第三章双极晶体管课件2

第三章第三章 双极晶体管双极晶体管n3.1 双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理n3.2 少子的分布与直流特性少子的分布与直流特性n3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益n3.4 非理想效应非理想效应n3.5 等效电路模型等效电路模型n3.6 频率特性频率特性n3.7 大信号开关特性大信号开关特性n3.8 其他的双极晶体管结构其他的双极晶体管结构n无源器件（无源器件（passive device）：工作时不需要外部能量源（Source Energy）的器件。电阻、电容、电感、二极管。n有源器件（有源器件（Active Device）：工作时需要外部能量源的器件，该器件至少有一个输出，并且是输入信号的一个函数。如：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管 原理：原理：在器件的两个端点施加电压，控制第三端的电流在器件的两个端点施加电压，控制第三端的电流晶体管的诞生晶体管的诞生n1947年12月23日，美国物理学家肖克莱（WShockley）和布拉顿和巴丁在著名的贝尔实验室向人们展示了第一个半导体电子增幅器，即最初的晶体管。n获得了1956年若贝尔物理学奖金 第一支晶体管表面积2cm2，相当于现在十亿个晶体管晶体管的诞生晶体管的诞生n1947年的圣诞前某一天，贝尔实验室中，布拉顿平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40 实验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克莱在这本笔记上郑重地签了名。n1948年，肖克莱发明了“结型晶体管”。1948年7月1日，美国纽约时报只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！n1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机 TRADIC3.1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理3.1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理n均匀基区：少子扩散扩散晶体管n缓变基区：扩散+漂移漂移晶体管n合金晶体管：铟球+N型鍺+铟球，熔化-冷却-析出形成再结晶层，PNP,分布均匀n平面扩散晶体管发射区，基区杂质分布非均匀发射结近似为突变结集电结为缓变结3.1 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理nN=ND-NA 硼B、磷P分别采用预淀积、再分布两步扩散形成高斯分布。nN=NSeexp(-x2/Le2)-Nsbexp(-x2/Lb2)+NCnLe2=4Dete,De 磷扩散系数，te扩散时间nLb2=4Dbtb,Db 硼扩散系数，tb扩散时间nNSe磷表面浓度，NSb硼表面浓度集成电路中的常规集成电路中的常规npnnpn管管3.1 双极型晶体管的工作原理3.1 双极型晶体管的工作原理氧化物隔离的氧化物隔离的npn管横截面图管横截面图3.1 双极型晶体管的工作原理3.1.1 基本工作原理基本工作原理发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度为发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度为1019，1017，1015 cm-3BJT是非对称器件是非对称器件3.1.1 基本工作原理基本工作原理 3.1 双极型晶体管的工作原理希望尽可能多的电子能到达集电区而不和基区中的多子空穴复合希望尽可能多的电子能到达集电区而不和基区中的多子空穴复合3.1.1 基本工作原理基本工作原理偏置在正向有源模式下的偏置在正向有源模式下的npn的少子分布图的少子分布图3.1 双极型晶体管的工作原理3.1.2 晶体管电流的简化表达式晶体管电流的简化表达式理想情况，由于没有复合，少子浓度线性。3.1 双极型晶体管的工作原理3.1.2 晶体管电流的简化表达式晶体管电流的简化表达式集电极电流：集电极电流：假定：基区电子线性分布 集电极电流为扩散电流 结论结论：集电极电流由基极和发射极之间的电压控制，这就是晶体管的工作原理发射极电流：发射极电流：一是由从发射区注入到基区的电子电流形成的（iE1）；二是由基区的多子空穴越过B-E结注入到发射区（iE2）,它也是正偏电流，表达形式同iE1 3.1 双极型晶体管的工作原理3.1.2 晶体管电流的简化表达式晶体管电流的简化表达式基极电流基极电流:一是iE2，该电流正比于exp(VBE/Vt)，记为iBa；另一是基区多子空穴的复合流iBb,依赖于少子电子的数量，也正比于exp(VBE/Vt)。故基极电流正比于exp(VBE/Vt)。3.1 双极型晶体管的工作原理3.1.3 工作模式工作模式pn结电压大于0，正偏；反之反偏四种工作模式四种工作模式(npn)：正向有源：Vbe0，Vbc0，Vbc0反向有源：Vbe0截止：Vbe0，Vbc0此时正向有源。nIC增大，VR增大，VCB减小，C结零偏准饱和准饱和，C结反偏饱和饱和饱和时集电极电流不受控于饱和时集电极电流不受控于VBE！3.1 双极型晶体管的工作原理3.1 双极型晶体管的工作原理3.1.3 双极晶体管放大电路双极晶体管放大电路双极晶体管和其他元件相连，可以实现电压放大和电流放大3.2 少子分布n对于正向有源工作对于正向有源工作npn器件，如何计算电器件，如何计算电流？流？n晶体管电流晶体管电流少子扩散电流少子扩散电流少子分布？少子分布？n本书重要符号:nNE,NB,NC 发射区、基区、集电区的掺杂浓度nxE,XB,xC 电中性发射区、基区、集电区的宽度nDE,DB,DC 发射区、基区、集电区的少子扩散系数nLE,LB,LC 发射区、基区、集电区的少子扩散长度nPe0 发射区热平衡少子空穴浓度nNb0 基区热平衡少子电子浓度nPc0 集电区热平衡少子空穴浓度3.2.1 正向有源模式正向有源模式3.2 少子分布少子分布一一 均匀基区晶体管（以均匀基区晶体管（以npnnpn为例）为例）假设：假设：（采用一维理想模型）ue,b,c三个区均匀掺杂，e,c结突变ue,c结为平行平面结，其面积相同，电流垂直结平面u外电压全降在空电区，势垒区外无电场，故无漂移电流ue,c区长度少子L，少子浓度为指数分布（随 x）uXm少子L，忽略势垒复合及产生u满足小注入条件u不考虑基区表面复合3.2 少子分布少子分布3.2 少子分布少子分布 1.1.基区电子（少子）浓度分布基区电子（少子）浓度分布 解 当 时，式10.15b简化 3.2 少子分布少子分布发射区空穴浓度分布集电区空穴浓度分布同理可以得到3.2 少子分布少子分布n其他工作模式的少子分布？n截止区n饱和区n反向有源3.2.2 其他工作模式其他工作模式3.2 少子分布少子分布2.2.电流密度分布电流密度分布（假设（假设，势垒区外无电场，只考虑扩散电流），势垒区外无电场，只考虑扩散电流）基区电子扩散电流令X=0，得 通过发射结电子电流为X=Wb，得 到达集电结电子电流为发射区空穴电流密度分布当 ，则近似有集电区空穴电流密度3.2 少子分布少子分布3.3.晶体管直流电流晶体管直流电流-电压基本方程电压基本方程pE极总电流=电子电流+空穴电流令得pC极总电流=C区电子电流+空穴电流（忽略c结势垒产生电流）3.2 少子分布少子分布二二 缓变基区晶体管（以缓变基区晶体管（以npnnpn为例）为例）1.1.缓缓变变基基区区中中的的自自建建电电场场3.2 少子分布少子分布3.2 少子分布少子分布基区杂质指数分布BJT的基区漂移系数2.非平衡少子分布及电流密度非平衡少子分布及电流密度n从输运方程开始求非平衡少子密度NPB(X)n利用边界条件求出jnB3.2 少子分布少子分布A.基区电子分布 扩散电流增加，漂移电流减少，但二者之和不变。对不同 (=0为均匀基区）做基区电子归一化浓度分布曲线如图由图可见：当较大时，随着基区杂质指数分布其中为电场因子3.2 少子分布少子分布 发射区自建电场与基区处理类似 有B.发射区空穴分布 对一般平面管，发射区有杂质梯度 3.2 少子分布少子分布C.集电区杂质是均匀分布的，其中少子分布与均匀基区晶体管相同。图2-15给出了一个实际外延平面晶体管在不同工作电压下杂质分布及电场分布的计算结果。3.2 少子分布少子分布 3.2 少子分布少子分布nD.基区渡越时间基区渡越时间三三 重掺杂发射区重掺杂发射区禁带宽度变窄禁带宽度变窄有效掺杂浓度下降有效掺杂浓度下降3.2 少子分布少子分布3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益3.3.1 有用的因素有用的因素3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益3.3.1 有用的因素有用的因素3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益3.3.1 有用的因素有用的因素定义3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益3.3.1 有用的因素有用的因素一、晶体管的三种连接方式及电流放大系数一、晶体管的三种连接方式及电流放大系数3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益3.3.2 电流增益的数学表达式电流增益的数学表达式(a)共基极接法共基极接法 1 并接近1(一般为0.950.995)晶体管中的复合作用是不可避免的故：1说明共基接法无电流放大作用，但有电压(功率)放大作用输入输出电压V功率P3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益（b）共发射极接法）共发射极接法共发射极短路电流放大系数 远大于1，一般在20200之间 3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益（c）共集电极接法）共集电极接法电流放大系数间的关系以及3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益二、均匀基区晶体管的直流电流增益二、均匀基区晶体管的直流电流增益发射效率（注入效率）基区输运系数3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益直流电流增益忽略二阶小量由 得3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益三、电流放大系数与材料结构参数关系三、电流放大系数与材料结构参数关系A.发射效率 与均匀基区形式相同u证明分母第二项为方块电阻之比计算基区 Rb，在平行结平面取薄层dx，认为dx层内的杂质均匀分布，其电阻率为3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益dx层方块电阻厚度Wb的薄层电阻 Rb 应由无数个dx薄层电阻并联 所以 所以 同理，对发射区3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益u如何求 Rb计算法：由所测得的将高斯分布代入 求得代入得到Rb 3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益B.基区输运系数（npn管）得基区任意掺杂之 基区电荷其中 为基区复合电流3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益n对均匀基区 常数 代入上式得n对线性基区 代入（2-60）得n对指数分布3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益C.电流放大系数3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益3.4 3.4 非理想效应非理想效应 n基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度调变效应（厄尔利效应）3.4.1 基区宽变效应基区宽变效应厄尔利电压 反映了基区宽度调变效应对电流放大系数的影响对均匀基区NPN晶体管对非均匀基区晶体管，集电结为线性缓变结设 为无宽变效应的电流放大系数 为有宽变效应的电流放大系数 为冶金结宽度3.4 3.4 非理想效应非理想效应 3.4.2 大注入效应大注入效应基区电导调制效应(npn管）小注入时基区电阻率:大注入时的基区电阻率（受到n影响）:大注入时，基区电阻率 b随注入电子浓度n增加 而 下降,称之为基区电导调制效应.3.4 3.4 非理想效应非理想效应 基区大注入下的电流 均匀基区情形：大注入N+P结有E区向基区注入电子形成的电流相当于Dnb扩大了一倍.3.4 3.4 非理想效应非理想效应 3.4.3 有效基区扩展效应有效基区扩展效应均匀基区晶体管，电中性条件大电流下，空穴的注入使得大电流下电中性正电荷密度增加负电荷密度减少3.4 3.4 非理想效应非理想效应 C结势垒区由空穴漂移电流推出左边为右边为左=右,并令，得小注入势垒区宽度3.4 3.4 非理想效应非理想效应 结论：(1)当 pND时,特大注入,xm0 有效基区扩展到CB结冶金结处。(3)时3.4 3.4 非理想效应非理想效应 3.4.4 发射区重掺杂效应（发射区禁带变窄）发射区重掺杂效应（发射区禁带变窄）发射区过重的掺杂不仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低*形成杂质带尾形成杂质带尾，禁带变窄本征载流子浓度与带隙宽度直接相关发射区有效杂质浓度降低为3.4 3.4 非理想效应非理想效应 发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降为*俄歇复合俄歇复合发射区少子空穴寿命*基区表面复合基区表面复合基区表面复合电流俄歇复合通过复合中心复合3.4 3.4 非理想效应非理想效应 表面复合对基区输运系数的影响可表示为对均匀基区对缓变基区S为复合速率3.4 3.4 非理想效应非理想效应 3.4.5 集电极集边效应集电极集边效应发射区电流分布高发射结偏压下，发射结边缘的电流远远大于中间部分的电流,这种现象称为发射极电流集边效应(又称基极电阻自偏压效应)。发射区有效宽度取薄层dy,IB（y）在dy上的压降为：3.4 3.4 非理想效应非理想效应 据电流连续原理两边同除以 经整理后 得解此二阶常微分方程3.4 3.4 非理想效应非理想效应 代入 可得电流的Y向分布，y越大,JE越大,集边效应越显著.发射极有效宽度：从发射极中心到边缘处的横向压降为kTq 所对应的条宽，记为 ,有效半宽度：3.4 3.4 非理想效应非理想效应 设 处,JE为峰值JEP,得E极电流平均值 用JEP 表示Seff:用 表示Seff3.4 3.4 非理想效应非理想效应 高频下:发射极有效长度（Leff）Tr.的内金属电极很薄（2m）、窄，大电流时，其电阻不可忽略。如果E极条太长，其端部电流0，无意义。定义：电极端部至根部电位差=kTq时所对应的发射极条长度为有效长度（Leff）3.4 3.4 非理想效应非理想效应 发射极有效长度(所对应的条长)发射极条等效电阻,n个e极条,每条电流为条长方向压降:3.4 3.4 非理想效应非理想效应 3.4.6 3.4.6 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压 ：集电极开路时e,b间反向击穿电压 ：发射极开路时c,b间反向击穿电压 ：基极开路时e,b间所能承受的最高反向电压1.击穿电压的定义.3.4 3.4 非理想效应非理想效应 2.影响击穿电压的因素及其关系影响击穿电压的因素及其关系 对合金管，对合金管，由基区电阻率确定由基区电阻率确定 对平面管，对平面管，对外延平面管，若外延层厚度对外延平面管，若外延层厚度 ，则，则 大大降低大大降低：eb结通常正偏，只要求结通常正偏，只要求 ，易于满足，易于满足.3.4 3.4 非理想效应非理想效应 与与 的关系的关系:C极电流即穿透电流极电流即穿透电流 得得 时时 击穿。击穿。击穿时击穿时 得得 不可片面追求不可片面追求 ,要顾及要顾及 ；改变；改变 可调节可调节3.4 3.4 非理想效应非理想效应 p平面管：如图平面管：如图 时，时，e区电区电位随位随c区电位升高而升高，使区电位升高而升高，使eb结结反偏反偏 对线性缓变集电结：对线性缓变集电结：(2-79)(2-80)如右图所示如右图所示3.4 3.4 非理想效应非理想效应 3.4 3.4 非理想效应非理想效应 p势垒局部穿通势垒局部穿通3.4 3.4 非理想效应非理想效应 3.消除结电场集中措施（对消除结电场集中措施（对BVcb0 影响）影响）a.增加扩散结深，使结弯曲处曲率半径增大增加扩散结深，使结弯曲处曲率半径增大b.对对npn平面管，浓硼扩散保护环可以增大结弯曲处曲率半径平面管，浓硼扩散保护环可以增大结弯曲处曲率半径3.4 3.4 非理想效应非理想效应 c.采用圆角图形，使球采用圆角图形，使球面结成为柱面结面结成为柱面结 d.采用分压环采用分压环3.4 3.4 非理想效应非理想效应 e.采用刻槽工艺采用刻槽工艺3.4 3.4 非理想效应非理想效应 3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型 随着计算机的发展及应用，计算机的应用领域正逐步扩大，Ebers-Moll模型就是一种适用于计算机辅助设计(CAD)的表述简单的模型，它于1954年由此二人提出，适用于右图所示的所有工作区。*薄基区导致两个结的相互作用，流过每个结的电流都应由两个结上的电压所决定。3.5.1 E-M 3.5.1 E-M 方程方程将双极晶体管的电流看成一个正向晶体管和一个倒向晶体管叠加后各自所具有的电流并联而成正向晶体管倒向晶体管IES是C结短路，E结的反向饱和电流对正向晶体管对正向晶体管：F：E结正偏，C结零偏正向电流增益3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型同理，对倒向晶体管对倒向晶体管ICS是E结短路，C 结的反向饱和电流R：C结正偏，E结零偏反向电流增益3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型由图3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型代入式（3.5.6）、（3.5.10）得E-M方程等效电路见图3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型得E-M方程互易定理实际器件中3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型并注意推导该二式的边界条件 ，且则E-M方程中的系数（考虑npn实际电流方向，88，89右边乘以“-1”）互易定理的本质是：eb 结与cb 结有共同部分（基区），无论哪个结短路，另一个结的反向饱和电流都含有共同的基区少子扩散电流(书上误为漂移电流P112)(2-90)(2-91)(2-92)E-M方程互易定理3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型 为正常偏压下共基极输出端短路电流放大系数 为反向运用下共基极输出端短路电流放大系数由（2-89）当 时代入（2-88）得(2-94)(2-95)上式又可写为于是得到3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型同理，由 可导出由（2-88）时 由（2-89）时（2-95），（2-96）新含意：集电结（发射结）短路时的发射结（集电结）饱和电流等于集电结（发射结）开路时的发射结（集电结）饱和电流除以(1RF)，一般RF均小于1，IEB0,ICB0都小于IES,ICS(2-96)(2-97)(2-98)(2-97)3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型若以-R(3.89)+(3.88)得 同理 分别以（2-95）（2-96）代入上二式，得(3-99)(3-100)上述二式均可等效为一个电流源与一个二极管并联，如下图所示3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型基极 可由（2-88），（2-89）求出 （2-101）3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.2 G-P模型主要用于分析基区非均匀掺杂的情况GP模型对EM模型在以下几方面作了改进：1.直流特性：反映了集电结上电压的变化引起有效基区宽度变化的基区宽度调制效应，改善了输出电导、电流增益和特征频率。反映了共射极电流放大倍数随电流和电压的变化。2.交流特性：考虑了正向渡越时间F随集电极电流IC的变化，解决了在大注入条件下由于基区展宽效应使特征频率fT和IC成反比的特性。3.考虑了大注入效应，改善了高电平下的伏安特性。4.考虑了模型参数和温度的关系。5.根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电荷存储引起的准饱和效应。3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型图 G-P模型等效电路3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.2 G-P模型 3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.2 G-P模型由以上两式和爱因斯坦关系式；且则有 3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.3 H-P模型线性电路中，晶体管工作在放大区，我们只对正弦信号感兴趣，故有H-P模型完整的H-P等效电路如右：了解h-p模型的各个组成部分重点在各参数的意义 1.交流短路电流放大系数与频率参数 定义:输出端交流短路时输出端与输入端的交流电流之 比为交流短路电流放大系数。共基极交流短路电流放大系数 晶体管交流小信号电流增益共射级交流短路电流放大系数 ；交流小信号电流传输3.6 3.6 频率上限频率上限；BJT的交流特性分析实用中，直流偏压上面加交流小信号.均匀基区晶体管（npn）nene3.6 3.6 频率上限频率上限缓变基区晶体管3.6 3.6 频率上限频率上限发射结延迟时间发射极电流3.6.1 延时因子发射效率及发射结延迟时间3.6 3.6 频率上限频率上限基区输运系数及基区渡越时间均匀基区晶体管对缓变基区(基区杂质指数分布)对平面管（高斯分布可用指数分布近似），通常3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.1 延时因子集电结势垒输运系数及渡越时间 假设:在正弦交流信号的正 半周,由于电流密度的增大 使穿过空电区电荷增加了 Q(集电结电压不变时,空电区电荷总量不变)正半周:为了补偿增加的Q,负 空间电荷应减少Q/2(x3+),正空间电荷增加Q/2(x4+)负半周:为了补偿减少的Q,负 空间电荷应增加Q/2(x3-),正空间电荷减少Q/2(x4-)3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.1 延时因子集电结势垒渡越时间集电区倍增因子与集电极延迟时间u集电极延迟时间：交流电流流过rcs 时，将产生交流压降(cb结压降跟着变),导致充放电电流icTC对cb 结电容CTC充放电，使输出电流下降3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.1 延时因子截止频率 ：定义为由低频值 下降到 所对应的频率。截止频率 ：定义为由低频值 下降到 所对应的频率。特征频率 ：1所对应的工作频率（电流放大最高工作频率）常用“分贝”表示电流放大系数 (dB)(dB)截止频率时，电流放大系数下降了3分贝 特征频率下，电流放大系数为零分贝 3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.2 晶体管截止频率 6分贝倍频程段 （增减一倍，放大系数变化6dB）6分贝倍频程段 常数，这个常数就是 （亦称为增益带宽积）好处：可以在较低频率下测出 最高振荡频率 ：定义功率增益 （0dB）所对应的频率 高频时除了下降，还有相移 3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.2 晶体管截止频率3.6.3 BJT电流放大系数的频率关系共基极运用电流放大系数d集电结势垒输运系数c集电极衰减因子展开分母并略去二次幂可得3.6 3.6 频率上限频率上限3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.3 BJT电流放大系数的频率关系幅值与频率的关系相位与频率的关系3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.3 BJT电流放大系数的频率关系共发射极运用 1.与频率的关系 将(f)代入=/(1-)即得(f),然而,用的是cb短路,用的是ce短路,所以应先求得ce短路下的(f)，由图3-28,ce短路下回路应有 而 （3-88）3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.3 BJT电流放大系数的频率关系得最后可以导出（过程略）对平面管有3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.3 BJT电流放大系数的频率关系 3.6.4.影响 的因素和提高 的途径 影响 因素 基区渡越时间 发射极延迟时间 d，c较e，b小,但高频管若采取措施降低了 e，b,则应认真对待此二延迟时间3.6 3.6 频率上限频率上限做好Al电极欧姆接触注意管壳的设计及选择,以减小杂散电容在结构参数均相同时,npn管较pnp管有较高的fT(DnDp)3.6.4.影响 的因素和提高 的途径提高fT的措施减薄基区宽度Wb,可采用浅结扩散或离子注入技术降低基区掺杂浓度Nb以提高Dnb;适当提高基区杂质浓度梯度,以建立一定的基区自建电场。减小结面积Ae,Ac,以减小结电容减小集电区电阻及厚度,采用外延结构,以减小 3.6 3.6 频率上限频率上限3.7 3.7 大信号开关大信号开关n将一个晶体管从一个状态转换为另一个状态强烈依赖于上面讨论过的频率特性。然而，作开关时晶体管处理的是变化的大信号，而研究频率效应时则假定输入信号幅度只有较小的变化。3.7.1 3.7.1 开关特性开关特性n思考如图10.43a所示电路中的npn晶体管，由截止状态转换为饱和态，然后再转换为截止态。我们将描述在转换过程中在晶体管内发生的物理过程。n首先考虑从截止态转换为饱和态的情况。假定截止电压，于是发射结反偏。在t0时，假定变化为，如图10.43b所示。我们设足够大，能将晶体管驱动到饱和态。在，基极电流提供电荷使发射结由反偏变为轻微正偏。发射结空间电荷区变窄，离化施主和受主被中和。这时也有少部分电荷注入到基区中。在这段时间内集电极电流从零上升为它的最终值的10，这段时间称为延迟时间。3.7 3.7 大信号开关大信号开关3.7 大信号开关大信号开关n上图(a)研究晶体管开关特性所用的电路。（b）驱动晶体管的基极输入。（c）晶体管工作状态转换过程中集电极电流随时间的变化。n在下一段时间内，基极电流提供电荷使发射结电压从接近截止态上升到饱和态。这段时间内，有更多的载流子注入到基区中，使得少子梯度增大从而使集电极电流增加。我们称这段时间为上升时间，在这段时间内集电极电流由最终值的10增加到90。时，基极驱动继续提供电流，将晶体管驱动到饱和态，在器件内建立起稳态的少子分布。3.7 大信号开关大信号开关3.7.2 肖特基钳位晶体管肖特基钳位晶体管n减小储存时间，提高晶体管转换速度的一种常用的方法是采用肖特基钳位晶体管。它是一个普通的npn晶体管，并在它的基极和集电极之间连接一个肖特基二极管，如图10.45a所示。肖特基钳位晶体管的电路符号如图10.45b所示。晶体管在正向有源区时，集电结反偏，于是肖特基二极管反偏，在电路中不起作用。肖特基钳位晶体管或者说肖特基晶体管就是一个普通的晶体管。3.7 大信号开关大信号开关n当晶体管进入饱和区时，集电结变为正偏；于是肖特基二极管也变为正偏。在前面的章节中我们知道，肖特基二极管的开启电压大约只有pn结的一半。肖特基二极管的开启电压比较小，所以大部分过剩基极电流都被肖特基二极管从基区中分流走了，因此储存在基区和集电区中的过剩少子电荷的数量就大大减少了。在基区和集电区的集电结位置的过剩少子浓度是集电结电压的指数函数。举一个例子，如果由0.5伏特减小为0.3伏特，那么过剩少子浓度就降低了3个数量级。肖特基晶体管的基区中，过剩电荷大大减少了，于是储存时间大大减小了在肖特基晶体管中，储存时间通常为1纳秒或更小。3.7 大信号开关大信号开关3.7 大信号开关大信号开关3.8 其它的双极晶体管结构其它的双极晶体管结构 n这一节要简单介绍三种特殊的双极晶体管结构。第一种结构是多晶硅发射区双极晶体管。第二种是锗硅基区晶体管，第三种是异质结双极晶体管（HBT）。多晶硅发射区双极晶体管应用在最近的一些集成电路中，SiGe基区晶体管和异质结晶体管HBT多用于高频/高速的电路中。3.8.1 3.8.1 多晶硅发射区双极晶体管多晶硅发射区双极晶体管n图10.46表示的是多晶硅发射区npn型双极晶体管的理想化横截面图。如图所示，p型基区和n型多晶硅之间有一层非常薄的n型单晶硅区。3.8 其它的双极晶体管结构其它的双极晶体管结构3.8.2 SiGe3.8.2 SiGe基区晶体管基区晶体管 n赭的禁带宽（0.67eV）度远比硅（1.12eV）的小。将赭掺进硅中，那么同纯硅相比，其禁带宽度会降低。若将赭掺入硅双极晶体管的基区中，禁带宽度的降低一定会影响器件的特性。我们想要的赭分布是，在靠近发射结处赭浓度最小、在靠近集电结处，赭浓度最大。n假设硼和赭的分布如图10.48a所示，那么同硅基区npn型晶体管相比，赭硅基区npn型晶体管的能带图如图10.48b所示。由于赭的浓度非常小，这两种晶体管的发射结实际上是完全一样的。然而，赭硅基区晶体管靠近集电结处的禁带宽度比硅基区晶体管的要小。而基极电流是由发射结参数决定的，因此两种晶体管的基极电流实际上是完全一样的。禁带宽度的变化将会影响集电极电流。3.8 其它的双极晶体管结构其它的双极晶体管结构3.8 其它的双极晶体管结构其它的双极晶体管结构3.8.3 3.8.3 异质结双极晶体管异质结双极晶体管n图10.50a表示的是铝镓砷/砷化镓异质结双极晶体管的横截面图。图10.50b是n型铝镓砷/p型砷化镓结的能带图。势垒较高，因此就限制了从基区反注入发射区的空穴的数量。n图10.50|(a)分立和集成电路中的铝镓砷/砷化镓异质结双极晶体管（b）n型铝镓砷发射区/p型砷化镓基区形成的pn结的能带图 3.8 其它的双极晶体管结构其它的双极晶体管结构3.8 其它的双极晶体管结构其它的双极晶体管结构n异质结砷化镓双极晶体管有可能成为频率很高的器件。宽禁带发射区掺杂浓度降低，于是结电容减小，提高了器件的速度。同时，砷化镓npn型晶体管，基区中的少子电子迁移率很高。砷化镓中电子的迁移率大约是硅中的5倍；于是，砷化镓的基区渡越时间非常短。试验性的基区宽度为0.1微米量级的铝镓砷/砷化镓异质结晶体管的截止频率为40GHz数量级。n砷化镓的一个缺点是少子寿命较小。寿命小不会影响窄基区器件的基区渡越时间，但是它造成发射结的复合电流较大，这就降低了复合系数，减小了电流增益。曾有过电流增益为150的报导。3.8 其它的双极晶体管结构其它的双极晶体管结构3.9 总结总结n有两种类型的双极晶体管npn型和pnp型。每一种晶体管都有三个不同的掺杂区和两个pn结。中心区（基区）非常窄，所以这两个结称为互作用结。n晶体管工作于正向有源区时，发射结正偏，集电结反偏。发射区中的多子注入基区，在那里他们变为少子。少子扩散过基区进入集电结空间电荷区，在那里，它们被扫入集电区。n当晶体管工作在正向有源区时，晶体管一端的电流（集电极电流）受另外两个端点所施加的电压（发射结电压）的控制。这就是其基本的工作原理。n晶体管的三个扩散区有不同的少子浓度分布。器件中主要的电流由这些少子的扩散决定。n共发射极电流增益是三个因素的函数发射效率，基区输运系数，和复合系数。发射效率考虑了从基区注入到发射区的载流子，基区输运系数反映了载流子基区中的复合，复合系数反映了载流子在正偏发射结内部的复合。n需要考虑的几个非理想效应：n1.基区宽度调制效应，或者说是厄尔利效应：中性基区宽度随集电结电压变化而发生变化，于是集电极电流随集电结或发射结电压变化而变化。n2.大注入效应使得集电极电流随发射结电压增加而增加的速率变慢。n3.发射区禁带变窄效应使得发射区掺杂浓度非常高时发射效率变小。n4.电流集边效应使得发射极边界的电流密度大于中心位置的电流密度。n5.基区非均匀掺杂在基区中感生出静电场，有助于少子越过基区。n6.两种击穿机理穿通和雪崩击穿。3.9 总结总结n晶体管的三种等效电路或数学模型。E-M模型和等效电路对于晶体管的所有工作模式均适用。基区为非均匀掺杂时，应用G-P模型很方便。小信号h-p模型应用于晶体管处于正向有源模式，用于线性放大时。n晶体管的截止频率是表征晶体管品质的一个重要参数，它是共发射极电流增益的幅度变为1时的频率。频率响应是发射结电容充电时间，基区渡越时间，集电结耗尽区渡越时间，和集电结电容充电时间的函数。n虽然开关应用涉及到电流和电压较大的变化，但晶体管的开关特性和频率上限直接相关。开关特性的一个重要的参数是电荷存储时间，它反映了晶体管由饱和转变为截止的快慢。3.9 总结总结3.10 习题1.均匀掺杂的n+p+n型双极晶体管，处于热平衡状态。（a）画出其能带图（b）画出器件中的电场（c）晶体管处于正向有源区时重复（a），（b）2.均匀掺杂的pnp型双极晶体管，T=300K。掺杂浓度为NE=51017cm-3,NB=1016cm-3，NC=51014cm-3，工作于反向有源区。B-C结点压最大为多少满足小注入条件？