 AxpxqvIP)()(dxIAxqpxvdxWPWB00)()(雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4040以線性空穴分布為例，將 要改善頻率響應(yīng)，必須縮短少數(shù)載流子穿越基區(qū)所需的時(shí)間，所以高頻

47、晶體管都設(shè)計(jì)成短基區(qū)寬度。由于在硅材料中電子的擴(kuò)散系數(shù)是空穴的三倍，所有的高頻硅晶體管都是n-p-n的形式(基區(qū)中的少數(shù)載流子是電子)另一個(gè)降低基區(qū)渡越時(shí)間的方法是利用有內(nèi)建電場(chǎng)的緩變摻雜基區(qū)，摻雜濃度變化(基區(qū)靠近發(fā)射極端摻雜濃度高，靠近集電極端摻雜濃度低)產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)將有助于載流子往集電極移動(dòng)，因而縮短基區(qū)渡越時(shí)間。 代入dxIAxqpxvdxWPWB00)()(PBDW22)exp(0pkTqVWpqADIEBnpC因此fT很接近但稍小于 f。WxVxEB）（1kTqexpp)(p0nn和雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理

48、與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4141 在數(shù)字電路中晶體管的主要作用是當(dāng)作開(kāi)關(guān)。可以利用小的基極電流在極短時(shí)間內(nèi)改變集電極電流由關(guān)(off)的狀態(tài)成為開(kāi)(on)的狀態(tài)(反之亦然)。關(guān)是高電壓低電流的狀態(tài)，開(kāi)是低電壓高電流的狀態(tài)。圖(a)是一個(gè)基本的開(kāi)關(guān)電路，其中射基電壓瞬間由負(fù)值變?yōu)檎?。圖(b)是晶體管的輸出電流，起初因?yàn)樯浠Y(jié)與集基結(jié)都是反向偏壓，集電極電流非常低，但射基電壓由負(fù)變正后，集電極電流沿著負(fù)載線，經(jīng)過(guò)放大區(qū)最后到達(dá)高電流狀態(tài)的飽和區(qū)，此時(shí)射基結(jié)與集基結(jié)都變?yōu)檎蚱珘?。因此晶體管在關(guān)的狀態(tài)下，亦即工

49、作于截止模式時(shí)，發(fā)射極與集電極間不導(dǎo)通；而在開(kāi)的狀態(tài)下，亦即工作在飽和模式時(shí)，發(fā)射極與集電極間導(dǎo)通因此晶體管可近似于一理想的開(kāi)關(guān)。 pnpCIBIE BVEISRLREBVSV0t( (a a) )晶晶 體體 管管 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 電電 路路0CI負(fù)負(fù) 載載 線線E CV截截 止止關(guān)關(guān)BI放放 大大飽飽 和和開(kāi)開(kāi)I Ic c( (b b) )晶晶 體體 管管 由由 截截 止止 模模 式式 切切 換換 到到 飽飽 和和 模模 式式圖圖 4 4. .1 15 5pnpCIBIE BVEISRLRE BVSV0t( (a a) )晶晶 體體 管管 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 電電 路路0CI負(fù)負(fù) 載載 線線E CV截截

50、 止止關(guān)關(guān)BI放放 大大飽飽 和和開(kāi)開(kāi)I Ic c( (b b) )晶晶 體體 管管 由由 截截 止止 模模 式式 切切 換換 到到 飽飽 和和 模模 式式圖圖 4 4. .1 15 5雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4242開(kāi)關(guān)時(shí)間是指晶體管狀態(tài)從關(guān)變?yōu)殚_(kāi)或從開(kāi)變?yōu)殛P(guān)所需的時(shí)間，圖(a)顯示一輸入電流脈沖在t0時(shí)加在射基端點(diǎn)上，晶體管導(dǎo)通在tt2時(shí)，電流瞬間轉(zhuǎn)換到零，晶體管關(guān)閉。集電極電流的暫態(tài)行為可由儲(chǔ)存在基區(qū)申的

51、超量少數(shù)載流子電荷QB(t)來(lái)決定，圖(b)是QB(t)與時(shí)間的關(guān)系圖。在導(dǎo)通的過(guò)程中，基區(qū)儲(chǔ)存電荷將由零增加到QB(t2)；在關(guān)閉的過(guò)程中，基區(qū)儲(chǔ)存電荷由QB(t2)減少到零。（ c c）圖圖 4 4. .1 16 6 晶晶 體體 管管 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 特特 性性 . .( (a a) )基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ;( (b b) )基基 極極 儲(chǔ)儲(chǔ) 存存 電電 荷荷 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ; ; ( (c c) )集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ; ; ( (d d) )基基 極極 在在 不不 同同 時(shí)時(shí) 間間 的的 少

52、少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a）（ b b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)(xPn2tatSQ0W0t1t和和 3t（ d d）開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4343 當(dāng)QB(t)Qs時(shí)，晶體管工作于放大模式下，其中Qs是VCB=0時(shí)基區(qū)中的電荷量如圖(d)，在飽和區(qū)的邊緣。 IC對(duì)時(shí)間的變化顯示在圖(c)中。在

53、導(dǎo)通的過(guò)程中，基區(qū)存儲(chǔ)電荷量達(dá)到Qs，電荷量在t=t1時(shí)達(dá)到飽和區(qū)邊緣。當(dāng)QBQs時(shí)晶體管進(jìn)入飽和模式，而發(fā)射極和集電極電流大致維持定值。圖(d)顯示在tt1時(shí)，空穴分布pn(x)與t=t1時(shí)平行，所以在x=0和x=W處的空穴濃度梯度即電流維持相同。在關(guān)閉的過(guò)程中，器件起初是在飽和模式下，集電極的電流大約維持不變，直到QB降至Qs，如圖(d)。（ c c ）圖圖 4 4 . . 1 1 6 6 晶晶 體體 管管 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 特特 性性 . . ( ( a a ) ) 基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ; ( ( b b ) ) 基基 極極 儲(chǔ)儲(chǔ) 存存 電電 荷荷 隨隨 時(shí)時(shí)

54、間間 的的 變變 化化 ; ; ( ( c c ) ) 集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ; ; ( ( d d ) ) 基基 極極 在在 不不 同同 時(shí)時(shí) 間間 的的 少少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a ）（ b b ）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)( xPn2tatSQ0W0t1t和和3t（ d d ）（ c c）圖圖 4 4. .1 16 6 晶晶 體體 管管 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 特特 性性 . .( (a a) )基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ;( (b b)

55、)基基 極極 儲(chǔ)儲(chǔ) 存存 電電 荷荷 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ; ; ( (c c) )集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ; ; ( (d d) )基基 極極 在在 不不 同同 時(shí)時(shí) 間間 的的 少少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a）（ b b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)(xPn2tatSQ0W0t1t和和 3t（ d d）雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物

56、理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4444 由t2到QB=Qs時(shí)的t3這段時(shí)間稱為存儲(chǔ)延遲時(shí)間。當(dāng)QB=Qs，器件在t=t3時(shí)進(jìn)入放大模式，在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之后，集電極電流將以指數(shù)形式衰減到零。 （ c c ）圖圖 4 4 . . 1 1 6 6 晶晶 體體 管管 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 特特 性性 . . ( ( a a ) ) 基基 極極 輸輸 入入 電電 流流 脈脈 沖沖 ; ; ( ( b b ) ) 基基 極極 儲(chǔ)儲(chǔ) 存存 電電 荷荷 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ; ; ( ( c c ) ) 集集 電電 極極 電電 流流 隨隨 時(shí)時(shí) 間間 的的 變變 化化 ;

57、; ( ( d d ) ) 基基 極極 在在 不不 同同 時(shí)時(shí) 間間 的的 少少 數(shù)數(shù) 載載 流流 子子 分分 布布CI0t2t（ a a ）（ b b ）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2tt01t3tat2tCI)(1tICst)( xPn2tatSQ0W0t1t和和3t（ d d ） 導(dǎo)通的時(shí)間取決于能如何迅速地將空穴(p-n-p晶體管中的少數(shù)載流子)加入基極區(qū)域，而關(guān)閉的時(shí)間則取決于能如何迅速地通過(guò)復(fù)合將空穴移除。晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)最重要的一個(gè)參數(shù)是少數(shù)載流子的壽命p，一個(gè)有效降低p、使轉(zhuǎn)換變快的方法是加入接近禁帶中點(diǎn)的產(chǎn)生-復(fù)合中心。 雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性雙極型晶體管的頻率

58、響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4545 由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)是不同的半導(dǎo)體材料，它們的禁帶寬度差將對(duì)HBT的電流增益造成影響，當(dāng)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)T非常接近1時(shí)，共射電流增益可表示為 異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管(HBT)是指晶體管中的一個(gè)或兩個(gè)結(jié)由不同的半導(dǎo)體材料所構(gòu)成。HBT的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)射效率較高，其應(yīng)用基本上與雙極型晶體管相同，但HBT具有較高的速度，可以工作在更高的頻率。因?yàn)槠渚哂羞@些特性，HBT在光電、微波和數(shù)字應(yīng)用上非常受歡迎。如在微波應(yīng)用方面，HBT常被用來(lái)制造固

59、態(tài)微波及毫米波功率放大器、震蕩器和混頻器。 HBT的電流增益的電流增益 ： 1,111000TTT異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4646 發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度可寫為 對(duì)n-p-n型晶體管，將 EpEOLWnpDD0nE1110代入 可得 EOpEpoEOEpnLWnpDD0n01EEVCEiEONkTENNNnp）（發(fā)射區(qū)）發(fā)射區(qū)g2exp)(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理

60、與光電工程學(xué)院廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院雙極型晶體管及相關(guān)器件雙極型晶體管及相關(guān)器件 4747 因此，由于HBT發(fā)射區(qū)和基區(qū)半導(dǎo)體材料的不同，它們的禁帶寬度差將對(duì)HBT的電流增益造成影響，且)exp()exp(0kTENNkTEENNgBEgBgEBE 其中NE和EB分別是發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度， NC和NV分別是導(dǎo)帶和價(jià)帶底的有效狀態(tài)密度，EgE是發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體的禁帶寬度，NC、NV和EgB則是基區(qū)半導(dǎo)體上相應(yīng)的參數(shù). BBVCBipNkTENNNnn）（基區(qū)）基區(qū)g20exp)(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管半導(dǎo)體器件物理與工藝半導(dǎo)體器件物理與工藝廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院廣東