吉林大學(xué)半導(dǎo)體器件物理第三章-第一部分

1、第三章第三章雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管第三章第三章雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管 發(fā)展歷史發(fā)展歷史 1947.12.231947.12.23日第一只點接觸晶體管誕生日第一只點接觸晶體管誕生- -Bell Lab.(BardeenBell Lab.(Bardeen、ShockleyShockley、 Brattain) Brattain)19491949年提出年提出PNPN結(jié)和雙極結(jié)型晶體管理論結(jié)和雙極結(jié)型晶體管理論- -Bell Lab.(Shockley)Bell Lab.(Shockley)19511951年制造出第一只鍺結(jié)型晶體管年制造出第一只鍺結(jié)型晶體管- -Bell Lab.(Sho

2、ckley) Bell Lab.(Shockley) 1951956 6年制造出第一只硅結(jié)型晶體管年制造出第一只硅結(jié)型晶體管- -美得洲儀器公司（美得洲儀器公司（TITI） 19561956年年BardeenBardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain獲諾貝爾獎獲諾貝爾獎19561956年中國制造出第一只鍺結(jié)型晶體管年中國制造出第一只鍺結(jié)型晶體管- -（吉林大學(xué)（吉林大學(xué) 高鼎三）高鼎三）19701970年硅平面工藝成熟，雙極結(jié)型晶體管大批量生產(chǎn)年硅平面工藝成熟，雙極結(jié)型晶體管大批量生產(chǎn)3.13.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)3.13.1雙極結(jié)

3、型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu) E E C C 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 基區(qū) N N p （a） C B 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 基區(qū) p p N （c） B C （b） B E （d） B E 圖 3-2 （a）理想的一維NPN雙極結(jié)晶體管， （b）圖（a）的電路符號 （c）理想的一維PNP雙極結(jié)晶體管， （d）圖（c）的電路符號 3.13.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu) 3.13.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)芯片是通過以下步驟制造出來的芯片是通過以下步驟制造出來的襯底制備襯底制備 襯底為低阻襯底為低阻N型硅，電阻率在型硅，電阻率在 左右，沿（左右，沿（111）面切成厚約）面切

4、成厚約 的圓片，研磨拋光到表面光亮如鏡。的圓片，研磨拋光到表面光亮如鏡。外延外延 外延層為外延層為N N型，按電參數(shù)要求確定其電阻率及厚度。型，按電參數(shù)要求確定其電阻率及厚度。 一次氧化一次氧化 高溫生長的氧化層用來阻擋硼、磷等雜質(zhì)向硅中擴散，同時也起表高溫生長的氧化層用來阻擋硼、磷等雜質(zhì)向硅中擴散，同時也起表面鈍化作用。面鈍化作用。光刻硼擴散窗口光刻硼擴散窗口 cm001. 0m4003.13.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)芯片是通過以下步驟制造出來的芯片是通過以下步驟制造出來的硼擴散和二次氧化硼擴散和二次氧化 硼擴散后在外延層上形成硼擴散后在外延層上形成P型區(qū)，熱生長的氧化層用

5、來阻擋磷向硅中型區(qū)，熱生長的氧化層用來阻擋磷向硅中擴散，并起鈍化作用。擴散，并起鈍化作用。光刻磷擴散窗口光刻磷擴散窗口 磷擴散和三次氧化磷擴散和三次氧化 磷擴散后在磷擴散后在P P型區(qū)磷雜質(zhì)補償硼而形成型區(qū)磷雜質(zhì)補償硼而形成N N+ +區(qū)，熱氧化層用作金屬與硅區(qū)，熱氧化層用作金屬與硅片間電絕緣介質(zhì)。片間電絕緣介質(zhì)。 光刻發(fā)射極和基極接觸孔光刻發(fā)射極和基極接觸孔蒸發(fā)鋁蒸發(fā)鋁 在鋁上光刻出電極圖形在鋁上光刻出電極圖形 3.3.2 2基本工作原理基本工作原理3.3.2 2基本工作原理基本工作原理 雙極晶體管有四種工作模式，相應(yīng)地稱為四個工作區(qū)。令，雙極晶體管有四種工作模式，相應(yīng)地稱為四個工作區(qū)。令，

6、 ， 分別為基極分別為基極對發(fā)射極和基對發(fā)射極和基 極對集電極的電壓。則四種工作模式是：極對集電極的電壓。則四種工作模式是： EBBEEVVVVCBBCCVVVV（1 1） 正向有源模式：正向有源模式： 0 0， 0 0；（2 2） 反向有源模式：反向有源模式： 0 0， 0 0；（3 3） 飽和模式：飽和模式： 0 0， 0 0；（4 4） 截止模式：截止模式： 0 0， 0 0。EVCVEVEVEVCVCVCV3.23.2基本工作原理基本工作原理 共基極連接晶體管的放大作用共基極連接晶體管的放大作用 晶體管共基極放大電路圖3 - 6 （ a）NPN 3.23.2基本工作原理基本工作原理 共

7、基極連接晶體管的放大作用共基極連接晶體管的放大作用 BEqV BCqV E B C （b） 圖圖3-6 3-6 （b b）NPNNPN晶體管共基極能帶圖晶體管共基極能帶圖 3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流分量電流分量 3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流分量電流分量 是從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子流。是從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子流。是到達(dá)集電結(jié)的電子流。是到達(dá)集電結(jié)的電子流。 是基區(qū)注入電子通過基區(qū)時復(fù)合所引起的復(fù)合電流是基區(qū)注入電子通過基區(qū)時復(fù)合所引起的復(fù)合電流是從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流是從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流是發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流。是發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合

8、電流。是集電結(jié)反向電流，它包括集電結(jié)反向飽和電流和集電結(jié)空間電荷區(qū)是集電結(jié)反向電流，它包括集電結(jié)反向飽和電流和集電結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流。 nEInCInCnEIIpEIrgI0CI3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流分量電流分量 rgpEnEEIIII0CnCnErgpEBIIIIII0CnCCIII0BCEIII（3-1） （3-2） （3-3） （3-4） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流增益 為描述晶體管的增益特性引進(jìn)以下物理量 發(fā)射極注射效率 （3-5） （3-7） 基區(qū)輸運因子 共基極直流電流增益 nEnEEnEpErgIIrIIIITnCTnEIIEccII

9、I0（3-6） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流增益 顯然 （3-8） （3-10） 利用（3-3）式，（3-7）式可以改寫成 考慮到集電結(jié)正反兩種偏壓條件 的完全表達(dá)式為 TrgpEnEnCIIII0CECIII（3-9） CI01CTVVCECIIIe 3.23.2基本工作原理基本工作原理 VCB （V） 0 2 4 6 8 10 IC （mA） 2 4 6 8 10 mAIE0 10 6 8 4 2 有源區(qū) 飽和區(qū) 截止區(qū) IC （mA） 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 VCE （V） AIB0 125 75 100 50 25 （a） （b） 圖圖3-8

10、3-8 集電結(jié)電流集電結(jié)電流電壓特性：（電壓特性：（a a）共基極情形，（共基極情形，（b b）共發(fā)射極情形共發(fā)射極情形 3.23.2基本工作原理基本工作原理 式中定義式中定義 共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法 0CBCCIIII（3-11） 0011CEBFECBCIIhIII（3-12） 1FEh100CCEII（3-13） （3-14） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 小結(jié)概念：發(fā)射極注射效率、基區(qū)輸運因子、共基極電流增益、共發(fā)射極電流增益概念：發(fā)射極注射效率、基區(qū)輸運因子、共基極電流增益、共發(fā)射極電流增益介紹了典型介紹了典型BJTBJT的基本結(jié)構(gòu)和工藝過程。的基本結(jié)構(gòu)和工藝過程。介紹了介

11、紹了BJTBJT的四種工作模式。的四種工作模式。畫出了畫出了BJTBJT電流分量示意圖，給出了各極電流及其相互關(guān)系公式公式（電流分量示意圖，給出了各極電流及其相互關(guān)系公式公式（3-13-1）（）（3 3-4-4）分別用能帶圖和載流子輸運的觀點解釋了分別用能帶圖和載流子輸運的觀點解釋了BJTBJT的放大作用。的放大作用。BJTBJT具有放大作用的關(guān)鍵在于兩個具有放大作用的關(guān)鍵在于兩個PNPN結(jié)靠得足夠近即基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子的擴散長結(jié)靠得足夠近即基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子的擴散長度。度。給出了理想給出了理想BJTBJT共基極連接集電極電流與集電壓關(guān)系曲線和共發(fā)射極連接集電極電流共基極連接集電極電流與集

12、電壓關(guān)系曲線和共發(fā)射極連接集電極電流與集電極發(fā)射極間的電壓關(guān)系曲線。與集電極發(fā)射極間的電壓關(guān)系曲線。 3.23.2基本工作原理基本工作原理 教學(xué)要求教學(xué)要求掌握四個概念：發(fā)射效率、基區(qū)輸運因子、共基極電流增益、共發(fā)射極電流掌握四個概念：發(fā)射效率、基區(qū)輸運因子、共基極電流增益、共發(fā)射極電流增益增益了解典型了解典型BJTBJT的基本結(jié)構(gòu)和工藝過程。的基本結(jié)構(gòu)和工藝過程。掌握掌握BJTBJT的四種工作模式。的四種工作模式。畫出畫出BJTBJT電流分量示意圖，寫出各極電流及其相互關(guān)系公式。電流分量示意圖，寫出各極電流及其相互關(guān)系公式。分別用能帶圖和載流子輸運的觀點解釋分別用能帶圖和載流子輸運的觀點解釋

13、BJTBJT的放大作用。的放大作用。為什么公式（為什么公式（3-93-9）可以寫成公式（）可以寫成公式（3-103-10）。）。解釋理想解釋理想BJTBJT共基極連接正向有源模式下集電極電流與集電壓無關(guān)的現(xiàn)象。共基極連接正向有源模式下集電極電流與集電壓無關(guān)的現(xiàn)象。解釋理想解釋理想BJTBJT共發(fā)射極連接正向有源模式下集電極電流與集電極發(fā)射極間共發(fā)射極連接正向有源模式下集電極電流與集電極發(fā)射極間的電壓無關(guān)的現(xiàn)象。的電壓無關(guān)的現(xiàn)象。解釋理想解釋理想BJTBJT共基極連接和共發(fā)射極連接的輸出特性曲線。共基極連接和共發(fā)射極連接的輸出特性曲線。v作業(yè)：作業(yè)：3.13.1 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中

14、的電理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸流傳輸3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸3.3.13.3.1電流傳輸電流傳輸 理想晶體管的主要假設(shè)及其意義：理想晶體管的主要假設(shè)及其意義： （1）各區(qū)雜質(zhì)都是均勻分布的，因此中性區(qū)不存在內(nèi)建電場；）各區(qū)雜質(zhì)都是均勻分布的，因此中性區(qū)不存在內(nèi)建電場；（2）結(jié)是理想的平面結(jié)，載流子作一維運動；）結(jié)是理想的平面結(jié)，載流子作一維運動；（3）橫向尺寸遠(yuǎn)大于基區(qū)寬度，并且不考慮邊緣效應(yīng)，所以載流）橫向尺寸遠(yuǎn)大于基區(qū)寬度，并且不考慮邊緣效應(yīng)，所以載流 子運動是一維的；子運動是一維的；（4）基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴散長度；）基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子

15、擴散長度；（5）中性區(qū)的電導(dǎo)率足夠高，串聯(lián)電阻可以忽略，偏壓加在結(jié)空間電荷區(qū)上；）中性區(qū)的電導(dǎo)率足夠高，串聯(lián)電阻可以忽略，偏壓加在結(jié)空間電荷區(qū)上；（6）發(fā)射結(jié)面積和集電結(jié)面積相等；）發(fā)射結(jié)面積和集電結(jié)面積相等；（7）小注入，等等）小注入，等等 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸3.3.13.3.1電流傳輸電流傳輸 adNN x EW 0 Bx Cx 圖 3-10 各區(qū)均勻摻雜NPN晶體管的雜質(zhì)分布 Ex 圖圖3-103-10是理想雙極結(jié)型晶體管雜質(zhì)分布和耗盡區(qū)示意圖以及所采用的坐標(biāo)。是理想雙極結(jié)型晶體管雜質(zhì)分布和耗盡區(qū)示意圖以及所采用的坐標(biāo)。3.33.3理

16、想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸一、電流傳輸一、電流傳輸 中性基區(qū)（中性基區(qū)（0 0 ）少子電子分布及其電流）少子電子分布及其電流： 邊界條件為：邊界條件為： xBx0022npppnnndxndD TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0 nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh10（3-16） （3-17） （3-18） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸電子電流電子電流 （3-16） （3-19） （3-20） 0 xpnnEdxxdnqADI1si

17、nh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（ BxxpnnCdxxdnqADI0111sinh()CTETnpVVVVBBnnnD nxqAecthexLLL 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸二、發(fā)射區(qū)少子空穴分布及其電流：二、發(fā)射區(qū)少子空穴分布及其電流： 邊邊界條條件： （3-21） （3-23a） TEVVEEEepWp00EEEpxp pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh1003.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸 若若 ，（，（3-233-23a a

18、）式可以寫作：式可以寫作： （3-23b） （3-24） ExpEL EVVEEExxeppxpTE1100空穴電流為：空穴電流為：12TEVVEdEipEexNnqAD 0011ETEVVEEEEEWxpxppexW1ETEOVVpEEpEEPIWqADex 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸三、集電區(qū)少子空穴分布及其電流、集電區(qū)少子空穴分布及其電流 邊邊界條條件： （3-23） （3-26） TCVVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp100 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCT

19、x xLVVipCdCpCnqADeeNL（3-25） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式一、少數(shù)載流子分布一、少數(shù)載流子分布 在在 的情的情況況下，（下，（3-273-27a a）式式簡簡化化 nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinhsinhsinh1000（3-27a） nBLx BVVppxxenxnTE10（3-27b） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式圖圖3-11 3-11 正向有源模

20、式下晶體管各區(qū)少數(shù)載流子分布正向有源模式下晶體管各區(qū)少數(shù)載流子分布 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸二、電流分量二、電流分量 基區(qū)電子電流基區(qū)電子電流： （3-28） 10TEVVnBnpnnEeLxcthLnqADI1csc0TEVVnBnpnnCeLxhLnqADI（3-29） nBTLxhsec若若 BxnL12TEVVBainnEexNnqADI22211nBTLx（3-30） （3-31） （3-32） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸空穴電流空穴電流 （3-24） （3-33） 正偏壓發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)

21、合電流：正偏壓發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流： （3-34） 12TEVVEdEipEpEexNnqADI20CipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL /202ETVViErgqAnWIe 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸（3-35） （3-36） rgnCnEpEBIIIIITEVVBeI2220(1)22ETETVVVVnBPEEidEEaniD xDWqAneeNxN Ln 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸晶體管的輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線 圖圖3-12 3-12 NPN NPN 晶體管的靜態(tài)電流

22、晶體管的靜態(tài)電流電壓特性電壓特性 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸三、共發(fā)發(fā)射極電極電流增益 CBFEIIh1CrgCnCnECpEFEIIIIIIIh1（3-37） TEVVinEBanBnEdEpEBaFEenDWxNLxDxNDxNh20221223.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸四、共發(fā)發(fā)射極電極電流增益與與工作電電流的關(guān)關(guān)系 圖3-13 電流增益對集電結(jié)電流的依賴關(guān)系 10-9 10-1 10-7 10-5 10-3 102 101 100 10-1 hFE AIC 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳

23、輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸小結(jié)小結(jié) 在一般情況下，解發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)少子擴散方程求出少子分布在一般情況下，解發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)少子擴散方程求出少子分布 基區(qū)少子電子分布基區(qū)少子電子分布 發(fā)射區(qū)少子空穴分布發(fā)射區(qū)少子空穴分布 nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh10（3-18） pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh100（3-23a） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸小結(jié)小結(jié) 若若 ExpEL EVVEEExxeppxpTE1100（3-23b

24、） 集電區(qū)少子空穴分布集電區(qū)少子空穴分布 TCVVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp100（3-22） （3-25） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸小結(jié)小結(jié) 導(dǎo)出了少子電流公式導(dǎo)出了少子電流公式 (1)(1)基區(qū)電子電流基區(qū)電子電流 （3-19） （3-20） 1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（0111sinh()CTETnpVVVVBnCBnnnD nxIqAecthexLLL 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸小結(jié)小結(jié) (2)(

25、2)發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)空穴空穴電電流流 （3-24） （3-26） 12TEVVEdEipEexNnqAD(3)(3)集集電區(qū)電區(qū)空穴空穴電電流：流： 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCTx xLVVipCdCpCnqADeeNL1ETEOVVpEEpEEPIWqADex 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸小結(jié)小結(jié) 導(dǎo)出了正向有源模式下少子分布導(dǎo)出了正向有源模式下少子分布 （3-27a） （3-27b） (1)(1)基區(qū)電子分布基區(qū)電子分布 ： nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinh

26、sinhsinh1000在在 的情況下的情況下 nBLx BVVppxxenxnTE103.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸小結(jié)小結(jié) （3-23a） （3-23b） (2)(2)發(fā)射區(qū)少子空穴分布發(fā)射區(qū)少子空穴分布 ： 若若 pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh100ExpEL EVVEEExxeppxpTE11003.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸小結(jié)小結(jié) （3-28） （3-29） 導(dǎo)出了正向有源模式下少子電流：導(dǎo)出了正向有源模式下少子電流： (1)(1)基區(qū)電子電流基區(qū)電子電流10TEVVnBnp