资源描述
注入电荷在发射-基极势垒两侧的分布，类似于电容器9.5 晶体管的频率特性注入到基区的少子分布随注入改变或时间的变化（均匀掺杂和梯度掺杂）半导体器件原理南京大学1。基区输运过程 输入信号及基区少子的渡越行为发生变化，输出的集电极电流随之发生变化。交变信号频率越高，单位时间用于再分布的电荷越多，消耗的电流也愈大。(1)*的求解 注入基区的少子的基区平均渡越时间b 复合损失：基区中的少子在基区渡越过程中的复合损失：b/相位滞后：流出基区的少子比进入基区的少子延迟了时间b，集电极电流出现相位滞后b 渡越时间的分散：基区少子依靠扩散运动度过基区半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学(2).漂移晶体管的*半导体器件原理南京大学(3).发射结扩散电容 基区中少子电荷储存的变化，反映了发射极与基极间的电容作用。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学(1).发射结延迟时间常数cCTe的充放电对发射效率有影响，CDe则没有。高频情况下，ine及ipe均与频率有关。在2Dnb/Wb2时，发射效率几乎不随频率变化。2。共基极短路电流放大系数的频率关系半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学(2).集电极势垒区渡越时间d （进入微波范围时，与信号周期相比不可忽略）忽略势垒区的产生-复合,并假设集电极交流短路半导体器件原理南京大学 少子以有限速度通过耗尽层时，在层内形成运动的空间电荷，运动的空间电荷在其所在处产生传导电流。在其所在处的前后产生位移电流，通过集电结的电流为两部分之和。集电极势垒区渡越时间d，约为载流子以vm速度通过集电极势垒区所需时间的一半。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学(3).集电极延迟时间常数c 集电结势垒区中的位移电流会在势垒区外感生inc电流，此电流不能立即转为集电极电流。半导体器件原理南京大学(4).共基极短路电流放大系数的截止频率 取一级近似，以下表达式在5（2Dnb/Wb2）的频率范围内都比较准确。适用于均匀基区和缓变基区晶体管（但不同）。半导体器件原理南京大学3.共发射极短路电流共发射极短路电流 放大系数的频率关系放大系数的频率关系1）表达式 直流情况下的关系式在交流下不成立：共发射极连接时集电极发射极交流短路电流放大系数。：共基极连接时集电极基极交流短路的电流放大系数。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学2).特征频率 共发射极短路电流放大系数降到1时的频率半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学提高fT，必须减小四个时间常数：（1）b=Wb2/Dnb（a）Wb，（b）和的优化（Dnb）（2）e=reCTe，减小发射结面积以减小CTe（3）d=xm/2vm，减小xm（优化与击穿电压的矛盾）（4）c=rcsCTC，降低集电极电阻率及厚度，减小结面积（与击穿电压矛盾的优化）4.高频等效电路高频等效电路1.小信号高频参数在交流小信号状态下，晶体管的输出信号近似地按线性关系变化，可以将晶体管等效成一个线性二端网络。I1，V1和I2，V2分别代表网络输入端及输出端的电流和电压，四个参量中只有两个是独立变量。半导体器件原理南京大学Y参数：选用V1和V2为自变量I1=Y11V1+Y12V2I2=Y21V1+Y22V2Y11：输出交流短路时的输入导纳Y12：输入交流短路时的反向转移导纳Y21：输出交流短路时的转移导纳Y22：输入交流短路时的输出导纳半导体器件原理南京大学 h参数：选用I1和V2为自变量h11：输出交流短路时的输入阻抗h12：输入交流开路时反向电压放大系数h21：输出交流短路时的电流放大系数h22：输入交流开路时的输出导纳V1=h11I1+h12V2I2=h21I1+h22V2半导体器件原理南京大学各参数可在晶体管的端点间选择不同的测试条件得到。在直流偏置条件下，要在反偏集电极的高阻抗输出端实现交流开路，或在正偏发射结低阻抗输入端实现交流短路比较困难。h参数的测试条件要求低阻抗发射端交流开路，高阻抗集电极交流短路，易于实现。Y参数难于测量，但直接与载流子的传输过程相联系，物理意义清楚。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学Ebers-Moll 共射极交流模型共射极交流模型半导体器件原理南京大学混合混合模型模型半导体器件原理南京大学混合混合模型（理想晶体管中电阻为零，简化为模型（理想晶体管中电阻为零，简化为Ebers-Moll模型）模型）理想模型与实际模型半导体器件原理南京大学混合混合模型模型简化模型低频模型高频模型9.6 晶体管的反向电流和击穿电压1.反向电流,ICBO(发射极开路，集电极反偏）IEBO（集电极开路，发射极反偏）势垒区两边的少子耗尽引起基区内和集电区的少子向结区扩散，形成反向电流的少子部分;势垒区的产生电流由势垒区的复合中心提供，构成反向电流的多子部分。锗晶体管：主要是少子电流；硅晶体管：主要是多子电流。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学2.反向电流 ICE0（基极开路，集电极-发射极反向电流）IC=IE+ICBO=IE=ICEO ICE=ICE+ICBOICEO=ICBO/（1-）=（1+）ICBO3.击穿电压BVEBO（集电极开路）和 BVCBO（发射极开路）一般情况下，为雪崩击穿BVCEO（基极开路）BVCES（基极发射极短路）9.7 晶体管的其它参数1.晶体管的基区电阻基区中的两类载流子的运动：从发射区注入到基区的少数载流子，垂直于结面的扩散运动与漂移运动。多数载流子，提供少子复合所需的多子以及向发射区注入少子所需的多子，平行于结面的漂移运动。基区扩展电阻：对晶体管的特性产生影响。如发射极电流集边效应，放大，频率特性的下降及基极电阻引起的噪声。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学双极晶体管的电流集边半导体器件原理南京大学双基区晶体管半导体器件原理南京大学叉指结构的双极型器件半导体器件原理南京大学集电极电压变化导致基区宽度调制与厄来效应基区宽度调制(Early效应）半导体器件原理南京大学集电极电压增大导致基区宽度的减小,穿通时两耗尽区相联基区宽度调制(Early效应）2.大电流注入 大注入效应（1）基区电导调制效应：基区中建立了和注入少子有同样密度梯度的多子分布，以维持基区的电中性，从而使基区电阻率显著下降。（2）大注入自建电场多子梯度的存在使其向集电结扩散并在集电结的基区侧产生积累（反向偏压），而在发射结的基区侧空穴密度降低，产生由集电结指向发射结的电场。半导体器件原理南京大学大电流注入导致基区的展宽,大量空穴的注入,和电流放大系数的降低半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学3。有效基区扩展（Kirk)效应（1）1/随JE而线性增加（注入电流很大时）（2）发射效率随发射极电流增加而降低（相当于基区杂质浓度增加）半导体器件原理南京大学（3）发射极延迟时间ere1/IE，fT随IE增加（4）基区渡越时间b1/DnB（自建电场的作用），大注入时比小注入时减少了一半。4。最大集电极电流密度（1）最大发射极电流密度：注入到发射结势垒区边界上的少子密度等于基区浓度时的发射结电流密度。（基区电导调制效应）（2）最大集电极电流密度：基区开始扩展时的临界电流密度。（有效基区扩展效应）半导体器件原理南京大学9.8.晶体管的开关过程晶体管的开关过程1）晶体管的工作区）晶体管的工作区比较参量比较参量正向放大区正向放大区反向放大区反向放大区饱和区饱和区截止区截止区发射结偏置发射结偏置V VBEBE00V VBEBE 0 0V VBEBE00V VBEBE000V VBC BC 0 0V VBCBC0ICS/空穴在基区的积累:IBX=IB1-ICS/饱和深度:s=IB/IBS半导体器件原理南京大学（3）超量储存电荷的消失过超量储存电荷的消失过程程IB2=-(VBB+VBE)/RBA:超量储存电荷被抽完前,发射结和集电结仍处于正偏,ICS不变.B:超量储存电荷被抽完后,ICS开始下降.(储存时间ts=t4-t3)途径:反向IB2,使空穴从基区流出,电中性要求同量的电子被抽取(1)发射极电流比集电极电流小IB2.(2)电荷在基区的复合.半导体器件原理南京大学（4）下降过程）下降过程集电结电流从0.9ICS降至0.1ICS,势垒区变宽,势垒电容放电.下降过程是上升过程的逆过程.载流子的复合作用延缓上升过程,加速下降过程.开启时间:ton=td+tr关断时间:toff=ts+tf半导体器件原理南京大学9.9 特殊晶体管-可控硅（晶闸管）1。基本特性：半导体控制整流器（SCR）非常宽的电流和电压控制范围。电流：mA到5000A；电压：可达10000伏以上结构：四层p-n-p-n结构器件，三个p-n结（J1，J2，和J3）阳极：外P层；阴极：外N层；栅极：内P层。制备：高阻硅作为衬底（N-型）；扩散被用来同时制备P1和P2层；最后合金或扩散被用来制备N2层。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学I-V特性：0-1：正向阻塞或关闭状态，具有很高的阻抗。正向击穿点（1）：dv/dI=0；相应电压：VBF和电流IS.1-2：器件处于负阻区，电流随电压急剧减小而增大.2-3：器件处于正向导通或开通状态，具有低的阻抗。导通起始点（2）：dv/dI=0；维持电压：Vh和维持电流Ih0-4：器件处于反向阻塞状态4-5：器件处于反向击穿区。该器件在正向区是一个双稳器件，它能实现从高阻，低电流的关态到低阻抗，高电流的开态之间的转变。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学物理原理：（a）热平衡状态：没有电流通过耗尽层。势垒层厚度由掺杂浓度决定。（b）在正向阻塞态，J1和J3是正偏，而J2是负偏。大部分电压降在J2上。（c）在正向导通态，二晶体管均处于饱和区，器件上的电压降落很小（相当于正向的PN结上的压降）。（d）在反向阻塞态，J1和J3是反偏，而J2是正偏。反向击穿电压由低掺杂的PN结决定。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学反偏情形下，两个反向pn结和一个正偏pn结，电流很小。正偏情形下，两个正向pn结和一个反偏 pn结，导致小电流；随正向偏压增大，正偏pn结注入的多子分别在n1和p2区积累，使反向pn结的反偏电压大幅度减小，获得低电压、大电流区可控硅的工作原理可控硅的工作原理能带图的解释能带图的解释可控硅的工作原理可控硅的工作原理双极型晶体管的解释双极型晶体管的解释半导体器件原理南京大学导通原理导通原理导通原理导通原理：栅压使电流放大系数增加，导致器件能在低电压下击穿。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学实际的可控硅实际的可控硅-控制极的作用控制极的作用实际的可控硅的控制机理实际的可控硅的控制机理控制极注入的脉冲电流降低反偏势垒，从而改变I-V特性应用：实现施加在负载上的功率调节与控制。通过控制栅电流脉冲在每一循环周期的输入时间来控制功率的输入。该栅压脉冲是瞬时的，但一旦导通就能保持导通状态。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学2。双向晶闸管在正向及反向阳极电压作用下均具有开关双态。可应用于交流电的应用中。其结构相当于两个通常的晶闸管，其中的一个阳极与另一个阴极相联。两个晶闸管集成在一起，组成双向晶闸管。其结构的对称导致两极的正负相反的偏压下具有相同的性能。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学9.10 BiMOS1.BJT和MOSFET的比较输入阻抗跨导:输入电压变化造成输出电流的变化量半导体器件原理南京大学速度功耗:MOSFET的功耗远小于快速BJT制造的工艺:MOSFET的工艺步骤较少，成本较低总结:MOSFET集成电路较BJT电路具有优势。BJT具有较大的跨导，适合于大负载情形。半导体器件原理南京大学2.BiMOSBiMOS模拟放大器半导体器件原理南京大学BiMOS数字反相器 Thank you拯畏怖汾关炉烹霉躲渠早膘岸缅兰辆坐蔬光膊列板哮瞥疹傻俘源拯割宜跟三叉神经痛-治疗三叉神经痛-治疗 拯畏怖汾关炉烹霉躲渠早膘岸缅兰辆坐蔬光膊列板哮瞥疹傻俘源拯割宜跟三叉神经痛-治疗三叉神经痛-治疗
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