半导体物理器件 第三章-第一部分

第三章第三章双极结型晶体管双极结型晶体管第三章第三章双极结型晶体管双极结型晶体管 发展历史发展历史 1947.12.231947.12.23日第一只点接触晶体管诞生日第一只点接触晶体管诞生-Bell Bell Lab.(BardeenLab.(Bardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain)19491949年提出年提出PNPN结和双极结型晶体管理论结和双极结型晶体管理论-Bell Bell Lab.(ShockleyLab.(Shockley)19511951年制造出第一只锗结型晶体管年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Bell Lab.(ShockleyLab.(Shockley)1951956 6年制造出第一只硅结型晶体管年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（美得洲仪器公司（TITI）19561956年年BardeenBardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain获诺贝尔奖获诺贝尔奖19561956年中国制造出第一只锗结型晶体管年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学（吉林大学 高鼎三）高鼎三）19701970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构 3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构 3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构芯片是通过以下步骤制造出来的芯片是通过以下步骤制造出来的1)衬底制备衬底制备 衬底为低阻衬底为低阻N型硅，电阻率在型硅，电阻率在左右，沿（左右，沿（111）面切成厚约）面切成厚约的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。2)外延外延 外延层为外延层为N N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。3)一次氧化一次氧化高高温温生生长长的的氧氧化化层层用用来来阻阻挡挡硼硼、磷磷等等杂杂质质向向硅硅中中扩扩散散，同同时时也也起起表表面面钝钝化作用。化作用。4)光刻硼扩散窗口光刻硼扩散窗口 3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构芯片是通过以下步骤制造出来的芯片是通过以下步骤制造出来的5)硼扩散和二次氧化硼扩散和二次氧化硼硼扩扩散散后后在在外外延延层层上上形形成成P型型区区，热热生生长长的的氧氧化化层层用用来来阻阻挡挡磷磷向向硅硅中中扩散，并起钝化作用。扩散，并起钝化作用。6)光刻磷扩散窗口光刻磷扩散窗口7)磷扩散和三次氧化磷扩散和三次氧化 磷磷扩扩散散后后在在P P型型区区磷磷杂杂质质补补偿偿硼硼而而形形成成N N+区区，热热氧氧化化层层用用作作金金属属与与硅硅片片间电绝缘介质。间电绝缘介质。8)光刻发射极和基极接触孔光刻发射极和基极接触孔9)蒸发铝蒸发铝 10)在铝上光刻出电极图形在铝上光刻出电极图形 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 双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令，双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令，分分别别为为基基极极对对发发射射极极和和基基 极对集电极的电压。则四种工作模式是：极对集电极的电压。则四种工作模式是：（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）饱和模式：饱和模式：0 0，0 0；（4 4）截止模式：截止模式：0 0，0 0。3.23.2基本工作原理基本工作原理 共基极连接晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用3.23.2基本工作原理基本工作原理 共基极连接晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用图图3-6 3-6（b b）NPNNPN晶体管共基极能带图晶体管共基极能带图 3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量是从发射区注入到基区中的电子流。是从发射区注入到基区中的电子流。是到达集电结的电子流。是到达集电结的电子流。是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是从基区注入到发射区的空穴电流是从基区注入到发射区的空穴电流是发射结空间电荷区内的复合电流。是发射结空间电荷区内的复合电流。是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流产生电流。3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流增益 为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率（3-5）（3-7）基区输运因子 共基极直流电流增益（3-6）3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流增益 显然 （3-8）（3-10）利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成 考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为（3-9）3.23.2基本工作原理基本工作原理 图图3-8 3-8 集电结电流集电结电流电压特性：（电压特性：（a a）共基极情形，（共基极情形，（b b）共发射极情形共发射极情形 3.23.2基本工作原理基本工作原理 式中定义式中定义 共发射极接法共发射极接法（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）3.23.2基本工作原理基本工作原理 小结概念：发射极注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益概念：发射极注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益介绍了典型介绍了典型BJTBJT的基本结构和工艺过程。的基本结构和工艺过程。介绍了介绍了BJTBJT的四种工作模式。的四种工作模式。画画出出了了BJTBJT电电流流分分量量示示意意图图，给给出出了了各各极极电电流流及及其其相相互互关关系系公公式式公公式式（3-13-1）（3-43-4）分别用能带图和载流子输运的观点解释了分别用能带图和载流子输运的观点解释了BJTBJT的放大作用。的放大作用。BJTBJT具具有有放放大大作作用用的的关关键键在在于于两两个个PNPN结结靠靠得得足足够够近近即即基基区区宽宽度度远远远远小小于于少少子子的的扩扩散散长长度。度。给给出出了了理理想想BJTBJT共共基基极极连连接接集集电电极极电电流流与与集集电电压压关关系系曲曲线线和和共共发发射射极极连连接接集集电电极极电电流流与集电极发射极间的电压关系曲线。与集电极发射极间的电压关系曲线。3.23.2基本工作原理基本工作原理 教学要求教学要求掌掌握握四四个个概概念念：发发射射效效率率、基基区区输输运运因因子子、共共基基极极电电流流增增益益、共共发发射射极极电电流流增益增益了解典型了解典型BJTBJT的基本结构和工艺过程。的基本结构和工艺过程。掌握掌握BJTBJT的四种工作模式。的四种工作模式。画出画出BJTBJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。分别用能带图和载流子输运的观点解释分别用能带图和载流子输运的观点解释BJTBJT的放大作用。的放大作用。为什么公式（为什么公式（3-93-9）可以写成公式（）可以写成公式（3-103-10）。）。解释理想解释理想BJTBJT共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。解解释释理理想想BJTBJT共共发发射射极极连连接接正正向向有有源源模模式式下下集集电电极极电电流流与与集集电电极极发发射射极极间间的电压无关的现象。的电压无关的现象。解释理想解释理想BJTBJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。v作业：作业：3.13.1 3.33.3理想双极结型晶体管中的电理想双极结型晶体管中的电流传输流传输3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.13.3.1电流传输电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义：理想晶体管的主要假设及其意义：（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2）结是理想的平面结，载流子作一维运动；）结是理想的平面结，载流子作一维运动；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流子运动是一维的；子运动是一维的；（4）基区宽度远小于少子扩散长度；）基区宽度远小于少子扩散长度；（5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；（6）发射结面积和集电结面积相等；）发射结面积和集电结面积相等；（7）小注入，等等）小注入，等等 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.13.3.1电流传输电流传输 图图3-103-10是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输一、电流传输一、电流传输 中性基区（中性基区（0 0 ）少子电子分布及其电流）少子电子分布及其电流：边界条件为：边界条件为：（3-16）（3-17）（3-18）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输电子电流电子电流 （3-16）（3-19）（3-20）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输二、发射区少子空穴分布及其电流：二、发射区少子空穴分布及其电流：边界条件：界条件：（3-21）（3-23a）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输 若若 ，（，（3-233-23a a）式可以写作：式可以写作：（3-23b）（3-24）空穴电流为：空穴电流为：3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输三三、集电区少子空穴分布及其电流、集电区少子空穴分布及其电流 边界条件：界条件：（3-23）（3-26）（3-25）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式一、少数载流子分布一、少数载流子分布 在在 的情况下，（的情况下，（3-273-27a a）式式简化化 （3-27a）（3-27b）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式图图3-11 3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输二、电流分量二、电流分量 基区电子电流基区电子电流：（3-28）（3-29）若若 （3-30）（3-31）（3-32）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输空穴电流空穴电流 （3-24）（3-33）正偏压发射结空间电荷区复合电流：正偏压发射结空间电荷区复合电流：（3-34）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输（3-35）（3-36）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 图图3-12 3-12 NPN NPN 晶体管的静态电流晶体管的静态电流电压特性电压特性 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输三、共三、共发射极射极电流增益流增益 （3-37）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输四、共四、共发射极射极电流增益与工作流增益与工作电流的关系流的关系 图3-13 电流增益对集电结电流的依赖关系 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 在一般情况下，解发射区、基区、集电区少子扩散方程求出少子分布在一般情况下，解发射区、基区、集电区少子扩散方程求出少子分布 基区少子电子分布基区少子电子分布 发射区少子空穴分布发射区少子空穴分布（3-18）（3-23a）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 若若 （3-23b）集电区少子空穴分布集电区少子空穴分布（3-22）（3-25）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 导出了少子电流公式导出了少子电流公式 (1)(1)基区电子电流基区电子电流 （3-19）（3-20）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 (2)(2)发射区空穴射区空穴电流流 （3-24）（3-26）(3)(3)集集电区空穴区空穴电流：流：3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 导出了正向有源模式下少子分布导出了正向有源模式下少子分布 （3-27a）（3-27b）(1)(1)基区电子分布基区电子分布 ：在在 的情况下的情况下 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 （3-23a）（3-23b）(2)(2)发射区少子空穴分布发射区少子空穴分布 ：若若 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 （3-28）（3-29）导出了正向有源模式下少子电流：导出了正向有源模式下少子电流：(1)(1)基区电子电流基区电子电流（3-30）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 （3-32）（3-24）若若 (2)(2)空穴空穴电流流 （3-33）（3-31）3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输小结小结 导出了基区输运因子表达式导出了基区输运因子表达式分析了集电极电流、基极电流随发射结电压的变化（图分析了集电极电流、基极电流随发射结电压的变化（图3.123.12）导出了共发射极电流增益表达式分析了其随工作电流的变化导出了共发射极电流增益表达式分析了其随工作电流的变化 公式（公式（3-373-37），图），图3-133-13 （3-32）（3-30）若若 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输教学要求教学要求导出基区输运因子表达式导出基区输运因子表达式理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。写出发射区、基区、集电区少子满足的扩散方程并解之求出少子分布。写出发射区、基区、集电区少子满足的扩散方程并解之求出少子分布。掌握公式（掌握公式（3-193-19）、（）、（3-203-20）。这两个公式有什么样的对称关系？）。这两个公式有什么样的对称关系？掌握正向有源模式基区输运因子公式。掌握正向有源模式基区输运因子公式。掌握正向有源模式基区电子电流公式（掌握正向有源模式基区电子电流公式（3-283-28）、（）、（3.293.29）、（）、（3-313-31）。）。解释图解释图3-123-12。解释图解释图3-133-13。v作业：作业：3.23.2、3.33.3