半导体理器件物课件.ppt
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1、第三章 双极结型晶体管,双极结型晶体管的结构 基本工作原理 理想双极结型晶体管中的电流传输 爱伯斯-莫尔方程 缓变基区晶体管 基区扩展电阻和电流密聚 基区宽度调变效应 晶体管的频率响应 混接 型等效电路 晶体管的开关特性 击穿电压,1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain) 1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley) 1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley) 1956年制造出第一只硅结型晶体管-美德州仪器公司(TI) 1956年Bardeen、Sh
2、ockley、Brattain获诺贝尔奖 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-(吉林大学 高鼎三) 1970年硅平面工艺成熟,双极结型晶体管大批量生产,发展历史,3.1双极结型晶体管的结构,1.双极型晶体管有两种基本结构:PNP 型和 NPN 型,3.1双极结型晶体管的结构,2.双极型晶体管工艺复合图,3.1双极结型晶体管的结构,光刻硼扩散窗口,1)衬底制备 衬底为低阻N型硅,电阻率在 左右,沿(111)面切成厚约 的圆片,研磨抛光到表面光亮如镜。,3.制造工艺,2)外延 外延层为N型,按电参数要求确定其电阻率及厚度。,3)一次氧化 高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散,同时也起
3、表面钝化作用。,3.1双极结型晶体管的结构,5)硼扩散和二次氧化 硼扩散后在外延层上形成P型区,热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散,并起钝化作用。,6)光刻磷扩散窗口,磷扩散和三次氧化 磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区,热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。,光刻发射极和基极接触孔,9) 蒸发铝,10)在铝上光刻出电极图形,3.2基本工作原理,双极晶体管四种工作模式(工作区),基极对集电极电压,基极对发射极电压,(1)正向有源模式:,(2)反向有源模式:,(3)饱和模式:,(4)截止模式:,加在各 PN 结上的电压为,根据两个结上电压的正负,晶体管有 4 种工作状态,,3.2基本工作原理
4、,3.2.1共基极连接晶体管的放大作用,图3-6 (b)NPN晶体管共基极能带图,晶体管放大电路有两种基本类型:共基极接法 与 共发射极接法 。,3.2基本工作原理,3.2.2电流分量,从发射区注入到基区中的电子流。 到达集电结的电子流。 基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 从基区注入到发射区的空穴电流 发射结空间电荷区内的复合电流。 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。,3.2基本工作原理,3.2.2电流分量,(3-2-1),(3-2-2),(3-2-3),(3-2-4),3.2基本工作原理,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、2-5),(3-2-7),基区输运因子,共基极直流电流增益,(3-2-6),3.2.3.电流增益,3.2基本工作原理,(3-2-8),(3-2-10),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,(3-2-9),3.2.3.电流增益,3.2基本工作原理,图3-8 集电结电流电压特性:(a)共基极情形,(b)共发射极情形,3.2基本工作原理,式中定义,共发射极接法,(3-2-11),(3-2-12),(3-2-13),(3-2-14),3.2基本工作原理,学习要求 掌握四个概念:发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益 了解典型BJT的
6、基本结构和工艺过程。 掌握BJT的四种工作模式。 画出BJT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BJT的放大作用。 为什么公式(3-2-9)可以写成公式(3-2-10)。 解释理想BJT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。 解释理想BJT共发射极连接正向有源模式下集电极电流与集电极发射极间的电压无关的现象。 解释理想BJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,(1)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; (3)横向尺寸远大于基区宽度,
7、并且不考虑边缘效应,所以载流 子运动是一维的; (4)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; (6)发射结面积和集电结面积相等; (7)小注入,等等,3.3.1电流传输,理想晶体管的主要假设及其意义:,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.1电流传输,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,边界条件为:,中性基区(0 )少子电子分布及其电流:,(3-3-1),(3-3-2),(3-3-4),3.3.1电流传输,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,1.电子电流,(3-3-5),(3-3-6),3.3理想双极结型晶体管中的电流传
8、输,2.发射区少子空穴分布及其电流: 边界条件:,(3-3-7-3-3-10),(3-3-11),3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,若 ,(3-23a)式可以写作:,(3-3-12),(3-3-13),空穴电流为:,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.集电区少子空穴分布及其电流 边界条件:,(3-3-14),(3-3-16),(3-3-15),3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.2正向有源模式 1.少数载流子分布,(3-27a),在 的情况下,(3-27a)式简化,(3-27b),3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,图3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布,正向
9、有源模式下少数载流子分布曲线,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.电流分量 1)发射区和收集区电子电流:,(3-3-18),(3-3-19),(3-3-20),(3-3-22),3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,2)发射区和收集区空穴电流,(3-3-23),3)正偏压发射结空间电荷区复合电流:,(3-3-24),3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,(3-3-25),(3-3-26),3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,4.晶体管的输出特性曲线,图3-12 NPN 晶体管的静态电流电压特性,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,5.共发射极电流增益,(3-3-27),3.3理想双极
10、结型晶体管中的电流传输,共发射极电流增益与工作电流的关系,图3-13 电流增益对集电结电流的依赖关系,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,学习要求 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。 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(3-3-6)、(3-3-7)。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电子电流公式(3-3-18)、(3-3-19)、(3-3-21)。 解释图3-12、图3-13。,3.4爱伯斯-莫尔方程,双极晶体管有四种工作模式,取决于发射结和集电结的偏置状况。,(1)正
11、向有源工作模式: 0, 0,(3)饱和工作模式: 0, 0,(4) 截止工作模式: 0, 0,3.4.1工作模式和少子分布,基区少子满足的边界条件为,相应的边界条件为:,相应的边界条件为:,相应的边界条件为:,3.4爱伯斯-莫尔方程,此外,,0,图3-14 晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布,对于 的情形(3-3-5)简化为:,3.4爱伯斯-莫尔方程,(在电路分析中,不考虑(3-3-5)式和(3-3-13)式中的负号)。,(3-3-59),(3-3-13),3.4.2 爱伯斯莫尔(Ebers-Moll)方程,发射极注入到基极的电子电流为:,基极注入到发射极的空穴电流为:,暂时把发射结空
12、间电荷区复合电流看作是外部电流,则,(3-4-8),用类似的方法得到,其中,(3-4-9),(3-4-10),(3-4-11),(3-40)和(3-42)称为爱伯斯莫尔方程,简称为 E-M 方程。,3.4爱伯斯-莫尔方程,式中,爱伯斯莫尔模型的等效电路图,(a),图3-15 Ebers-Moll 模型 (a)NPN一维晶体管,(b)将晶体管表示为有公共区域的背靠背连接的二极管,(c)Ebers-Moll 模型等效电路,(c),叫做正向共基极电流增益。,叫做反向共基极电流增益。,3.4爱伯斯-莫尔方程,根据图3-14C可以写出,(3-4-1),(3-4-2),其中,和,分别为两个二极管反向饱和电
13、流。,端电流为:,(3-4-3),(3-4-4),联立(3-44),(3-45),(3-46)和(3-47)式得到,(3-4-5),(3-4-6),(3-48)和(3-49)式即为E-M方程,3.4爱伯斯-莫尔方程,将(3-4-8)式与(3-4-5)式比较,(3-4-10)式与(3-4-6)式比较,得到,(3-4-12),由于,有,(3-4-13)式称为互易关系。,(3-4-13),3.4爱伯斯-莫尔方程,以上讨论的E-M方程,只是一种非线性直流模型,通常将它记为 模型。在 模型的基础上计及非线性电荷贮存效应和欧姆电阻,就构成第二级复杂程度的 模型。第三级复杂程度的 模型则还包括多种二级效应,
14、如基区宽度调制,基区展宽效应以及器件参数随温度的变化等等。,3.4爱伯斯-莫尔方程,了解EM方程中四个参数的物理意义 根据EM方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。,(3-4-5),(3-4-6),3.4爱伯斯-莫尔方程,学习要求 理解并记忆BJT四种工作模式下的少子分布边界条件 画出BJT四种工作模式下少子分布示意图。 理解写出方程(3-4-10)的根据。 根据爱拜耳斯莫尔模型的等效电路图导出EM方程,3.5缓变基区晶体管,均匀基区晶体管:基区掺杂为均匀分布。少子在基区主要作扩散运动,又称为 扩散晶体管。,1. 2N3866晶体管的杂质分布:,距离x (m),图3-16 2N386
15、6晶体管的杂质分布,缓变基区晶体管:基区掺杂近似为指数分布,少子在基区主要作漂移运动,又称为 漂移晶体管。,3.基区少子分布,(3-5-1),(3-5-4),式(3-56)中负号表示电流沿x方向。,4.电子电流,(3-5-5),3.5缓变基区晶体管,2.基区的缓变杂质分布,引起内建电场,这个电场沿着杂质浓度增加的方向,有助于电子在大部分基区范围内输运。这时电子通过扩散和漂移越过基区薄层,致使输运因子增加。,把整个基区复合电流取为,(3-57),(3-58),根据基区输运因子的定义,把式(3-55)代入式(3-58)并使用,,便得到,(3-59),3.5缓变基区晶体管,5.基区输运因子,对于均匀
16、基区,(3-58)式化简为(3-32)式。,学习要求 1.导出缓变基区晶体管基区内建电场公式(3-5-1)。 2.导出少子分布公式(3-5-4)。 3.导出电流公式(3-55-5)。 4 比较基区输运因子公式(3-5-8)与均匀掺杂的基区输运因子公式(3-3-22)。 5.扩展知识:导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电流分布表达式(考研参考)。,3.5缓变基区晶体管,如果把基极电流 IB 从基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的电压降,当作是由一个电阻产生的,则称这个电阻为基极扩展电阻,用 rbb 表示。由于基区很薄,rbb 的截面积很小,使 rbb 的数值相当可观,对晶体管的特性
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