半导体器件物理chapt3-1-晶体管的基本结构和杂质分布课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体器件物理,第三章 双极型晶体管,3.1 晶体管的根本结构和杂质分布,晶体管的根本结构,晶体管种类繁多,按用途分：低频、高频、小功率、大功率、低噪声和高反压管等,按制造工艺：合金管、扩散管、离子注入管等,各种晶体管根本结构都相同：两种同导电类型的材料夹一反导电类型的薄层而构成，中间夹层的厚度必须远小于该层材料少数载流子的扩散长度，有NPN和PNP两种结构。,实际上是两个彼此十分靠近的背靠背的pn结，分别称为发射结和集电结,晶体管的制造工艺,一、,合金晶体管,W,b,为基区宽度，,X,je,和,X,jc,分别为发射结和集电结的结深,合金晶体管的主要缺点是基区宽度较宽，一般为10um，所以频率特性差，多工作于低频场合,二、 合金扩散晶体管,合金扩散晶体管的基区采用扩散法形成，基区宽度可以到达2-3um，同时基区杂质具有一定分布浓度，所以频率特性较好，可用于高速开关、高频放大等场合,三、,台面晶体管,集电结一般是扩散结，发射结可以用扩散法也可以用合金法制成。台面晶体管的基区可以做得更薄，而且采用条形电极，PN结面积更小，从而减小了PN结电容，具有比合金扩散晶体管更好的频率特性,四、,平面晶体管,采用平面工艺制造的平面晶体管是在台面晶体管根底上开展起来的，是目前生产的最主要的一种晶体管。其主要过程是：在N型硅片上生长一层二氧化硅膜，在氧化膜上光刻出一个窗口，进行硼扩散，形成P型基区，然后在此P型层的氧化膜上再光刻一个窗口，进行高浓度的磷扩散，得到N型发射区，并用铝蒸发工艺以制出基极与发射极的引出电极，N型基片那么用做集电极。硅片外表全都被扩散层和氧化层所覆盖，像一个平面一样，这就是平面晶体管名称的由来。由于此晶体管的基区和发射区是由两次扩散工艺形成的，因此称为双扩散管。,在晶体管内部，载流子在基区中的传输过程是决定晶体管许多性能(如增益、频率特性等)的重要环节。而在几何参数(基区宽度)确定后，基区杂质分布是影响载流子基区输运过程的关键因素。尽管晶体管有很多制造工艺，但在理论上分析其性能时，为方便起见，通常根据晶体管基区的杂质分布情况的不同，将晶体管分为均匀基区晶体管和缓变基区晶体管。,均匀基区晶体管的基区杂质是均匀分布的，如前面介绍的合金管等。在这类晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散机理进行，所以又称为扩散型晶体管。,缓变基区晶体管的基区杂质分布是缓变的如各种扩散管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区除了扩散运动外，还存在漂移运动且往往以漂移运动为主，故也称漂移晶体管。,值得指出的是，在进行晶体管的理论分析时，常以合金管和外延平面管为典型例子。因此，均匀基区晶体管和缓变基区晶体管往往是合金管和双扩散外延平面管的代名词。前者三个区域的杂质分布均为均匀的，后者那么除基区为缓变杂质分布外，发射区杂质分布也是缓变的。,均匀基区晶体管和缓变基区晶体管,3.2 晶体管的电流放大原理,晶体管的最主要的作用就是具有放大电信号的功能。,单个PN结只具有整流作用而不能放大电信号，但是当两个彼此很靠近的PN结形成品体管时(晶体管的基区宽度要远小于基区少于扩散长度)两个结之间就会相互作用而发生载流子交换，晶体管的电流放大作用正是通过载流子的输运表达出来的。下面以NPN晶体管为例，分析晶体管的电流放大原理。,后面讨论的晶体管通常是指均匀基区晶体管(除非特别说明)，并假设：,发射区和集电区宽度远大于少子扩散长度，基区宽度远小于少子扩骸长度；,发射区和集电区电阻率足够低，外加电压全部降落在势垒区，势垒区外没有电场；,发射结和集电结空间电荷区宽度远小于少子扩散长度，且不存在裁流子的产生与复合；,各区杂质均匀分布，不考虑外表的影响，且载流子仅做一维传输；,小注入，即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度；,发射结和集电结为理想的突变纪，且面积相等(用A表示)。,晶体管的能带及其载流子的浓度分布,1、平衡晶体管的能带和载流子,的分布,在晶体管的三个端不加外电压时(即平衡状态下)，晶体管的能带和载流子的分布如右图所示。晶体管的三个区，发射区E、基区B、集电区C的杂质为均匀分布，其中发射区为高掺杂，杂质浓度最高，其余两区浓度相对较低。发射结和集电结的接触电势差分别为,U,DE,和,U,DC,。平衡状态时，晶体管有统一的费米能级。,2、非平衡晶体管的能带和载流子的分布,当晶体管正常工作时，所加的外电压必须保证发射结正偏，集电结反偏。发射结加正向偏压(用,U,E,表示)，集电结加反向偏压(用,U,C,表示)。此时，晶体管的发射结和集电结处于非平衡状态，没有统一的费米能级，其能带和载流子的分布如右图所示。,能带的变化如图(b)所示。可见，与平衡状态时相比，如果假设基区能带不变，由于发射结正偏，发射区能带相对抬高,qU,E,;集电结反偏，集电区能带相对压低,qU,C,。,载流子的分布，如图(c)所示，由于发射结正偏，发射区向基区注入电子(少子)在基区边界积累，并向基区体内扩散，边扩散边复合，最后形成一稳定分布，用,n,b,(,x,),表示；同时，基区也向发射区注入空穴(少于)，并形成一稳定分布，用,p,e,(,x,),表示。对于集电结，由于处于反向偏置，将对载流子起抽取作用，集电结势垒区两边边界少子浓度下降为零，集电区少于浓度分布用,p,c,(,x,),表示。,晶体管载流子的传输及各极电流的形成,1、载流子的传输,晶体管载流子的传输及各极电流的形成,1、载流子的传输,(1)发射结正向偏置发射电子,由于发射结正向偏置，因而外加电场有利于多数载流子的扩散运动，高掺杂发射区的多数载流于(电子)将向基区扩散(或注入)：同时，基区中的多数载流子(空穴)也向发射。区扩散并与发射区中的局部电子复合。,(2)载流子在基区的传输与复合,到达基区的一局部电子将与P型基区的多数载流子(空定)复合。但是，由于低掺杂基区的空穴浓度LL较低，而且基区根薄，所以到达基区的电子与空穴复合的时机很少，大多数电子在基区中继续传输，到达靠近集电结的一例。,(3)集电结反向偏置收集电子,由于集电结反向偏置，外电场的方向将阻止集电区中的多数载流于(电子)向基区运动，但是有利于将基区中扩散过来的电子，扫向集电区被集电极收集。,以上就是载流子三个主要传输过程，由于发射区的高掺杂，多数载流子(电子)浓度很高，所以晶体管载流于的传输主要是以电子的传输为主，因此我们可将上述三个过程简单地总结为：,(1) 发射极发射电子，电子穿越发射结进入基区发射区向基区注入电子；,(2) 电子穿越基区基区传输电子；,(3) 电子穿越集电结，被集电极收集集电极收集电子。,此外，因为集电结反向偏置，所以集电区中的少数载流子(空穴)和基区中的少数载流子(电子)在外电场的作用下还将进行漂移运动。,载流子是带电粒子，不管是电子还是空穴，只要做定向运动就会形成电流。图38(b)标明了载流子传翰过程中形成的各电流及其方向(用小箭头表示)：空穴带正电，其传输方向就是空穴电流方向；电子带负电，其传输方向与电子电流方向相反。,由图38(b)可知，各电流的形成过程如下：,(1)由于发射结加正偏，发射极为电源“端，发射极将发射大量的电子，形成发射极电流IE；,(2)发射区发射电子的大局部，扩散到发射区与发射结的边界，迅速穿越发射结到达发射结与基区的边界，分别形成电子电流人In(X1)、In(X2)。根据假设(3)，空间电荷区不存在载流子的产生与复合，所以有In(X1)In(X2) 。,2、各电流的形成,发射结正偏同时还使基区向发射区注入空穴，在发射区与发射结的边界以及发射结与基区的边界，分别形成空穴电流Jp(X1)、Jp(X2)，同样根据假设(3)有Jp(X1)Jp(X2)。注入到发射区的少子空穴在扩散过程中不断与电子复合而转换为电子漂移电流，所以该电流既是发射极电流IE也是基极电流IB的组成局部。,(3) 聚集在发射结与基区边界的电子，在穿越基区往集电结扩散的过程中，有一少局部电子将与基区中的空穴复合，形成体内复合电流IVB，基极将提供相应的空穴进行补充，该电流为基极电流IB的一局部。,(4) 注入到基区的电子，在基区中形成电子浓度梯度，由于基区宽度Wb远远小于电子扩散长度，所以注入到基区的电子的大局部来不及复合就扩散到基区与集电结的边界。由于集电结反偏，扩散到基区与集电结边界的电子，由于反向集电结的抽取作用很快穿越集电结，到达集电结与集电区的边界，分别形成电子电流In(X3)、In(X4)；同样根据假设(3)有In(X3)In(X4) 。,(5)由于集电结反偏，集电极接电源的“极，到达集电结与集电区边界的电子将进行漂移，通过集电区流出集电极，形成集电极电流IC。,(6)此外，因为集电结反向偏置，所以集电区中的少数载流子(空穴)和基区中的少数载流子(电子)在外电场的作用下还将进行漂移运动而形成反向电流，这个电流称为反向饱和电流，用ICBO表示。反向饱和电流ICBO包括两局部：一局部为电子从基区漂移到集电区，形成的电子漂移电流InCB；另一局部为空穴从集电区漂移到基区形成的空穴漂移电流IpCB ，所以有,ICBO InCB IpCB ，,式中ICBO是少子漂移形成的反向电流，通常很小。,由图3.8(b)可知，发射极发射的电子大局部都到达了集电极。可见，尽管集电结处于反偏，但流过很大的反向电流，即处于反向大电流状态。正是由于发射结的正向注入作用和集电结反向抽取作用，使得有一股很大的电子流由发射区流向集电区，这就是晶体管所以能有电流放大作用的根本原因。,(1)发射极电流IE,从上面的分析可知，发射极的正向电流IE是由两局部电流组成的：一局部是注入基区的电子扩敬电流人In(X2) ，这股电流大局部能够传输到集电极，成为集电极电流IC的主要局部，见图38(b)；另一局部是注入发射区的空穴扩散电流Ip(X1) ，这股电流对集电极电流IC无奉献，且还是基极电流IB的一局部。所以有 IE Ip(X1)+In(X2) (3-2),(2)基极电流IB,基极电流IB是由三局部电流组成的：一局部是基区复合电流IVB ，它代表进入基区的电子与空穴复合形成的电流；另一局部是发射结正偏，由基区注入发射区的空穴扩散电流Ip(X1) ；还有一局部是集电结反偏的反向饱和电流ICBO，所以有 IB Ip(X1)+ IVB- ICBO (3-3),由于集电结反偏的反向饱和电流ICBO是由少子的漂移形成的，通常ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以式(3-3)变为 IB Ip(X1)+ IVB (3-4),3、晶体管各端电流的组成,(3) 集电极电流IC,通过集电结和集电区的电流主要有两局部：一局部是扩散到集电结边界X3的电子扩散电流 In(X3) ，这些电子在集电结电场作用下漂移，通过集电结空间电荷区，变为电子漂移电流In(X4) ， In(X4) In(X3) ，它是一股反向大电流，是集电结电流IC的主要局部；另一局部是集电结反向漏电流ICBO。因此，集电极电流为 IC In(X4) + ICBO (3-5),通常， ICBO 很小，所以式(3-5)变为 IC In(X4) (3-6),(4) IE、 IC、IB的关系,从上面对电流传输机理的分析，可得,In(X2) In(X3) + IVB= In(X4) + IVB (3-7),将式(3-7)代入式(3-2)，得,IE Ip(X1) + IVB+ In(X4) (3-8),将式(3-3)、式(3-5)代入式(3-8)，得IE、 IC、IB的关系为,IE= IC+IB (3-9),由此可见，总的发射极电流IE等于到达集电极的电子电流IC和通过基极流入的空穴电流IB之和。一只良好的晶体管， IE与IC十分接近，而IB是很小的(例如，只有IC的12)。,由图3.8(b)可知，只需求出 Ip(X1)、IVB、 In(X2)和ICBO 的关系表示式，就可以方便地得到晶体管各端电流与电压的关系式了。,1求 In(X2),In(X2) 是注入基区的电子在基区扩散形成的电流，所以有,根据假设有，基区宽度WbLnb，那么少子电子通过基区由于复合而损失的那局部是很少的，基区电子可近似看成线性分布(如图3.9基区中的虚线所示)。根据pn结理论，由图3.9可知，基区X2和X3处电子浓度分别为:,晶体管直流电流,-,电压关系,其中nb0为基区平衡少子浓度，那么可得基区电子线性分布函数为,那么基区电子的扩散电流In(X2)为,以上各式就是晶体管的电流电压关系，是均匀基区晶体管电流电压根本方程。它们描 述了晶体管的各电流与外加偏压、晶体管的结构参数、工艺参数和制作晶体管的材料参数之 间的关系，是分析晶体管其他性能参数的根底。,晶体管的直流电流放大系数,