尼曼-半导体物理与器件第十二章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第十二章 双极晶体管,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深圳大学,高等半导体物理与器件,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,高等半导体物理与器件,第十二章 双极晶体管,0,主要内容,双极晶体管的工作原理,少子的分布,低频共基极电流增益,非理想效应,等效电路模型,频率上限,大信号开关,小结,1,晶体管基本工作原理,：在器件的两个端点之间施加电压，从而控制第三端的电流。,最基本的三种晶体管,：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。,双极,晶体管：在此器件中包含电子和空穴,两种极性不同,的载流子运动。,双极晶体管中,有,2,个,pn,结，结电压的正负情况可以有多种组合，导致器件有不同的工作模式。,是一种电压控制的电流源。,两种等效电路模型，适用于不同的情况。,2,12.1,双极晶体管的工作原理,三个掺杂不同的扩散区、两个,pn,结,三端分别为发射极（,E,）、基极（,B,）、集电极（,C,）,相对于少子扩散长度，,基区宽度很小,发射区掺杂浓度最高,，,集电区掺杂浓度最低,pn,结的结论将直接应用于双极晶体管的研究,双极晶体管不是对称器件，包括,掺杂浓度,和,几何形状,3,(a)npn,型,(b)pnp,型双极晶体管的简化结构图及电路符号,(a),集成电路中的常规,npn,型双极晶体管,(b),氧化物隔离的,npn,型双极晶体管截面图,4,第十二章 双极晶体管,（,1,）基本工作原理,均匀掺杂的,npn,型双极晶体管的理想化掺杂浓度分布图,(a)npn,型双极晶体管工作在正向有源区的偏置情况,(b),工作于正向有源区，,npn,型,双极晶体管中少子的分布,(c),零偏和正向有源区时，,npn,型双极晶体管的能带图,图中显示了正向有源模式下电子从,n,型发射区注入（因此称为,发射区,）和电子在集电区被收集（因此称为,集电区,）的截面图,B-E,结正偏,，,B-C,结反偏,（,正向有源模式,）,-,共基,B-E,结正偏,：电子从发射区越过发射结注入到基区；,B-C,结反偏,：理想情况下,B-C,结边界处，少子电子的浓度为零。,图,(b),中电子浓度梯度标明：发射区注入的电子会越过基区扩散到,B-C,结的空间电荷区，那里的电场会把电子扫到集电区。,为了使尽可能多的电子到达集电区，而不是和基区多子空穴复合；与少子电子扩散长度相比，,基区宽度必须很小,。,当基区宽度很小时，少子,电子浓度是,B-E,结电压和,B-C,结电压的函数,。,两个结距离很近,互作用,pn,结,。,npn,型双极晶体管的横截面图,5,（,2,）晶体管电流的简化表达式,短基区,理想情况下，基区少子电子浓度是基区宽度的,线性函数,，表明,没有复合发生,。电子扩散过基区，后被,B-C,结空间电荷区电场,扫入集电区,。,6,集电极电流：扩散电流,晶体管,基本工作原理,：器件,一端的电流,由加到,另外两端的电压,控制,集电极电流,基极和发射极间的电压,7,发射极电流：,称为,共基极电流增益,。该增益尽可能接近,1,。,总的发射极电流为：,一部分,电流是发射区注入基区的电子电流，即,i,C,。,另一部分,电流是正偏,B-E,结电流，即,i,E,2,。,8,基极电流：,为,共发射极电流增益,，其值远大于,1,（数量级为,100,或更大）。,总的基极电流为：,一部分,电流,i,Ba,是,B-E,结电流，即,i,E,2,。,另一部分,是基区空穴复合电流，记为即,i,Bb,。,直接依赖于基区中少子电子的数量。,9,（,3,）工作模式,B-E,反偏,，,B-C,反偏,：,截止,。,B-E,正偏,，,B-C,反偏,：,正向有源区,。,B-E,正偏,，,B-C,正偏,：,饱和,。,B-E,反偏,，,B-C,正偏,：,反向有源区,。,共射,10,双极晶体管和其他元件相连，可实现电压、电流放大。,正向有源区，电压增益，电压放大器,共射,（,4,）双极晶体管放大电路,11,12.2,少子的分布,双极晶体管的电流是由,少子的扩散,决定的。,12,（,1,）正向有源模式：,B-E,结正偏，,B-C,结反偏,均匀掺杂,npn,双极晶体管。,单独考虑每个区域时，将起点移到空间电荷区边界，采用正的坐标值。,中性集电区长度,比集电区内少子扩散长度大得多。,中性发射区,有限长，假设,x,=,x,E,处,表面复合速率,无限大，即此处过剩少子浓度为零。,13,基区,稳态下，,过剩少子,电子,浓度,可通过,双极输运方程,得到。,中性区，电场为零，无过剩载流子产生，稳态下输运方程,通解表示为,B-E,结正偏,边界条件：,B-C,结反偏,通过,线性近似,得：,14,发射区,同样，使用稳态下过剩少子的双极输运方程,通解表示为,B-E,结正偏,边界条件：,x,=,x,E,处，表面复合速度无限大,通过,线性近似,得：,15,集电区,稳态下过剩少子输运方程,通解表示为,集电区无限长,边界条件：,B-C,结反偏,集电区过剩少子浓度：,16,17,（,2,）其他工作模式,（,a,）,截止,：,B-E,结，,B-C,结均反偏，空间电荷区边界少子浓度均为零。,（,b,）,饱和,：,B-E,结，,B-C,结均正偏，空间电荷区边界存在过剩少子。,18,反向有源区,：,B-E,结反偏，,B-C,结正偏。,与正向有源区中的发射极、集电极,电流反向,。,由于,B,、,E,区相对掺杂浓度和,B,、,C,区相对掺杂浓度不同，,非几何对称,，两者的特性大不相同。,19,12.3,低频共基极电流增益,npn,型晶体管，正向有源区，粒子流密度和粒子流成分,从发射区注入到基区中的电子流,到达集电区的电子流,从基区注入发射区的空穴流,正偏,B-E,结空间电荷区复合电子流,反偏,B-C,结空间电荷区产生空穴流,B-C,结的反向饱和电流,基区复合时需要补充的空穴流,20,流入基区补充因复合而消失 的空穴流,发射区,x,=0,处少子空穴扩散电流,正偏,B-E,结中载流子复合电流,基区,x,=0,处少子电子扩散电流,基区,x,=,x,B,处少子电子扩散电流,反偏,B-C,结中产生电流,反偏,B-C,结饱和电流,21,小信号或是正弦信号的共基极电流增益,发射极注入效率系数,基区输运系数,复合系数,考虑了,发射区中的少子空穴扩散电流对电流增益的影响,。,考虑了,基区中过剩少子电子的复合的影响,。,考虑了,正偏,B-E,结中的复合的影响,。,22,12.4,非理想效应,（,1,）基区宽度调制效应（厄尔利效应）,B-C,结反偏电压增加,B-C,结空间电荷区宽度增加,基区扩散区宽度减小,少子浓度梯度增加,集电极电流增加,23,I,C,受,V,BE,控制，因此两者有一对应关系,理想情况下，,I,c,与,V,BC,无关（上图中曲线斜率为零）,由于存在基区宽度调制效应，上图中曲线倾斜,厄尔利电压（,|,V,A,|,），描述晶体管特性一共有参数,制造误差引起窄基区晶体管,x,B,变化，导致,I,C,变化,24,（,2,）大注入效应,大注入晶体管发生两种效应,发射极注入效率会降低,基区过剩少子浓度和集电极电流随,B-E,结电压增大的速度变缓,发射极注入效率系数,左图为小注入和大注入时，基区中少子和多子浓度,实线,为小注入，,虚线,为大注入,B,25,小电流,时增益较小：复合系数较小,大电流,时增益下降：大注入效应的影响,26,基区过剩少子浓度和集电极电流随,B-E,结电压增大的速度变缓,小注入基区空间电荷区边界处,则,大注入,n,p,(0),、,p,p,(0),基本处于同一量级,同,pn,结二极管中的串联电阻效应近似,27,（,3,）发射区禁带变窄,发射区,掺杂很高,时，由于禁带变窄效应，使电流增益比预期小。,发射区掺杂浓度对基区掺杂浓度比值增加，发射极注入效率会增加并接近于,1,。,28,（,4,）电流集边效应,基区宽度很小（典型值,1,微米）,基区电阻相当大,导致发射区下存在横向电势差,相对于中心，较多电子从边缘注入,发射极电流集中在边缘,29,（,6,）击穿电压,两种击穿机制：,穿通,随着反偏,B-C,结电压的增加，,B-C,空间电荷区宽度扩展进中性基区中，,B-C,结耗尽区穿透基区到达,B-E,结。,雪崩击穿,30,12.5,等效电路模型,（,1,）,E-M,模型：适用于任何模式,E-M,模型中定义的电流方向、电压极性,基本,E-M,模型等效电路,31,（,2,）,G-P,模型,与,E-M,模型相比，考虑了更多的物理特性，可用于分析,基区为非均匀掺杂,的情况。,（,3,）,H-P,模型,小信号，线性放大电路，正向有源区,H-P,等效电路,32,12.6,频率上限,（,1,）延时因子,双极晶体管是一种时间渡越器件,发射区到集电区的总时间常数可由,4,个相互独立的时间常数组成,（,2,）晶体管截止频率,电流增益是频率的函数,截止频率,f,：共基极电流增益幅值变为其低频值的,0.707,时的频率,截止频率,f,T,：共发射极电流增益的幅值为,1,时的频率,截止频率,f,：共发射极电流增益幅值下降到其低频值的,0.707,时的频率,33,12.7,大信号开关,（,1,）开关特性,（,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,轻微正偏延迟时间,B-C,反偏，下降时间,上升时间,存储时间,34,（,2,）肖特基钳位晶体管,（,a,）肖特基钳位晶体管,（,b,）电路符号,减小存储时间、提高晶体管转换速度的一种常用方法,一个普通,npn,型晶体管，加一个肖特基二极管（基极、集电极间）,正向有源区，,B-C,结反偏，肖特基二极管反偏，不起作用，普通晶体管,饱和区，,B-C,结正偏，肖特基二极管正偏（,开启电压小,），,减小存储时间,35,小 结,双极晶体管的基本工作原理，互作用,pn,结,4,种工作模式，正向有源区的少子分布情