微電子器件基礎(chǔ)課件

PN結(jié)第1章PN結(jié)1.1平衡PN結(jié)1.2空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電勢(shì)分布1.3過渡區(qū)電容和擴(kuò)散電容1.1平衡PN結(jié)PN

結(jié)含義： 在一塊N型（或P型）半導(dǎo)體單晶上，用特定的工藝方法把P型（或N型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊單晶相連的二個(gè)不同區(qū)域分別具有N型和P型的導(dǎo)電類型，在二者交界面的過渡區(qū)即稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)1.1平衡PN結(jié)1.1.1內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電勢(shì)1、突變結(jié)單邊突變結(jié)

P＋N結(jié)

N＋P結(jié)P區(qū)N區(qū)x雜質(zhì)濃度xjNAND1.1平衡PN結(jié)1.1.1內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電勢(shì)2、平衡PN結(jié)能帶圖空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)PNxpxnVDqVD位電能勢(shì)子電量能qVDECEVEFEi1.1平衡PN結(jié)1.1.1內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電勢(shì)2、平衡PN結(jié)能帶圖VD

:接觸電勢(shì)差空間電荷區(qū)又稱勢(shì)壘區(qū)耗盡層空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)PNxpxnVDqVD位電能勢(shì)子電量能qVDECEVEFEi1.1平衡PN結(jié)由此可求VD

3、內(nèi)建電勢(shì)差1.1.1內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電勢(shì)1.1平衡PN結(jié)式中NA：P區(qū)摻雜濃度；

ND：N區(qū)摻雜濃度

ni：本征載流子濃度對(duì)于鍺PN結(jié)，通?？扇D=0.3—0.4V

對(duì)于硅PN結(jié)，通常可取VD=0.6—0.7V1.1.1內(nèi)建電場(chǎng)和內(nèi)建電勢(shì)熱電壓1.1平衡PN結(jié)1.1.2耗盡近似耗盡近似假定空間電荷區(qū)內(nèi)載流子全部耗盡，離化雜質(zhì)中心提供空間電荷，空間電荷的分布在邊界上突變過渡。在耗盡近似下，邊界區(qū)被忽略，空間電荷區(qū)內(nèi)載流子全部耗盡，因而提到PN結(jié)時(shí)，空間電荷區(qū)以及耗盡區(qū)兩術(shù)語(yǔ)可交替使用。1.1平衡PN結(jié)1.1.3準(zhǔn)中性近似緩變結(jié)NPx雜質(zhì)濃度xjND

-NA1.1平衡PN結(jié)1.1.3準(zhǔn)中性近似

緩變結(jié)近似緩變PN結(jié)附近雜質(zhì)濃度的兩種近似處理方法A．線性緩變結(jié)近似B．突變結(jié)近似NPx雜質(zhì)濃度xjND

-NA1.1平衡PN結(jié)1.1.3準(zhǔn)中性近似緩變結(jié)近似A．線性緩變結(jié)近似

適用于表面雜質(zhì)濃度較低、結(jié)深較深的緩變結(jié)x雜質(zhì)濃度xjND

-NA雜質(zhì)濃度xjxαj1.1平衡PN結(jié)PN結(jié)的類型緩變結(jié)近似B．突變結(jié)近似

適用于表面雜質(zhì)濃度較高、結(jié)深較淺的緩變結(jié)x雜質(zhì)濃度xjND

-NA雜質(zhì)濃度xjx1.1平衡PN結(jié)1.1.3準(zhǔn)中性近似緩變雜質(zhì)分布區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)1.2

空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電勢(shì)分布空間電荷區(qū)幾個(gè)基本概念：空間電荷空間電荷區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電勢(shì)差VD1.2

空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電勢(shì)分布均勻摻雜pn結(jié)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)1.2

空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電勢(shì)分布突變結(jié)當(dāng)-xp

x0時(shí)當(dāng)0xxn時(shí)1.2

空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電勢(shì)分布均勻摻雜pn結(jié)空間電荷區(qū)的電勢(shì)1.2

空間電荷區(qū)的電場(chǎng)和電勢(shì)分布當(dāng)-xp

x0時(shí)當(dāng)0xxn時(shí)1.3過渡區(qū)電容和擴(kuò)散電容PN結(jié)電容過渡區(qū)電容（勢(shì)壘電容）擴(kuò)散電容1.3過渡區(qū)電容CT和擴(kuò)散電容CD1.3.1過渡區(qū)電容一、過渡區(qū)電容的來源 當(dāng)外加電壓周期性變化時(shí)，載流子則周期性地流入或流出勢(shì)壘區(qū)，相當(dāng)于電容周期地充電，放電，這就是PN結(jié)過渡區(qū)電容，亦稱勢(shì)壘電容。1.3過渡區(qū)電容和擴(kuò)散電容二、突變結(jié)勢(shì)壘電容計(jì)算三、線性緩變結(jié)勢(shì)壘電容計(jì)算1.3過渡區(qū)電容和擴(kuò)散電容四、勢(shì)壘電容的討論（1）PN結(jié)勢(shì)壘電容和平板電容的不同，是非線性電容（2）PN結(jié)在正偏，零偏及反偏壓下均具有電容效應(yīng)（3）PN結(jié)勢(shì)壘電容與外加電壓有關(guān) 正偏電壓越高，電容越大。 反偏電壓越高，電容越小。（4）PN結(jié)勢(shì)壘電容與外加電壓的關(guān)系與PN結(jié)的雜質(zhì)分布有關(guān)（5）由于采用耗盡層近似，反偏下，計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際值接近，而正偏下計(jì)算的CT則誤差較大1.3過渡區(qū)電容和擴(kuò)散電容1.3.2PN結(jié)擴(kuò)散電容一、定義 正向偏壓時(shí)，擴(kuò)散區(qū)的電荷隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)稱為“擴(kuò)散電容”。 當(dāng)PN結(jié)外加正向偏壓V，在其勢(shì)壘區(qū)二邊的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)有著非平衡少數(shù)載流子電荷的積累。

當(dāng)V升高，注入的“少子”電荷增多。相當(dāng)于電容“充電”；當(dāng)V降低，注入的“少子”電荷減少，相當(dāng)于電容“放電”。1.3過渡區(qū)電容和擴(kuò)散電容1.3過渡區(qū)電容和擴(kuò)散電容二、擴(kuò)散電容計(jì)算設(shè)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，非平衡載流子的分布近似為線性分布。則LP內(nèi)的總電荷為：同理，在Ln內(nèi)：習(xí)題1.硅突變結(jié)的摻雜濃度為Na=21016cm-3，Nd=21015cm-3，溫度為T=300K。計(jì)算（a）Vbi，（b）VR=0與VR=8V時(shí)的W，（c）VR=0與VR=8V時(shí)的最大電場(chǎng)。

PN結(jié)二極管2.1直流特性2.1.1非平衡PN結(jié)處于一定偏置狀態(tài)下的PN結(jié)稱為非平衡PN結(jié)。當(dāng)P區(qū)接電源的正極，N區(qū)接電源的負(fù)極，稱為正向PN結(jié)。反之，則稱反向PN結(jié)。

2.1直流特性2.1.2、正向PN結(jié)（1）少子注入正向電壓使 勢(shì)壘區(qū)寬度變窄、

勢(shì)壘高度變低外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反

空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)減弱

破壞擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)間的平衡

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于漂移運(yùn)動(dòng)

注入少子

注入的少子邊擴(kuò)散邊復(fù)合2.1直流特性（2）正向PN結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)電流在N型區(qū)中主要由電子攜帶電流在P型區(qū)中主要由空穴攜帶

通過PN結(jié)的電流存在電流載體轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象P區(qū)N區(qū)jnjpLnLp2.1直流特性2.1.3反向PN結(jié)（1）反向PN結(jié)的少子抽取反向電壓使 勢(shì)壘區(qū)寬度變寬

勢(shì)壘高度變高外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同增強(qiáng)空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)破壞擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)平衡漂移運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)抽取少子LnLp2.1直流特性(2)反向PN結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)P區(qū)N區(qū)jpjnLnLp2.1直流特性2.1.4V-I特性方程一、理想PN結(jié)模型

（1）小注入。即注入的非平衡少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)低于平衡多子濃度,即摻雜濃度。

（2）外加電壓全部降落在勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘區(qū)以外為電中性區(qū)。

（3）忽略勢(shì)壘區(qū)載流子的產(chǎn)生-復(fù)合作用。通過勢(shì)壘區(qū)的電流密度不變。

（4）忽略半導(dǎo)體表面對(duì)電流的影響。

（5）只考慮一維情況。2.1直流特性二.坐標(biāo)

以xn、xp為坐標(biāo)原點(diǎn)分別建立坐標(biāo)系。步驟：求解“非少子”的擴(kuò)散方程→求“非少子”濃度的邊界值→求“非少子”濃度梯度→分別求電子、空穴的擴(kuò)散電流密度→求PN結(jié)電流2.1直流特性2.1直流特性2.1直流特性2.1直流特性

肖克萊方程2.1直流特性單邊結(jié)近似

對(duì)于P+N結(jié)NA>>ND

對(duì)于N+P結(jié)ND>>NA2.1直流特性2.1.5V-I特性方程的討論（1）（2）

（3）小電流下，正向電流比理論值大；要考慮勢(shì)壘復(fù)合電流的影響。（4）大電流下，正向電流比理論值小，勢(shì)壘區(qū)以外存在大注入自建電場(chǎng)。（5）反向電流比理論值大；要考慮表面漏電流及勢(shì)壘產(chǎn)生電流JG的影響。（6）當(dāng)T升高時(shí)，JF增大，JR增大。2.1直流特性2.1.6大注入1.大注入定義：正偏工作，注入載流子密度等于或大于平衡多子的工作狀態(tài)。2.大注入效應(yīng)：內(nèi)建電場(chǎng)，加速電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)2.2頻率特性和開關(guān)特性基本概念

頻率特性

大信號(hào)工作

小信號(hào)工作2.2頻率特性和開關(guān)特性PN結(jié)大信號(hào)工作特點(diǎn)：

ID-VA特性，CD-VA特性以及CT-VA特性都是非線性的PN結(jié)小信號(hào)工作特點(diǎn)：信號(hào)電流與信號(hào)電壓之間滿足線性變化關(guān)系2.2頻率特性和開關(guān)特性小信號(hào)等效電路2.3PN結(jié)的電擊穿2.3.1PN結(jié)擊穿的含義 PN結(jié)反向電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加的現(xiàn)象稱為“PN結(jié)擊穿”，這時(shí)的電壓稱為擊穿電壓（VR）VRIV2.3PN結(jié)的電擊穿2.3.2產(chǎn)生擊穿的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生擊穿的機(jī)制熱效應(yīng)隧道效應(yīng)雪崩效應(yīng)2.3PN結(jié)的電擊穿一、雪崩擊穿

PN結(jié)加大的反向偏壓

載流子從電場(chǎng)獲得能量

載流子與晶格碰撞

能量足夠大時(shí)價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生一對(duì)電子－空穴

新形成的電子、空穴被電場(chǎng)加速，碰撞出新的電子、空穴

載流子倍增硅PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度為105～106

V/cm非破壞性可逆擊穿2.3PN結(jié)的電擊穿二、隧道擊穿

反向偏壓升高

P區(qū)價(jià)帶頂高于N區(qū)導(dǎo)帶底

當(dāng)勢(shì)壘區(qū)寬度較小

P區(qū)價(jià)帶電子按一定幾率穿透勢(shì)壘到達(dá)N區(qū)導(dǎo)帶

形成電子空穴對(duì) 這種效應(yīng)稱“隧道效應(yīng)”一般： 隧道擊穿的電壓較低，如Si

PN

結(jié)，VB<4.5V

雪崩擊穿的電壓較高，如Si

PN結(jié)，VB>6.7V

非破壞性可逆擊穿P+區(qū)N+區(qū)勢(shì)壘區(qū)ECEV2.3PN結(jié)的電擊穿三、熱擊穿

熱損耗

局部升溫

電流增加破壞性擊穿

習(xí)題1.考慮T=300K時(shí)的單邊P+N硅二極管，其摻雜濃度為Na=1018cm-3.設(shè)計(jì)出該pn結(jié)使得VR=3.5V時(shí)，Cj=0.95pF。計(jì)算出VR=1.5V時(shí)的勢(shì)壘電容。

雙極晶體管無(wú)源器件（passivedevice）

：工作時(shí)不需要外部能量源（SourceEnergy）的器件。電阻、電容、電感、二極管。有源器件（ActiveDevice）：

工作時(shí)需要外部能量源的器件，該器件至少有一個(gè)輸出，并且是輸入信號(hào)的一個(gè)函數(shù)。

如：雙極晶體管、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管…

原理：在器件的兩個(gè)端點(diǎn)施加電壓，控制第三端的電流晶體管的誕生1947年12月23日，美國(guó)物理學(xué)家肖克萊（W·Shockley）和布拉頓和巴丁在著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室向人們展示了第一個(gè)半導(dǎo)體電子增幅器，即最初的晶體管。獲得了1956年若貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金第一支晶體管表面積2cm2，相當(dāng)于現(xiàn)在十億個(gè)晶體管晶體管的誕生1947年的圣誕前某一天，貝爾實(shí)驗(yàn)室中，布拉頓平穩(wěn)地用刀片在三角形金箔上劃了一道細(xì)痕，恰到好處地將頂角一分為二，分別接上導(dǎo)線，隨即準(zhǔn)確地壓進(jìn)鍺晶體表面的選定部位。電流表的指示清晰地顯示出，他們得到了一個(gè)有放大作用的新電子器件！布拉頓和巴丁興奮地大喊大叫起來。布拉頓在筆記本上這樣寫道：“電壓增益100，功率增益40……實(shí)驗(yàn)演示日期1947年12月23日下午。”作為見證者，肖克萊在這本筆記上鄭重地簽了名。1948年，肖克萊發(fā)明了“結(jié)型晶體管”。1948年7月1日，美國(guó)《紐約時(shí)報(bào)》只用了8個(gè)句子的篇幅，簡(jiǎn)短地公開了貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管的消息?！耙皇て鹎永恕?，它就像顆重磅炸彈，在全世界電子行業(yè)“引爆”出強(qiáng)烈的沖擊波。電子計(jì)算機(jī)終于就要大步跨進(jìn)第二代的門檻！1954年，貝爾實(shí)驗(yàn)室使用800支晶體管組裝成功人類有史以來第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRADIC3.1雙極型晶體管的工作原理

3.1雙極型晶體管的工作原理均勻基區(qū)：少子擴(kuò)散—擴(kuò)散晶體管緩變基區(qū)：擴(kuò)散+漂移—漂移晶體管合金晶體管：銦球+N型鍺+銦球，熔化-冷卻-析出形成再結(jié)晶層，PNP,分布均勻平面擴(kuò)散晶體管發(fā)射區(qū)，基區(qū)雜質(zhì)分布非均勻發(fā)射結(jié)近似為突變結(jié)集電結(jié)為緩變結(jié)3.1雙極型晶體管的工作原理N=ND-NA

硼B(yǎng)、磷P分別采用預(yù)淀積、再分布兩步擴(kuò)散形成高斯分布。N=NSeexp(-x2/Le2)-Nsbexp(-x2/Lb2)+NCLe2=4Dete,De磷擴(kuò)散系數(shù)，te擴(kuò)散時(shí)間Lb2=4Dbtb,Db硼擴(kuò)散系數(shù)，tb擴(kuò)散時(shí)間NSe磷表面濃度，NSb硼表面濃度集成電路中的常規(guī)npn管3.1雙極型晶體管的工作原理

3.1雙極型晶體管的工作原理

氧化物隔離的npn管橫截面圖3.1雙極型晶體管的工作原理

3.1.1基本工作原理發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的典型摻雜濃度為1019，1017，1015cm-3BJT是非對(duì)稱器件3.1.1基本工作原理

3.1雙極型晶體管的工作原理希望盡可能多的電子能到達(dá)集電區(qū)而不和基區(qū)中的多子空穴復(fù)合3.1.1基本工作原理3.1雙極型晶體管的工作原理

偏置在正向有源模式下的npn的少子分布圖3.1.2晶體管電流的簡(jiǎn)化表達(dá)式理想情況，由于沒有復(fù)合，少子濃度線性。3.1雙極型晶體管的工作原理

3.1.2晶體管電流的簡(jiǎn)化表達(dá)式集電極電流：

假定：基區(qū)電子線性分布集電極電流為擴(kuò)散電流

結(jié)論：集電極電流由基極和發(fā)射極之間的電壓控制，這就是晶體管的工作原理發(fā)射極電流：

一是由從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流形成的（iE1）；二是由基區(qū)的多子空穴越過B-E結(jié)注入到發(fā)射區(qū)（iE2）,它也是正偏電流，表達(dá)形式同iE1

3.1雙極型晶體管的工作原理

3.1.2晶體管電流的簡(jiǎn)化表達(dá)式基極電流:

一是iE2，該電流正比于exp(VBE/Vt)，記為iBa；另一是基區(qū)多子空穴的復(fù)合流iBb,依賴于少子電子的數(shù)量，也正比于exp(VBE/Vt)。故基極電流正比于exp(VBE/Vt)。3.1雙極型晶體管的工作原理3.1.3工作模式pn結(jié)電壓大于0，正偏；反之反偏四種工作模式(npn)：正向有源：Vbe>0，Vbc<0飽和：Vbe>0，Vbc>0反向有源：Vbe<0，Vbc>0截止：Vbe<0，Vbc<0VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE當(dāng)VCC足夠大，VR較小時(shí)，VCB>0此時(shí)正向有源。IC增大，VR增大，VCB減小，C結(jié)零偏準(zhǔn)飽和，C結(jié)反偏飽和飽和時(shí)集電極電流不受控于VBE！3.1雙極型晶體管的工作原理3.1雙極型晶體管的工作原理3.1.3雙極晶體管放大電路雙極晶體管和其他元件相連，可以實(shí)現(xiàn)電壓放大和電流放大3.2少子分布對(duì)于正向有源工作npn器件，如何計(jì)算電流？晶體管電流>少子擴(kuò)散電流>少子分布？本書重要符號(hào):NE,NB,NC

發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的摻雜濃度xE,XB,xC

電中性發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的寬度DE,DB,DC

發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的少子擴(kuò)散系數(shù)LE,LB,LC

發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度Pe0

發(fā)射區(qū)熱平衡少子空穴濃度Nb0基區(qū)熱平衡少子電子濃度Pc0集電區(qū)熱平衡少子空穴濃度3.2.1正向有源模式3.2少子分布一均勻基區(qū)晶體管（以npn為例）假設(shè)：（采用一維理想模型）e,b,c三個(gè)區(qū)均勻摻雜，e,c結(jié)突變e,c結(jié)為平行平面結(jié)，其面積相同，電流垂直結(jié)平面外電壓全降在空電區(qū)，勢(shì)壘區(qū)外無(wú)電場(chǎng)，故無(wú)漂移電流e,c區(qū)長(zhǎng)度＞＞少子L，少子濃度為指數(shù)分布（隨x）Xm＜＜少子L，忽略勢(shì)壘復(fù)合及產(chǎn)生滿足小注入條件不考慮基區(qū)表面復(fù)合3.2少子分布3.2少子分布

1.基區(qū)電子（少子）濃度分布

解當(dāng)

時(shí)，式10.15b簡(jiǎn)化

3.2少子分布發(fā)射區(qū)空穴濃度分布集電區(qū)空穴濃度分布同理可以得到3.2少子分布其他工作模式的少子分布？截止區(qū)飽和區(qū)反向有源3.2.2其他工作模式3.2少子分布2.電流密度分布

（假設(shè)③，勢(shì)壘區(qū)外無(wú)電場(chǎng)，只考慮擴(kuò)散電流）基區(qū)電子擴(kuò)散電流令X=0，得

通過發(fā)射結(jié)電子電流為X=Wb，得

到達(dá)集電結(jié)電子電流為

發(fā)射區(qū)空穴電流密度分布當(dāng)，則近似有集電區(qū)空穴電流密度3.2少子分布

3.晶體管直流電流-電壓基本方程E極總電流

=電子電流

+空穴電流令得C極總電流

=C區(qū)電子電流

+空穴電流（忽略c結(jié)勢(shì)壘產(chǎn)生電流）3.2少子分布二緩變基區(qū)晶體管（以npn為例）1.緩變基區(qū)中的自建電場(chǎng)3.2少子分布3.2少子分布

基區(qū)雜質(zhì)指數(shù)分布BJT的基區(qū)漂移系數(shù)2.非平衡少子分布及電流密度從輸運(yùn)方程開始求非平衡少子密度NPB(X)利用邊界條件求出jnB3.2少子分布A.基區(qū)電子分布

擴(kuò)散電流增加，漂移電流減少，但二者之和不變。對(duì)不同

η(η=0為均勻基區(qū)）做基區(qū)電子歸一化濃度分布曲線如圖由圖可見：當(dāng)η較大時(shí)，隨著基區(qū)雜質(zhì)指數(shù)分布其中為電場(chǎng)因子→3.2少子分布

發(fā)射區(qū)自建電場(chǎng)與基區(qū)處理類似

有B.發(fā)射區(qū)空穴分布

對(duì)一般平面管，發(fā)射區(qū)有雜質(zhì)梯度

3.2少子分布C.集電區(qū)雜質(zhì)是均勻分布的，其中少子分布與均勻基區(qū)晶體管相同。圖2-15給出了一個(gè)實(shí)際外延平面晶體管在不同工作電壓下雜質(zhì)分布及電場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果。3.2少子分布3.2少子分布

D.基區(qū)渡越時(shí)間三重?fù)诫s發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄有效摻雜濃度下降3.2少子分布

3.3低頻共基極電流增益3.3.1有用的因素

3.3低頻共基極電流增益3.3.1有用的因素

3.3低頻共基極電流增益3.3.1有用的因素定義

3.3低頻共基極電流增益3.3.1有用的因素一、晶體管的三種連接方式及電流放大系數(shù)3.3低頻共基極電流增益3.3.2電流增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式(a)共基極接法

α＜1并接近1(一般為0.95~0.995)

晶體管中的復(fù)合作用是不可避免的故：

α＜1說明共基接法無(wú)電流放大作用，但有電壓(功率)放大作用輸入輸出電壓V功率P3.3低頻共基極電流增益（b）共發(fā)射極接法共發(fā)射極短路電流放大系數(shù)

遠(yuǎn)大于1，一般在20~200之間

3.3低頻共基極電流增益（c）共集電極接法電流放大系數(shù)間的關(guān)系以及3.3低頻共基極電流增益二、均勻基區(qū)晶體管的直流電流增益發(fā)射效率（注入效率）基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)3.3低頻共基極電流增益直流電流增益忽略二階小量由

得3.3低頻共基極電流增益三、電流放大系數(shù)與材料結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系A(chǔ).發(fā)射效率

與均勻基區(qū)形式相同證明分母第二項(xiàng)為方塊電阻之比計(jì)算基區(qū)

R□b

，在平行結(jié)平面取薄層dx，認(rèn)為dx層內(nèi)的雜質(zhì)均勻分布，其電阻率為3.3低頻共基極電流增益dx層方塊電阻厚度Wb的薄層電阻

R□b

應(yīng)由無(wú)數(shù)個(gè)dx薄層電阻并聯(lián)

所以

所以

同理，對(duì)發(fā)射區(qū)3.3低頻共基極電流增益如何求

R□b計(jì)算法：由所測(cè)得的將高斯分布代入

求得代入得到R□b

3.3低頻共基極電流增益B.基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)（npn管）

得基區(qū)任意摻雜之

基區(qū)電荷其中為基區(qū)復(fù)合電流3.3低頻共基極電流增益對(duì)均勻基區(qū)常數(shù)代入上式得對(duì)線性基區(qū)代入（2-60）得對(duì)指數(shù)分布3.3低頻共基極電流增益C.電流放大系數(shù)3.3低頻共基極電流增益3.4非理想效應(yīng)

基區(qū)有效寬度隨集電結(jié)偏壓而變化的現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)（厄爾利效應(yīng)）3.4.1基區(qū)寬變效應(yīng)厄爾利電壓

反映了基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響對(duì)均勻基區(qū)NPN晶體管對(duì)非均勻基區(qū)晶體管，集電結(jié)為線性緩變結(jié)設(shè)

為無(wú)寬變效應(yīng)的電流放大系數(shù)

為有寬變效應(yīng)的電流放大系數(shù)

為冶金結(jié)寬度3.4非理想效應(yīng)

3.4.2

大注入效應(yīng)◆基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)(npn管）小注入時(shí)基區(qū)電阻率:大注入時(shí)的基區(qū)電阻率（受到Δn影響）:大注入時(shí)，基區(qū)電阻率ρb’隨注入電子濃度Δn增加而下降,稱之為基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng).3.4非理想效應(yīng)

◆基區(qū)大注入下的電流

均勻基區(qū)情形：大注入N+P結(jié)有E區(qū)向基區(qū)注入電子形成的電流相當(dāng)于Dnb擴(kuò)大了一倍.3.4非理想效應(yīng)

3.4.3有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)◆均勻基區(qū)晶體管，電中性條件大電流下，空穴的注入使得大電流下電中性正電荷密度增加負(fù)電荷密度減少3.4非理想效應(yīng)

C結(jié)勢(shì)壘區(qū)由空穴漂移電流推出左邊為右邊為左=右,并令，得小注入勢(shì)壘區(qū)寬度3.4非理想效應(yīng)

結(jié)論：(1)當(dāng)p<<ND時(shí)，小注入,xm=xm0,C結(jié)空電區(qū)邊界不動(dòng)。

(2)當(dāng)p>>ND時(shí),特大注入,xm→0有效基區(qū)擴(kuò)展到CB結(jié)冶金結(jié)處。(3)

時(shí)3.4非理想效應(yīng)

3.4.4發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)（發(fā)射區(qū)禁帶變窄）發(fā)射區(qū)過重的摻雜不僅不能提高發(fā)射效率，反而使發(fā)射效率降低*形成雜質(zhì)帶尾，禁帶變窄本征載流子濃度與帶隙寬度直接相關(guān)發(fā)射區(qū)有效雜質(zhì)濃度降低為3.4非理想效應(yīng)

發(fā)射區(qū)有效雜質(zhì)濃度降低，導(dǎo)致發(fā)射效率下降為*俄歇復(fù)合發(fā)射區(qū)少子空穴壽命*基區(qū)表面復(fù)合基區(qū)表面復(fù)合電流俄歇復(fù)合通過復(fù)合中心復(fù)合3.4非理想效應(yīng)

表面復(fù)合對(duì)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的影響可表示為對(duì)均勻基區(qū)對(duì)緩變基區(qū)S為復(fù)合速率3.4非理想效應(yīng)

3.4.5集電極集邊效應(yīng)◆發(fā)射區(qū)電流分布高發(fā)射結(jié)偏壓下，發(fā)射結(jié)邊緣的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中間部分的電流,這種現(xiàn)象稱為發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(又稱基極電阻自偏壓效應(yīng))?！舭l(fā)射區(qū)有效寬度取薄層dy,IB（y）在dy上的壓降為：3.4非理想效應(yīng)

據(jù)電流連續(xù)原理兩邊同除以

經(jīng)整理后

得解此二階常微分方程3.4非理想效應(yīng)

代入

可得電流的Y向分布，y越大,JE越大,集邊效應(yīng)越顯著.◆發(fā)射極有效寬度：從發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降為kT／q

所對(duì)應(yīng)的條寬，記為,◆有效半寬度：3.4非理想效應(yīng)

設(shè)處,JE為峰值JEP,得E極電流平均值

用JEP

表示Seff:用表示Seff3.4非理想效應(yīng)

高頻下:◆發(fā)射極有效長(zhǎng)度（Leff）Tr.的內(nèi)金屬電極很?。?μm）、窄，大電流時(shí)，其電阻不可忽略。如果E極條太長(zhǎng)，其端部電流→0，無(wú)意義。定義：電極端部至根部電位差=kT／q時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極條長(zhǎng)度為有效長(zhǎng)度（Leff）3.4非理想效應(yīng)

發(fā)射極有效長(zhǎng)度(所對(duì)應(yīng)的條長(zhǎng))發(fā)射極條等效電阻,n個(gè)e極條,每條電流為條長(zhǎng)方向壓降:3.4非理想效應(yīng)

3.4.6晶體管的擊穿電壓

：集電極開路時(shí)e,b間反向擊穿電壓

：發(fā)射極開路時(shí)c,b間反向擊穿電壓

：基極開路時(shí)e,b間所能承受的最高反向電壓1.擊穿電壓的定義.3.4非理想效應(yīng)

2.影響擊穿電壓的因素及其關(guān)系

對(duì)合金管，由基區(qū)電阻率確定

對(duì)平面管，

對(duì)外延平面管，若外延層厚度，則大大降低：eb結(jié)通常正偏，只要求，易于滿足.3.4非理想效應(yīng)

與

的關(guān)系:C極電流即穿透電流

得

時(shí)

擊穿。

擊穿時(shí)

得

不可片面追求

,要顧及

；改變

可調(diào)節(jié)3.4非理想效應(yīng)

平面管：如圖時(shí)，e區(qū)電位隨c區(qū)電位升高而升高，使eb結(jié)反偏

對(duì)線性緩變集電結(jié)：(2-79)(2-80)如右圖所示3.4非理想效應(yīng)

3.4非理想效應(yīng)

勢(shì)壘局部穿通3.4非理想效應(yīng)

3.消除結(jié)電場(chǎng)集中措施（對(duì)BVcb0

影響）a.增加擴(kuò)散結(jié)深，使結(jié)彎曲處曲率半徑增大b.對(duì)npn平面管，濃硼擴(kuò)散保護(hù)環(huán)可以增大結(jié)彎曲處曲率半徑3.4非理想效應(yīng)

c.采用圓角圖形，使球面結(jié)成為柱面結(jié)

d.采用分壓環(huán)3.4非理想效應(yīng)

e.采用刻槽工藝3.4非理想效應(yīng)

3.5等效電路模型

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域正逐步擴(kuò)大，Ebers-Moll模型就是一種適用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的表述簡(jiǎn)單的模型，它于1954年由此二人提出，適用于右圖所示的所有工作區(qū)。

*薄基區(qū)導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)的相互作用，流過每個(gè)結(jié)的電流都應(yīng)由兩個(gè)結(jié)上的電壓所決定。3.5.1E-M方程將雙極晶體管的電流看成一個(gè)正向晶體管和一個(gè)倒向晶體管疊加后各自所具有的電流并聯(lián)而成正向晶體管倒向晶體管IES是C結(jié)短路，E結(jié)的反向飽和電流對(duì)正向晶體管：αF

：E結(jié)正偏，C結(jié)零偏正向電流增益3.5等效電路模型同理，對(duì)倒向晶體管ICS是E結(jié)短路，

C結(jié)的反向飽和電流αR：C結(jié)正偏，

E結(jié)零偏反向電流增益3.5等效電路模型由圖3.5等效電路模型代入式（3.5.6）、（3.5.10）得E-M方程等效電路見圖3.5等效電路模型得E-M方程互易定理實(shí)際器件中3.5等效電路模型并注意推導(dǎo)該二式的邊界條件，且則E-M方程中的系數(shù)（考慮npn實(shí)際電流方向，88，89右邊乘以“-1”）互易定理的本質(zhì)是：eb結(jié)與cb結(jié)有共同部分（基區(qū)），無(wú)論哪個(gè)結(jié)短路，另一個(gè)結(jié)的反向飽和電流都含有共同的基區(qū)少子擴(kuò)散電流(書上誤為漂移電流P112)(2-90)(2-91)(2-92)E-M方程互易定理3.5等效電路模型

為正常偏壓下共基極輸出端短路電流放大系數(shù)

為反向運(yùn)用下共基極輸出端短路電流放大系數(shù)由（2-89）當(dāng)

時(shí)代入（2-88）得(2-94)(2-95)上式又可寫為于是得到3.5等效電路模型同理，由

可導(dǎo)出由（2-88）時(shí)由（2-89）

時(shí)（2-95），（2-96）新含意：集電結(jié)（發(fā)射結(jié)）短路時(shí)的發(fā)射結(jié)（集電結(jié)）飽和電流等于集電結(jié)（發(fā)射結(jié)）開路時(shí)的發(fā)射結(jié)（集電結(jié)）飽和電流除以

(1－αRαF)

，一般αRαF均小于1，∴IEB0,ICB0都小于IES,ICS(2-96)(2-97)(2-98)(2-97)3.5等效電路模型若以-αR×(3.89)+(3.88)得同理分別以（2-95）（2-96）代入上二式，得(3-99)(3-100)上述二式均可等效為一個(gè)電流源與一個(gè)二極管并聯(lián)，如下圖所示3.5等效電路模型基極

可由（2-88），（2-89）求出（2-101）3.5等效電路模型3.5.2G-P模型主要用于分析基區(qū)非均勻摻雜的情況GP模型對(duì)EM模型在以下幾方面作了改進(jìn)：

1.直流特性：反映了集電結(jié)上電壓的變化引起有效基區(qū)寬度變化的基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，改善了輸出電導(dǎo)、電流增益和特征頻率。反映了共射極電流放大倍數(shù)β隨電流和電壓的變化。

2.交流特性：考慮了正向渡越時(shí)間τF隨集電極電流IC的變化，解決了在大注入條件下由于基區(qū)展寬效應(yīng)使特征頻率fT和IC成反比的特性。

3.考慮了大注入效應(yīng)，改善了高電平下的伏安特性。

4.考慮了模型參數(shù)和溫度的關(guān)系。

5.根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同，考慮了外延層電荷存儲(chǔ)引起的準(zhǔn)飽和效應(yīng)。3.5等效電路模型圖G-P模型等效電路3.5等效電路模型3.5.2G-P模型

3.5等效電路模型3.5.2G-P模型由以上兩式和愛因斯坦關(guān)系式；且則有

3.5等效電路模型3.5.3H-P模型線性電路中，晶體管工作在放大區(qū)，我們只對(duì)正弦信號(hào)感興趣，故有H-P模型完整的H-P等效電路如右：了解h-p模型的各個(gè)組成部分重點(diǎn)在各參數(shù)的意義

1.交流短路電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)

定義:輸出端交流短路時(shí)輸出端與輸入端的交流電流之

比為交流短路電流放大系數(shù)。

共基極交流短路電流放大系數(shù)

晶體管交流小信號(hào)電流增益共射級(jí)交流短路電流放大系數(shù)

；交流小信號(hào)電流傳輸3.6頻率上限；BJT的交流特性分析實(shí)用中，直流偏壓上面加交流小信號(hào).均勻基區(qū)晶體管（npn）nene3.6頻率上限緩變基區(qū)晶體管3.6頻率上限◆發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間發(fā)射極電流3.6.1延時(shí)因子◆發(fā)射效率及發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間3.6頻率上限◆基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)及基區(qū)渡越時(shí)間均勻基區(qū)晶體管對(duì)緩變基區(qū)(基區(qū)雜質(zhì)指數(shù)分布)對(duì)平面管（高斯分布可用指數(shù)分布近似），通常3.6頻率上限3.6.1延時(shí)因子◆集電結(jié)勢(shì)壘輸運(yùn)系數(shù)及渡越時(shí)間

假設(shè):在正弦交流信號(hào)的正

半周,由于電流密度的增大

使穿過空電區(qū)電荷增加了

－Q(集電結(jié)電壓不變時(shí),

空電區(qū)電荷總量不變)

正半周:為了補(bǔ)償增加的－Q,負(fù)

空間電荷應(yīng)減少－Q/2(x3+),

正空間電荷增加＋Q/2(x4+)

負(fù)半周:為了補(bǔ)償減少的－Q,負(fù)

空間電荷應(yīng)增加－Q/2(x3-),

正空間電荷減少＋Q/2(x4-)3.6頻率上限3.6.1延時(shí)因子◆集電結(jié)勢(shì)壘渡越時(shí)間◆集電區(qū)倍增因子與集電極延遲時(shí)間集電極延遲時(shí)間：交流電流流過rcs

時(shí)，將產(chǎn)生交流壓降(cb結(jié)壓降跟著變),導(dǎo)致充放電電流icTC對(duì)cb結(jié)電容CTC充放電，使輸出電流下降3.6頻率上限3.6.1延時(shí)因子α截止頻率

：定義為α由低頻值

下降到

所對(duì)應(yīng)的頻率。β截止頻率

：定義為β由低頻值

下降到所對(duì)應(yīng)的頻率。特征頻率

：

β＝1所對(duì)應(yīng)的工作頻率（電流放大最高工作頻率）常用“分貝”表示電流放大系數(shù)

(dB)(dB)

截止頻率時(shí)，電流放大系數(shù)下降了3分貝

特征頻率下，電流放大系數(shù)為零分貝

3.6頻率上限3.6.2晶體管截止頻率

6分貝倍頻程段

（β增減一倍，放大系數(shù)變化6dB）

6分貝倍頻程段

＝常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就是

（亦稱為增益帶寬積）

好處：可以在較低頻率下測(cè)出

最高振蕩頻率

：定義功率增益

（0dB）所對(duì)應(yīng)的頻率

高頻時(shí)除了β下降，還有相移

3.6頻率上限3.6.2晶體管截止頻率3.6.3BJT電流放大系數(shù)的頻率關(guān)系◆共基極運(yùn)用電流放大系數(shù)βd集電結(jié)勢(shì)壘輸運(yùn)系數(shù)αc集電極衰減因子展開分母并略去二次冪可得3.6頻率上限3.6頻率上限3.6.3BJT電流放大系數(shù)的頻率關(guān)系α幅值與頻率的關(guān)系α相位與頻率的關(guān)系3.6頻率上限3.6.3BJT電流放大系數(shù)的頻率關(guān)系◆共發(fā)射極運(yùn)用

1.β與頻率的關(guān)系將α(f)代入β=α/(1-α)即得β(f),然而,α用的是cb短路,β用的是ce短路,所以應(yīng)先求得ce短路下的α(f)，由圖3-28,ce短路下回路應(yīng)有

而

（3-88）3.6頻率上限3.6.3BJT電流放大系數(shù)的頻率關(guān)系得最后可以導(dǎo)出（過程略）對(duì)平面管有3.6頻率上限3.6.3BJT電流放大系數(shù)的頻率關(guān)系3.6.4.影響

的因素和提高

的途徑

影響

因素

基區(qū)渡越時(shí)間

發(fā)射極延遲時(shí)間

τd，τc較τe，τb小

,但高頻管若采取措施降低了

τe，τb,則應(yīng)認(rèn)真對(duì)待此二延遲時(shí)間3.6頻率上限做好Al電極歐姆接觸注意管殼的設(shè)計(jì)及選擇,以減小雜散電容在結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同時(shí),npn管較pnp管有較高的fT(Dn>Dp)

3.6.4.影響

的因素和提高

的途徑提高fT的措施減薄基區(qū)寬度Wb,可采用淺結(jié)擴(kuò)散或離子注入技術(shù)降低基區(qū)摻雜濃度Nb以提高Dnb;適當(dāng)提高基區(qū)雜質(zhì)濃度梯度,以建立一定的基區(qū)自建電場(chǎng)。減小結(jié)面積Ae,Ac,以減小結(jié)電容減小集電區(qū)電阻及厚度,采用外延結(jié)構(gòu),以減小

3.6頻率上限3.7大信號(hào)開關(guān)將一個(gè)晶體管從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)狀態(tài)強(qiáng)烈依賴于上面討論過的頻率特性。然而，作開關(guān)時(shí)晶體管處理的是變化的大信號(hào)，而研究頻率效應(yīng)時(shí)則假定輸入信號(hào)幅度只有較小的變化。3.7.1開關(guān)特性思考如圖10.43a所示電路中的npn晶體管，由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為飽和態(tài)，然后再轉(zhuǎn)換為截止態(tài)。我們將描述在轉(zhuǎn)換過程中在晶體管內(nèi)發(fā)生的物理過程。首先考慮從截止態(tài)轉(zhuǎn)換為飽和態(tài)的情況。假定截止電壓，于是發(fā)射結(jié)反偏。在t＝0時(shí)，假定變化為，如圖10.43b所示。我們?cè)O(shè)足夠大，能將晶體管驅(qū)動(dòng)到飽和態(tài)。在，基極電流提供電荷使發(fā)射結(jié)由反偏變?yōu)檩p微正偏。發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)變窄，離化施主和受主被中和。這時(shí)也有少部分電荷注入到基區(qū)中。在這段時(shí)間內(nèi)集電極電流從零上升為它的最終值的10％，這段時(shí)間稱為延遲時(shí)間。3.7大信號(hào)開關(guān)3.7大信號(hào)開關(guān)3.7大信號(hào)開關(guān)上圖(a)研究晶體管開關(guān)特性所用的電路。（b）驅(qū)動(dòng)晶體管的基極輸入。（c）晶體管工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中集電極電流隨時(shí)間的變化。在下一段時(shí)間內(nèi)，基極電流提供電荷使發(fā)射結(jié)電壓從接近截止態(tài)上升到飽和態(tài)。這段時(shí)間內(nèi)，有更多的載流子注入到基區(qū)中，使得少子梯度增大從而使集電極電流增加。我們稱這段時(shí)間為上升時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)集電極電流由最終值的10％增加到90％。時(shí)，基極驅(qū)動(dòng)繼續(xù)提供電流，將晶體管驅(qū)動(dòng)到飽和態(tài)，在器件內(nèi)建立起穩(wěn)態(tài)的少子分布。3.7.2肖特基鉗位晶體管減小儲(chǔ)存時(shí)間，提高晶體管轉(zhuǎn)換速度的一種常用的方法是采用肖特基鉗位晶體管。它是一個(gè)普通的npn晶體管，并在它的基極和集電極之間連接一個(gè)肖特基二極管，如圖10.45a所示。肖特基鉗位晶體管的電路符號(hào)如圖10.45b所示。晶體管在正向有源區(qū)時(shí)，集電結(jié)反偏，于是肖特基二極管反偏，在電路中不起作用。肖特基鉗位晶體管或者說肖特基晶體管就是一個(gè)普通的晶體管。3.7大信號(hào)開關(guān)3.7大信號(hào)開關(guān)當(dāng)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，集電結(jié)變?yōu)檎挥谑切ぬ鼗O管也變?yōu)檎?。在前面的章?jié)中我們知道，肖特基二極管的開啟電壓大約只有pn結(jié)的一半。肖特基二極管的開啟電壓比較小，所以大部分過?；鶚O電流都被肖特基二極管從基區(qū)中分流走了，因此儲(chǔ)存在基區(qū)和集電區(qū)中的過剩少子電荷的數(shù)量就大大減少了。在基區(qū)和集電區(qū)的集電結(jié)位置的過剩少子濃度是集電結(jié)電壓的指數(shù)函數(shù)。舉一個(gè)例子，如果由0.5伏特減小為0.3伏特，那么過剩少子濃度就降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)。肖特基晶體管的基區(qū)中，過剩電荷大大減少了，于是儲(chǔ)存時(shí)間大大減小了——在肖特基晶體管中，儲(chǔ)存時(shí)間通常為1納秒或更小。3.7大信號(hào)開關(guān)3.8其它的雙極晶體管結(jié)構(gòu)

這一節(jié)要簡(jiǎn)單介紹三種特殊的雙極晶體管結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)是多晶硅發(fā)射區(qū)雙極晶體管。第二種是鍺硅基區(qū)晶體管，第三種是異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）。多晶硅發(fā)射區(qū)雙極晶體管應(yīng)用在最近的一些集成電路中，SiGe基區(qū)晶體管和異質(zhì)結(jié)晶體管HBT多用于高頻/高速的電路中。3.8.1多晶硅發(fā)射區(qū)雙極晶體管圖10.46表示的是多晶硅發(fā)射區(qū)npn型雙極晶體管的理想化橫截面圖。如圖所示，p型基區(qū)和n型多晶硅之間有一層非常薄的n＋型單晶硅區(qū)。3.8其它的雙極晶體管結(jié)構(gòu)3.8.2SiGe基區(qū)晶體管

赭的禁帶寬（～0.67eV）度遠(yuǎn)比硅（～1.12eV）的小。將赭摻進(jìn)硅中，那么同純硅相比，其禁帶寬度會(huì)降低。若將赭摻入硅雙極晶體管的基區(qū)中，禁帶寬度的降低一定會(huì)影響器件的特性。我們想要的赭分布是，在靠近發(fā)射結(jié)處赭濃度最小、在靠近集電結(jié)處，赭濃度最大。假設(shè)硼和赭的分布如圖10.48a所示，那么同硅基區(qū)npn型晶體管相比，赭硅基區(qū)npn型晶體管的能帶圖如圖10.48b所示。由于赭的濃度非常小，這兩種晶體管的發(fā)射結(jié)實(shí)際上是完全一樣的。然而，赭硅基區(qū)晶體管靠近集電結(jié)處的禁帶寬度比硅基區(qū)晶體管的要小。而基極電流是由發(fā)射結(jié)參數(shù)決定的，因此兩種晶體管的基極電流實(shí)際上是完全一樣的。禁帶寬度的變化將會(huì)影響集電極電流。3.8其它的雙極晶體管結(jié)構(gòu)3.8其它的雙極晶體管結(jié)構(gòu)3.8.3異質(zhì)結(jié)雙極晶體管圖10.50a表示的是鋁鎵砷/砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的橫截面圖。圖10.50b是n型鋁鎵砷/p型砷化鎵結(jié)的能帶圖。勢(shì)壘較高，因此就限制了從基區(qū)反注入發(fā)射區(qū)的空穴的數(shù)量。圖10.50|(a)分立和集成電路中的鋁鎵砷/砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（b）n型鋁鎵砷發(fā)射區(qū)/p型砷化鎵基區(qū)形成的pn結(jié)的能帶圖

3.8其它的雙極晶體管結(jié)構(gòu)3.8其它的雙極晶體管結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)砷化鎵雙極晶體管有可能成為頻率很高的器件。寬禁帶發(fā)射區(qū)摻雜濃度降低，于是結(jié)電容減小，提高了器件的速度。同時(shí)，砷化鎵npn型晶體管，基區(qū)中的少子電子遷移率很高。砷化鎵中電子的遷移率大約是硅中的5倍；于是，砷化鎵的基區(qū)渡越時(shí)間非常短。試驗(yàn)性的基區(qū)寬度為0.1微米量級(jí)的鋁鎵砷/砷化鎵異質(zhì)結(jié)晶體管的截止頻率為40GHz數(shù)量級(jí)。砷化鎵的一個(gè)缺點(diǎn)是少子壽命較小。壽命小不會(huì)影響窄基區(qū)器件的基區(qū)渡越時(shí)間，但是它造成發(fā)射結(jié)的復(fù)合電流較大，這就降低了復(fù)合系數(shù)，減小了電流增益。曾有過電流增益為150的報(bào)導(dǎo)。3.8其它的雙極晶體管結(jié)構(gòu)3.9總結(jié)有兩種類型的雙極晶體管－npn型和pnp型。每一種晶體管都有三個(gè)不同的摻雜區(qū)和兩個(gè)pn結(jié)。中心區(qū)（基區(qū)）非常窄，所以這兩個(gè)結(jié)稱為互作用結(jié)。晶體管工作于正向有源區(qū)時(shí)，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。發(fā)射區(qū)中的多子注入基區(qū)，在那里他們變?yōu)樯僮印Ｉ僮訑U(kuò)散過基區(qū)進(jìn)入集電結(jié)空間電荷區(qū)，在那里，它們被掃入集電區(qū)。當(dāng)晶體管工作在正向有源區(qū)時(shí)，晶體管一端的電流（集電極電流）受另外兩個(gè)端點(diǎn)所施加的電壓（發(fā)射結(jié)電壓）的控制。這就是其基本的工作原理。晶體管的三個(gè)擴(kuò)散區(qū)有不同的少子濃度分布。器件中主要的電流由這些少子的擴(kuò)散決定。3.9總結(jié)共發(fā)射極電流增益是三個(gè)因素的函數(shù)—發(fā)射效率，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，和復(fù)合系數(shù)。發(fā)射效率考慮了從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的載流子，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)反映了載流子基區(qū)中的復(fù)合，復(fù)合系數(shù)反映了載流子在正偏發(fā)射結(jié)內(nèi)部的復(fù)合。需要考慮的幾個(gè)非理想效應(yīng)：1.基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，或者說是厄爾利效應(yīng)：中性基區(qū)寬度隨集電結(jié)電壓變化而發(fā)生變化，于是集電極電流隨集電結(jié)或發(fā)射結(jié)電壓變化而變化。2.大注入效應(yīng)使得集電極電流隨發(fā)射結(jié)電壓增加而增加的速率變慢。3.發(fā)射區(qū)禁帶變窄效應(yīng)使得發(fā)射區(qū)摻雜濃度非常高時(shí)發(fā)射效率變小。4.電流集邊效應(yīng)使得發(fā)射極邊界的電流密度大于中心位置的電流密度。5.基區(qū)非均勻摻雜在基區(qū)中感生出靜電場(chǎng)，有助于少子越過基區(qū)。6.兩種擊穿機(jī)理—穿通和雪崩擊穿。3.9總結(jié)晶體管的三種等效電路或數(shù)學(xué)模型。E-M模型和等效電路對(duì)于晶體管的所有工作模式均適用?；鶇^(qū)為非均勻摻雜時(shí)，應(yīng)用G-P模型很方便。小信號(hào)h-p模型應(yīng)用于晶體管處于正向有源模式，用于線性放大時(shí)。晶體管的截止頻率是表征晶體管品質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，它是共發(fā)射極電流增益的幅度變?yōu)?時(shí)的頻率。頻率響應(yīng)是發(fā)射結(jié)電容充電時(shí)間，基區(qū)渡越時(shí)間，集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時(shí)間，和集電結(jié)電容充電時(shí)間的函數(shù)。雖然開關(guān)應(yīng)用涉及到電流和電壓較大的變化，但晶體管的開關(guān)特性和頻率上限直接相關(guān)。開關(guān)特性的一個(gè)重要的參數(shù)是電荷存儲(chǔ)時(shí)間，它反映了晶體管由飽和轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟目炻?.10習(xí)題1.均勻摻雜的n++p+n型雙極晶體管，處于熱平衡狀態(tài)。（a）畫出其能帶圖（b）畫出器件中的電場(chǎng)（c）晶體管處于正向有源區(qū)時(shí)重復(fù)（a），（b）2.均勻摻雜的pnp型雙極晶體管，T=300K。摻雜濃度為NE=51017cm-3,NB=1016cm-3，NC=51014cm-3，工作于反向有源區(qū)。B-C結(jié)點(diǎn)壓最大為多少滿足小注入條件？

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管BJTFET電流控制器件電壓控制器件雙極器件單極器件依靠少子工作,噪聲大依靠多子工作,噪聲低輸入阻抗低輸入阻抗高,利于直接耦合,輸入功耗小溫度穩(wěn)定性差溫度穩(wěn)定性好,具有零或負(fù)的溫度系數(shù)工藝較復(fù)雜,集成度低制造工藝較BJT簡(jiǎn)單,EMOS有天然的隔離,集成度高6.1.1pnJFET的基本結(jié)構(gòu)6.2器件的特性6.2.1內(nèi)建夾斷電壓、夾斷電壓和漏源飽和電壓內(nèi)建夾斷電壓：夾斷電壓：耗盡層寬度：y處電流均勻分布情況6.2.3MESFET基本結(jié)構(gòu)MESFET工作原理E型MESFET開啟電壓6.3非理想因素6.3.1溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)其中，溝長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)6.3.2速度飽和效應(yīng)6.3.3亞閾值電流亞閾值電流主要是擴(kuò)散電流習(xí)題1（a）畫出p溝道JFET結(jié)構(gòu)的能帶圖（b）定性地討論I-V特性，包括電流方向以及電壓特性2考慮一個(gè)n溝道JFET，它具有以下參數(shù)：

Na=31018cm-3，Nd=81016cm-3，a=0.5m。（a）計(jì)算內(nèi)建夾斷電壓（b）計(jì)算未耗盡溝道寬度為0.20m時(shí)所需的柵極電壓3N溝道硅MESFET的溝道長(zhǎng)度是L=2m。假定溝道中水平電場(chǎng)的均值是E=10kV/cm。計(jì)算如下情況時(shí)電子在溝道中的傳輸時(shí)間：（a）遷移率為常數(shù)n=1000cm2/V

s

（b）速度達(dá)到飽和

光器件7.1光學(xué)吸收

7.1光學(xué)吸收7.1.1從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖7.1光學(xué)吸收7.1.2光吸收特性7.1.3幾種半導(dǎo)體的吸收系數(shù)7.1光學(xué)吸收7.2太陽(yáng)能電池7.2.1太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)7.2太陽(yáng)能電池7.2.2PN結(jié)的光生福特效應(yīng)P-N結(jié)光生伏打效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后在P-N結(jié)上產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光生伏打效應(yīng)涉及到以下三個(gè)主要的物理過程：第一、半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子—空穴對(duì)；第二、非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也可以是漂移運(yùn)動(dòng)；第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離。這種非均勻勢(shì)場(chǎng)可以是結(jié)的空間電荷區(qū)，也可以是金屬—半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘或異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘等。7.2太陽(yáng)能電池PN結(jié)能帶圖7.2太陽(yáng)能電池對(duì)于在整個(gè)器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示式中GL為光照電子?空穴對(duì)的產(chǎn)生率A為P-N結(jié)面積A（Ln+Lp）為半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子的體積。由上式可知短路光電流取決于光照強(qiáng)度和P-N結(jié)的性質(zhì)。7.2太陽(yáng)能電池7.2.3太陽(yáng)能電池的I-V特性太陽(yáng)能電池的等效電路圖7.2太陽(yáng)能電池典型的