晶體管原理(3-3)

1、 本節(jié)以本節(jié)以 NPN 管為例，結(jié)電壓為管為例，結(jié)電壓為 VBE 與與 VBC 。PN+N0 xjcxjeNE(x)NB(x)NCx0 xjcxje 本節(jié)求基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)本節(jié)求基區(qū)輸運(yùn)系數(shù) 的思路的思路BbnEQJ 進(jìn)而求出基區(qū)渡越時(shí)間進(jìn)而求出基區(qū)渡越時(shí)間 bB1 將將 E 代入少子電流密度方程，求出代入少子電流密度方程，求出 JnE 、nB (x) 與與 QB 令基區(qū)多子電流密度為零，解出基區(qū)內(nèi)建電場令基區(qū)多子電流密度為零，解出基區(qū)內(nèi)建電場 E 最后求出最后求出 基區(qū)雜質(zhì)分布的不均勻會在基區(qū)中產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)建電場基區(qū)雜質(zhì)分布的不均勻會在基區(qū)中產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)建電場 E ，使少子在基區(qū)內(nèi)以漂移運(yùn)動為主，使

2、少子在基區(qū)內(nèi)以漂移運(yùn)動為主，所以所以緩變基區(qū)晶體管又緩變基區(qū)晶體管又稱為稱為漂移晶體管。漂移晶體管。 3.3.1 基區(qū)內(nèi)建電場的形成基區(qū)內(nèi)建電場的形成NB(x)NB(WB)NB(0)WB0 x 在實(shí)際的緩變基區(qū)晶體管中，在實(shí)際的緩變基區(qū)晶體管中， 的值為的值為 4 8 。 設(shè)基區(qū)雜質(zhì)濃度分布為設(shè)基區(qū)雜質(zhì)濃度分布為式中式中 是表征基區(qū)內(nèi)雜質(zhì)變化程度的一個(gè)參數(shù)，是表征基區(qū)內(nèi)雜質(zhì)變化程度的一個(gè)參數(shù)， 當(dāng)當(dāng) 時(shí)為均勻基區(qū)；時(shí)為均勻基區(qū)；BBBexp)0()(WxNxN)()0(lnBBBWNNexp)0()(BBBNWN0 因?yàn)橐驗(yàn)?， ，所以內(nèi)建電場對渡越基區(qū)的電子起，所以內(nèi)建電場對渡越基區(qū)的電子起

3、加速作用，是加速作用，是 加速場加速場 。 令基區(qū)多子電流為零，令基區(qū)多子電流為零，BpppBd( )( )0dpxJqDqpx Ex解得解得 內(nèi)建電場內(nèi)建電場 為為0E Bd0dNxpBpBd( )1( )dDpxEpxx 小注入時(shí)，基區(qū)中總的多子濃度即為平衡多子濃度，小注入時(shí)，基區(qū)中總的多子濃度即為平衡多子濃度，)()()(BBOBxNxpxpnBnBd( )1( )dDNxNxx 將基區(qū)內(nèi)建電場將基區(qū)內(nèi)建電場 E 代入電子電流密度方程，可得注入基區(qū)代入電子電流密度方程，可得注入基區(qū)的少子形成的電流密度（其參考方向?yàn)閺挠蚁蜃螅榈纳僮有纬傻碾娏髅芏龋ㄆ鋮⒖挤较驗(yàn)閺挠蚁蜃螅?3.3.2 基

4、區(qū)少子電流密度與基區(qū)少子濃度分布基區(qū)少子電流密度與基區(qū)少子濃度分布BBBBnEnnBnnBddddddnnnNJqDqn EqDqDxxNx BBnEBnBB00ddWWJNxqDn N 01exp)(BCB0BBkTqVnWn BBnEBnBBddddnNJNxqDNnxx BBnddn NqDx nBBBBBB()()(0)(0)qDnWNWnN nBB(0)(0)qD nNBnBBnEB0(0)(0)dWqD nNJNx1exp)0()0(BEB2iBkTqVNnnB2niBEB0exp1dWqD nqVkTNx 上式實(shí)際上也可用于均勻基區(qū)晶體管。對于均勻基區(qū)晶體上式實(shí)際上也可用于均勻基

5、區(qū)晶體管。對于均勻基區(qū)晶體管，管，NB 為常數(shù)，這時(shí)為常數(shù)，這時(shí)2nBniBEnEBBB(0)exp1qD nqD nqVJWW NkT 下面求基區(qū)少子分布下面求基區(qū)少子分布 nB (x) 。 在前面的積分中將下限由在前面的積分中將下限由 0 改為基區(qū)中任意位置改為基區(qū)中任意位置 x ，得：，得：BnBBnEB( )( )dWxqD nx NxJNx由上式可解出由上式可解出 nB (x) 為為 BBBBnBnEBnBBBnEBn( )( )d( )0 expd( )1 exp1WnExWxJnxNx xqD NxJxNxqD NxWx WJ WqDBnBBnEB0(0)(0)dWqD nNJN

6、x 對于均勻基區(qū)，對于均勻基區(qū)， nEBBB0nBBlim101J WxxnxnqDWW 對于對于緩變基區(qū)晶體管，緩變基區(qū)晶體管，當(dāng)當(dāng) 較大時(shí)，上式可簡化為較大時(shí)，上式可簡化為3.3.3 基區(qū)渡越時(shí)間與輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)渡越時(shí)間與輸運(yùn)系數(shù)注：將注：將 Dn 寫為寫為 DB ，上式可同時(shí)適用于，上式可同時(shí)適用于 PNP 管和管和 NPN 管。管。 對于均勻基區(qū)對于均勻基區(qū)晶體管晶體管， B2Bb02limDW 可見，可見，內(nèi)建電場的存在使少子的基區(qū)渡越時(shí)間大為減小。內(nèi)建電場的存在使少子的基區(qū)渡越時(shí)間大為減小。 B2B0BBbnEnEnd2112WqnxxQWeJJD1122B2BbDW 利用上面得到的

7、基區(qū)渡越時(shí)間利用上面得到的基區(qū)渡越時(shí)間 b ，可得，可得緩變基區(qū)晶體管的緩變基區(qū)晶體管的基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù) 為為1122112B2BBbLW 3.3.4 注入效率與電流放大系數(shù)注入效率與電流放大系數(shù)22BEnEpB1ni2BEpnB1iexp1exp1qVJqRD nkTqVqkTRnkT 口口BB1pB01dWRqNx口 根據(jù)非均勻材料方塊電阻表達(dá)式，緩變基區(qū)的方塊電阻為根據(jù)非均勻材料方塊電阻表達(dá)式，緩變基區(qū)的方塊電阻為于是于是 JnE 可表示為可表示為B2niBEnEB0exp1dWqD nqVJkTNx 已知已知（3-43a） 類似地，可得從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴形成的電流密度為類似

8、地，可得從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴形成的電流密度為式中，式中，2BEnEnpB1iexp1qVJqkTRnkT 口2BEpEnpEiexp1qVJqkTRnkT 口EEnE01dWRqNx口（3-43a）（3-43b）1BE1BEnEpEpEnEnEEnE11111口口口口RRRRJJJJJJJ 于是可得緩變基區(qū)晶體管的注入效率于是可得緩變基區(qū)晶體管的注入效率 以及緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)以及緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)2EB2BB1121EBBB1211112121112RWLRRWLR 口口口口 3.3.5 小電流時(shí)電流放大系數(shù)的下降小電流時(shí)電流放大系數(shù)的下降 實(shí)測表明，實(shí)測表明， 與發(fā)射

9、極電流與發(fā)射極電流 IE 有如下所示的關(guān)系。有如下所示的關(guān)系。 原因：原因：當(dāng)發(fā)射結(jié)正向電流很小時(shí)，發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合電流當(dāng)發(fā)射結(jié)正向電流很小時(shí)，發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合電流密度密度 JrE 的比例將增大，使注入效率下降。的比例將增大，使注入效率下降。 當(dāng)電流很小時(shí)，相應(yīng)的當(dāng)電流很小時(shí)，相應(yīng)的 VBE 也很小，這時(shí)也很小，這時(shí) 很大，使很大，使 減小，從而使減小，從而使 減小。減小。式中，式中，nErE1B口ErEpEnEnEEnE11JJRRJJJJJJ口 當(dāng)當(dāng) JrE 不能被忽略時(shí)，注入效率為不能被忽略時(shí)，注入效率為kTqVnLNxJJ2exp2BEiBEdnErEnErEJJ 隨著電流增大，隨著電

10、流增大， 減小，當(dāng)減小，當(dāng) 但仍不能被忽略時(shí)，但仍不能被忽略時(shí)，nErEJJ1nErEJJnErE1BE1JJRR口口 當(dāng)電流很大時(shí)，當(dāng)電流很大時(shí)， 又會開始下降，這是由于大注入效應(yīng)和又會開始下降，這是由于大注入效應(yīng)和基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)引起的?；鶇^(qū)擴(kuò)展效應(yīng)引起的。 當(dāng)電流繼續(xù)增大到當(dāng)電流繼續(xù)增大到 可以被忽略時(shí)，則可以被忽略時(shí)，則nErEJJ1BE1口口RR 3.3.6 發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響 當(dāng)發(fā)射區(qū)摻雜濃度當(dāng)發(fā)射區(qū)摻雜濃度 NE 太高時(shí)，不但不能提高太高時(shí)，不但不能提高注入效率注入效率 ，反而會使其下降，從而使，反而會使其下降，從而使 和和 下降。下降。 原因：發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄原

11、因：發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄 與與 發(fā)射區(qū)俄歇復(fù)合增強(qiáng)發(fā)射區(qū)俄歇復(fù)合增強(qiáng) 。 1、發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)、發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng) 對于室溫下的硅對于室溫下的硅 ，21sE2sG163kTNqqE12EG1822.5meV10NE (1) 禁帶變窄禁帶變窄GEVEVECECEGEGE 發(fā)射區(qū)禁帶變窄后，會使其本征載流子濃度發(fā)射區(qū)禁帶變窄后，會使其本征載流子濃度 ni 發(fā)生變化，發(fā)生變化，2GiBCV222GGGiECViBiB2BEnEpnB1iB2BEpEpnEiE2pEEEGiE2nEB1iBB1expexpexpexp1exp1expEnN NkTEEEnN NnnkTkTqVJqkTRnkTqVJqkTR

12、nkTJRREnJRnRkT 口口口口口口pEEGnEB111expJREJRkT 口口NE 增大而下降，從而導(dǎo)致增大而下降，從而導(dǎo)致 與與 的下降。的下降。增大而先增大。但當(dāng)增大而先增大。但當(dāng) NE 超過超過 ( 1 5 ) 1019 cm-3 后，后， 反而隨反而隨 隨著隨著 NE 的增大，的增大， 減小，減小， 增大，增大， 隨隨 NE1BE口口RR kTEGexpEGB11expRERkT口口 (2) 俄歇復(fù)合增強(qiáng)俄歇復(fù)合增強(qiáng)EEEDNELpEJ 2、基區(qū)陷落效應(yīng)、基區(qū)陷落效應(yīng) 當(dāng)發(fā)射區(qū)的磷摻雜濃度很高時(shí)，會使發(fā)射區(qū)下方的集電結(jié)當(dāng)發(fā)射區(qū)的磷摻雜濃度很高時(shí)，會使發(fā)射區(qū)下方的集電結(jié)結(jié)面向下

13、擴(kuò)展，這個(gè)現(xiàn)象稱為結(jié)面向下擴(kuò)展，這個(gè)現(xiàn)象稱為 基區(qū)陷落效應(yīng)基區(qū)陷落效應(yīng)。 由于基區(qū)陷落效應(yīng)，使得結(jié)深不易控制，難以將基區(qū)寬度由于基區(qū)陷落效應(yīng)，使得結(jié)深不易控制，難以將基區(qū)寬度做得很薄。做得很薄。 為了避免基區(qū)陷落效應(yīng)，目前微波晶體管的發(fā)射區(qū)多采用為了避免基區(qū)陷落效應(yīng)，目前微波晶體管的發(fā)射區(qū)多采用砷擴(kuò)散來代替磷擴(kuò)散。砷擴(kuò)散來代替磷擴(kuò)散。 3.3.7 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT） 式中，式中， ，當(dāng)，當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，則，則 GEGBGEEEGBGEEE0GE kTERRRRGB1EB1Eexp11口口異口口同1expG kTE同異 若選擇不同的材料來制作發(fā)射區(qū)與基區(qū)，使兩區(qū)具有不同若選擇不同的材料來制作發(fā)射區(qū)與基區(qū)，使兩區(qū)具有不同的禁帶寬度，則，的禁帶寬度，則， 常見的常見的 HBT 結(jié)構(gòu)是用結(jié)構(gòu)是用 GaAs 做基區(qū)，做基區(qū)，AlxGa1-xAs 做發(fā)射區(qū)。做發(fā)射區(qū)。另一種另一種 HBT 結(jié)構(gòu)是用結(jié)構(gòu)是用 SiGe 做基區(qū)，做基區(qū)，Si 做發(fā)射區(qū)。做發(fā)射區(qū)。 HBT 能提高注入效率，使能提高注入效率，使 得到幾個(gè)數(shù)量級的提高。或得到幾個(gè)數(shù)量級的提高。或在不降低注入效率的情況下，大幅度提高基區(qū)摻雜濃度，從而在不降低注入效率的情況下，大幅度提高基區(qū)摻雜濃度，從而降低基極電阻，并為進(jìn)一步減薄基區(qū)寬度提供條件。降