三極管簡(jiǎn)介教材

1、-BJT-什么是什么是BJTBJT？全稱全稱bipolar junction transistor（雙極性結(jié)型晶體管）（雙極性結(jié)型晶體管）一種具有三個(gè)終端的電子一種具有三個(gè)終端的電子器件器件發(fā)明于二十世紀(jì)中期發(fā)明于二十世紀(jì)中期對(duì)，沒錯(cuò)，對(duì)，沒錯(cuò)，它就是半導(dǎo)體三極管。它就是半導(dǎo)體三極管。在二十世紀(jì)中期前，因半導(dǎo)體尚未在二十世紀(jì)中期前，因半導(dǎo)體尚未普及，基本上當(dāng)時(shí)所有的電子器材普及，基本上當(dāng)時(shí)所有的電子器材均使用真空管。均使用真空管。真空管的最早發(fā)明，可以追溯到愛真空管的最早發(fā)明，可以追溯到愛迪生。迪生。在在BJTBJT之前之前- -真空管真空管2021-12-16 目前，在一些高保真的音響器材，

2、微波爐，人造 衛(wèi)星的高頻發(fā)射機(jī)，部分戰(zhàn)斗機(jī)的防電磁脈沖干擾裝置中仍然使用真空管。 對(duì)于大功率放大設(shè)備（如百萬瓦級(jí)電臺(tái)）和衛(wèi)星而言，大功率的真空管是唯一的選擇。 高頻電焊機(jī)和X射線機(jī)中，真空管是主流器件。BJTBJT與與ICIC的歷史與發(fā)展的歷史與發(fā)展 真空管存在成本高、真空管存在成本高、不耐用、體積大、不耐用、體積大、效能低等問題。效能低等問題。 19471947年年1212月，貝爾月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰實(shí)驗(yàn)室的約翰巴巴丁、沃爾特丁、沃爾特布喇布喇頓在威廉頓在威廉肖克利肖克利的指導(dǎo)下共同發(fā)明的指導(dǎo)下共同發(fā)明了點(diǎn)接觸形式的雙了點(diǎn)接觸形式的雙極性晶體管。極性晶體管。19481948年，肖克利發(fā)明了采

3、用結(jié)型構(gòu)造的雙極性晶體管。年，肖克利發(fā)明了采用結(jié)型構(gòu)造的雙極性晶體管。貝爾實(shí)驗(yàn)室約翰約翰巴丁巴丁沃爾特沃爾特布喇頓布喇頓威廉威廉肖克利肖克利 肖克利發(fā)明二極管之后，離開了貝爾實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)辦可自己的半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室。第二年，八位年輕的科學(xué)家從美國(guó)東部陸續(xù)到達(dá)硅谷，加盟了肖克利實(shí)驗(yàn)室。肖克利是天才的科學(xué)家，但是缺乏經(jīng)營(yíng)能力，他雄心勃勃，但是對(duì)管理一竅不通。羅伯特諾伊斯，戈登摩爾等八人離開了肖克利，在仙童公司旗下創(chuàng)辦了仙童半導(dǎo)體公司。仙童公司 仙童公司制造晶體管時(shí)首先把具有半導(dǎo)體性質(zhì)的雜質(zhì)擴(kuò)散到高純度硅上，然后在掩膜上繪制好晶體管結(jié)構(gòu)，用照相制版的方法縮小，將結(jié)構(gòu)顯影在硅片表面氧化層，再用光刻法去掉不需要

4、的部分，整個(gè)過程叫做平面處理技術(shù)，它標(biāo)志著硅晶體管批量生產(chǎn)的一次大飛越。 這項(xiàng)技術(shù)為仙童們打開了思想的大門，用這種方法既然能做一個(gè)晶體管，為什么不能做成百上千個(gè)呢？ 1959年1月23日，羅伯特諾伊斯在自己的日記中記下了這一閃光設(shè)想。 1959年2月，德州儀器公司工程師基爾比申請(qǐng)了第一個(gè)集成電路的發(fā)明專利。1959年2月，德克薩斯儀器公司工程師基爾比申請(qǐng)第一個(gè)集成電路發(fā)明專利，但是由于技術(shù)限制，基爾比不能很好的解決在硅片上進(jìn)行兩次擴(kuò)散和導(dǎo)線互相連接等等問題，這些正是仙童半導(dǎo)體公司的拿手好戲。1959年7月，解決這些問題的仙童公司向美國(guó)專利局申請(qǐng)了發(fā)明專利。德州儀器公司 1969年，法院宣判，從

5、法律上承認(rèn)集成電路是由德州儀器公司和仙童半導(dǎo)體公司同時(shí)發(fā)明。 基爾比和羅伯特諾伊斯對(duì)集成電路做出了突出貢獻(xiàn)，基爾被譽(yù)為“第一塊集成電路的發(fā)明家”，諾伊斯被譽(yù)為“提出了適合工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論”的人。羅伯特諾伊斯（19271990） 1960年，仙童半導(dǎo)體公司創(chuàng)始人之一的戈登摩爾，用三頁紙的短小篇幅，發(fā)表了摩爾定律，這一定律后來因在集成電路的發(fā)展得以印證，成為新興電子電腦產(chǎn)業(yè)的第一定律。戈登摩爾（1929） 仙童公司作為當(dāng)時(shí)世界上最大，最富創(chuàng)新精神和最令人振奮的半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)，為硅谷培育了成千上萬的技術(shù)人才和管理人才，一批又一批的仙童從這里奪路而出，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從此開枝散葉。 80年代初出版的著

6、名暢銷書硅谷熱中寫到：”硅谷大約70家半導(dǎo)體公司的半數(shù)，是仙童公司的直接或者間接后裔，1969年的一次半導(dǎo)體工程師大會(huì)上，400名與會(huì)者，未曾在仙童公司工作的人不到24人?！澳柡椭Z伊斯創(chuàng)辦英特爾AMD銷售部桑德斯創(chuàng)辦AMD超微半導(dǎo)體公司早期的晶體管主要是由鍺制成的。早期的晶體管主要是由鍺制成的。鍺晶體管的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它容易產(chǎn)生鍺晶體管的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它容易產(chǎn)生熱失控。（由于鍺的禁帶寬度較窄，它熱失控。（由于鍺的禁帶寬度較窄，它對(duì)工作溫度的要求更為嚴(yán)格）采用硅晶對(duì)工作溫度的要求更為嚴(yán)格）采用硅晶體管可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。體管可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。硅在地球上的儲(chǔ)量比鍺豐富得多，這也硅在地球上的儲(chǔ)量比鍺

7、豐富得多，這也是硅被更多使用的原因之一。是硅被更多使用的原因之一。隨著科技的發(fā)展，砷化鎵也開始被用于晶體管的制隨著科技的發(fā)展，砷化鎵也開始被用于晶體管的制造。造。相比較硅和鍺，化合物砷化鎵制造的晶體管具有更相比較硅和鍺，化合物砷化鎵制造的晶體管具有更好的物理特性。好的物理特性。砷化鎵的電子遷移率為硅的砷化鎵的電子遷移率為硅的5 5倍，用它制造的晶體倍，用它制造的晶體管能夠達(dá)到較高的工作頻率。此外，砷化鎵熱導(dǎo)率管能夠達(dá)到較高的工作頻率。此外，砷化鎵熱導(dǎo)率較低，有利于高溫下進(jìn)行的加工。較低，有利于高溫下進(jìn)行的加工。在無線通信裝置中，鍺化硅正開始取代砷化鎵。有在無線通信裝置中，鍺化硅正開始取代砷化鎵

8、。有著高速特性的鍺化硅芯片，可以用硅芯片工業(yè)傳統(tǒng)著高速特性的鍺化硅芯片，可以用硅芯片工業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)技巧，并以低廉的成本生產(chǎn)。的生產(chǎn)技巧，并以低廉的成本生產(chǎn)。BJT與TTL TTL全稱Transistor-Transistor Logic（邏輯門電路），它是由BJT和電阻構(gòu)成。 20世紀(jì)60年代，集成電路的發(fā)明者之一，德州儀器開發(fā)出了74系列TTL芯片，使計(jì)算機(jī)邏輯方面的集成電路使用更加普及。TTL門電路構(gòu)成的反相器典型電路 TTLTTL門電路構(gòu)成的集成電路速度高，負(fù)載驅(qū)門電路構(gòu)成的集成電路速度高，負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，但是功耗大，抗干擾能力弱。動(dòng)能力強(qiáng)，但是功耗大，抗干擾能力弱。 隨著人們對(duì)能源問題

9、的認(rèn)識(shí)加深，晶體管隨著人們對(duì)能源問題的認(rèn)識(shí)加深，晶體管的另一成員場(chǎng)效應(yīng)晶體管憑借著更低的功的另一成員場(chǎng)效應(yīng)晶體管憑借著更低的功耗，成為了集成電路的主流。雙極性晶體耗，成為了集成電路的主流。雙極性晶體管在集成電路中的使用由此逐漸變少。管在集成電路中的使用由此逐漸變少。 然而，然而，BJTBJT由于能提供較高的跨導(dǎo)和輸出電由于能提供較高的跨導(dǎo)和輸出電阻，并具有高速、耐久的特性，在功率控阻，并具有高速、耐久的特性，在功率控制方面能力突出。所以依舊是組成模擬電制方面能力突出。所以依舊是組成模擬電路，尤其是甚高頻應(yīng)用電路的重要配件。路，尤其是甚高頻應(yīng)用電路的重要配件。 因此因此BJTBJT依然是一種重要

10、的器件，仍然在市依然是一種重要的器件，仍然在市場(chǎng)上流通。場(chǎng)上流通。2021-12-16BJT結(jié)構(gòu) BJT由三部分摻雜程度不同的半導(dǎo)體制成。以NPN型晶體管為例，其發(fā)射級(jí)為N+（極重）摻雜，基極為P型摻雜，集電極為N+摻雜。2021-12-16 高摻雜的發(fā)射極區(qū)域的電子，通過擴(kuò)散作用運(yùn)動(dòng)到基極。在基極區(qū)域，空穴為多數(shù)載流子，而電子少數(shù)載流子。由于基極區(qū)域很薄，這些電子又通過漂移運(yùn)動(dòng)到達(dá)集電極，從而形成集電極電流。2021-12-16 當(dāng)發(fā)射極正偏，集電極反偏時(shí)，BJT工作在正向放大狀態(tài)。 如果基極存在一個(gè)小的電流Ib，通過BJT的放大，會(huì)在集電極產(chǎn)生大的電流Ic,集電極電流和基極電流存在固定的比

11、例關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的放大。2021-12-16BJT工藝流程 以NPN型BJT為例 襯底制備 埋層制備 外延層生長(zhǎng) 形成隔離區(qū) 摻雜 金屬接觸 金屬互連 測(cè)試封裝2021-12-16襯底制備 襯底采用輕摻雜的P型硅埋層制備埋層制備在集電區(qū)的外延層和襯底間通常要制作在集電區(qū)的外延層和襯底間通常要制作N+N+埋層。埋層可以減小集埋層。埋層可以減小集電區(qū)的串聯(lián)電阻，并減小寄生電區(qū)的串聯(lián)電阻，并減小寄生PNPPNP管的影響。管的影響。襯底上生長(zhǎng)二氧化硅襯底上生長(zhǎng)二氧化硅光刻光刻 刻蝕出埋層區(qū)域刻蝕出埋層區(qū)域離子注入離子注入NN型雜質(zhì)（如磷、砷等）型雜質(zhì)（如磷、砷等）退火（激活注入的雜質(zhì)）退火（激活注

12、入的雜質(zhì)）外延層生長(zhǎng)外延層生長(zhǎng)去除全部二氧化硅后，外延生長(zhǎng)一層輕摻雜的硅。整個(gè)雙去除全部二氧化硅后，外延生長(zhǎng)一層輕摻雜的硅。整個(gè)雙極型集成電路便制作在這一外延層上。外延層可以減少結(jié)極型集成電路便制作在這一外延層上。外延層可以減少結(jié)電容，提高擊穿電壓，降低后續(xù)工藝過程的擴(kuò)散效應(yīng)。電容，提高擊穿電壓，降低后續(xù)工藝過程的擴(kuò)散效應(yīng)。隔離層形成隔離層形成用于器件之間的電絕緣。用于器件之間的電絕緣。外延層上生長(zhǎng)二氧化硅外延層上生長(zhǎng)二氧化硅光刻（刻蝕出隔離區(qū)）光刻（刻蝕出隔離區(qū)）離子注入型離子注入型雜質(zhì)（如硼）雜質(zhì)（如硼）退火（激活雜質(zhì)，使其均與摻雜）退火（激活雜質(zhì)，使其均與摻雜）摻雜摻雜形成集電區(qū)形成集電

13、區(qū)外延層上生長(zhǎng)二氧化硅外延層上生長(zhǎng)二氧化硅光刻光刻離子注入離子注入NN型雜質(zhì)型雜質(zhì)退火退火形成基區(qū)形成基區(qū)外延層生長(zhǎng)二氧化硅外延層生長(zhǎng)二氧化硅光刻光刻離子注入離子注入P P型雜質(zhì)型雜質(zhì)退火退火形成發(fā)射區(qū)形成發(fā)射區(qū)基區(qū)生長(zhǎng)二氧化硅基區(qū)生長(zhǎng)二氧化硅光刻光刻離子注入離子注入P P型雜質(zhì)型雜質(zhì)退火退火金屬接觸金屬接觸si3n4si3n4上生長(zhǎng)二氧化硅上生長(zhǎng)二氧化硅光刻（刻蝕出接觸光刻（刻蝕出接觸窗口，用于引出電極線窗口，用于引出電極線)濺射金屬濺射金屬ALAL金屬互連金屬互連測(cè)試封裝測(cè)試封裝發(fā)展發(fā)展- -BiCMOS BiCMOS 技術(shù)技術(shù)近年來，隨著混合微電子技術(shù)的快速發(fā)展及其應(yīng)用近年來，隨著混合微

14、電子技術(shù)的快速發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，電子和通訊業(yè)界對(duì)于現(xiàn)代電子元領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，電子和通訊業(yè)界對(duì)于現(xiàn)代電子元器件，電路的小型化，高速度，低功耗等方面的要器件，電路的小型化，高速度，低功耗等方面的要求越來越高。求越來越高。傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的BJTBJT雖然有著高速，電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和模擬精雖然有著高速，電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和模擬精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其功耗和集成度卻不能適應(yīng)大規(guī)度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其功耗和集成度卻不能適應(yīng)大規(guī)模集成電路的技術(shù)發(fā)展需要。模集成電路的技術(shù)發(fā)展需要。另一方面，另一方面，MOSFETMOSFET在高集成度，低功耗，在高集成度，低功耗，強(qiáng)抗干擾能力方面有優(yōu)勢(shì)，但在高速，大電強(qiáng)抗干擾能力方面有優(yōu)勢(shì)，但在高速，大電流驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合卻無能為力。流驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合卻無能為力。在在BICOMSBICOMS技術(shù)下，雙極性晶體管可以和場(chǎng)效技術(shù)下，雙極性晶體管可以和場(chǎng)效應(yīng)晶體管被制作在一塊集成電路上。應(yīng)晶體管被制作在一塊集成電路上。其基本思想是其基本思想是以以MOSMOS器件為器件為主要單元電路，主要單元電路，而在要求驅(qū)動(dòng)而在要求驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載之大電容負(fù)載之處加入處加入BJTBJT或或電路。電路。BICMOS技術(shù)制作的二輸入與非門相對(duì)于單一由相對(duì)于單一由MOSMOS或或BJTBJT構(gòu)成的電路，構(gòu)成的電路，BICMOSBICMOS具有低功耗，高速