1、1/149,半导体器件原理,主讲人：仇志军本部遗传楼309室 55664269Email: ,2/149,第二章 双极型晶体管,2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理2.3 直流特性2.4 反向特性2.5 晶体管的模型2.6 频率特性2.7 开关特性,3/149,2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布1,2.1.1 晶体管的基本结构,4/149,2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布2,2.1.2 制造工艺,合金管,平面管,5/149,2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布3,2.1.3 杂质分布,均匀基区,缓变基区,基区内载流子传输方式,自建电场,扩散,扩散,漂移,+,扩散型晶
2、体管,漂移型晶体管,6/149,第二章 双极型晶体管,2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理2.3 直流特性2.4 反向特性2.5 晶体管的模型2.6 频率特性2.7 开关特性,7/149,2.2 电流放大原理1,2.2.1 放大条件,放大条件：,1、Wb Lnb,2、发射结正偏,3、集电结反偏,8/149,2.2.2 电流传输,2.2 电流放大原理2,Ine Inc,9/149,2.2.3 共基极电流放大系数,2.2 电流放大原理3, 1 时）, 1,（当 Wb 1,11/149,第二章 双极型晶体管,2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理2.3 直流
3、特性2.4 反向特性2.5 晶体管的模型2.6 频率特性2.7 开关特性,12/149,2.3.1 晶体管中的少子分布,2.3 直流特性1, 0, 0,x2,13/149,2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程,2.3 直流特性2,假设：, 突变结, 一维（Aje = Ajc = A）, 外加偏压全加在结上, 忽略势垒区的产生-复合电流, 小注入,1. 少子分布,(1) 基区, 0, 基区均匀掺杂,Wb Lpe,We Lpc ), 0,16/149,2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程,2.3 直流特性5,2. 电流密度 (只计算扩散电流),(1) 基区中电子电流,17/149,2.3.2
4、理想晶体管的电流-电压方程,2.3 直流特性6,2. 电流密度 (只计算扩散电流),(1) 基区中电子电流,0,Wb,Jnb(0),Jnb(Wb), Jvb,Wb Lpe,Wc Lpc,19/149,2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程,2.3 直流特性8,3. Ie、Ib、Ic 表达式,(1) Ie 表达式,20/149,2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程,2.3 直流特性9,3. Ie、Ib、Ic 表达式,Wb Lnb 时，且放大偏置,(1) Ie 表达式,21/149,2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程,2.3 直流特性10,3. Ie、Ib、Ic 表达式,(2) Ic 表达式
5、,22/149,2.3.2 理想晶体管的电流-电压方程,2.3 直流特性11,3. Ie、Ib、Ic 表达式,(2) Ic 表达式,Wb Lnb 时，且放大偏置,23/149,2.3.3 、 表达式,2.3 直流特性12,1. 表达式, = * *,(1) ,We Lpe,（Wb Lnb）,24/149,2.3.3 、 表达式,2.3 直流特性13,1. 表达式, = * *,(1) ,定义方块电阻,要 则要 Rsh,e/Rsh,b Ne/Nb ,We 1,27/149,2.3.4 理想晶体管的输入、输出特性,2.3 直流特性15,1. 共基极,输出特性,28/149,2.3.4 理想晶体管的
6、输入、输出特性,2.3 直流特性16,2. 共射极,29/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性17,1. 发射结结面积对 的影响,本征基区：Wb Lnb,要 则要 Ajeo/ Aje* 结面积大、结浅,30/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性18,2. 基区宽度调制效应（Early效应）,Vcb Wb* dnb/dx Ine Ic ,Early 电压,对非均匀基区晶体管,影响输出电阻,31/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性19,3. 发射结复合电流影响,势垒区, ni2,复合率,Vbe ,Ic ,32/149,2.3.5 晶体管
7、的非理想现象,2.3 直流特性20,3. 发射结复合电流影响,增益 随电流 Ic 变化,33/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性21,4. 大注入效应之一 Webster 效应,Dnb 2Dnb,基区大注入条件：npb(0) Nb,Ex.：Si npn晶体管：若 Nb = 1017 cm-3 , 计算当 npb(0) = 0.1Nb 时所需的发射结偏压Vbe .（答案：0.76 V）,qVbe/kT qVbe/ 2kT,34/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性22,4. 大注入效应之一 Webster 效应,增益 随电流 Ic 变化, Ic,发射结复
8、合电流,基区复合,Webster 效应,35/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性23,5. 大注入效应之二 Kirk 效应,（基区展宽效应）,p,n,x,n+,E,集电区大注入：nc Nc,集电极电流 Jc nc, q ( Nb+ nc ),q ( Nc nc ),饱和漂移速度,36/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性24,中性nc = Nc,nc Nc,- - - - - -,- - - - -,- - -,Emax,问题：计算 Jc0 , nc0,即,Jc Jc0 Wb Wb + Wb ,5. 大注入效应之二 Kirk 效应,临界 Jc0nc =
9、 nc0,37/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性25,6. 大注入效应之三 发射极电流集边效应（基极电阻自偏压效应）,Seff -发射极有效半宽,J (Seff) = J (0) X e-1,38/149,2.3.5 晶体管的非理想现象,2.3 直流特性26,6. 大注入效应之三 发射极电流集边效应（基极电阻自偏压效应）,发射极电流分布, V(y) Je (y) Seff = ?,0,39/149,2.3.6 实际晶体管的输入、输出特性,2.3 直流特性27,Webster/Kirk 效应,发射结复合电流影响,Si 晶体管,40/149,2.3.6 实际晶体管的输入、输
10、出特性,2.3 直流特性28,1. 共基极输入、输出特性,Early 效应,输入特性,输出特性,Vcb Wb* dnb/dx Ine Ic ,dnb/dx ,41/149,2.3.6 实际晶体管的输入、输出特性,2.3 直流特性29,2. 共射极输入、输出特性,输入特性,输出特性,Early 效应,Early 效应,问题：为什么Early效应对共发射极输出特性有明显影响，而共基极输出特性却无明显影响？,基区复合减少,42/149,第二章 双极型晶体管,2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理2.3 直流特性2.4 反向特性2.5 晶体管的模型2.6 频率特性2.7 开关特性,
11、43/149,2.4.1 晶体管的反向电流,2.4 反向特性1,漏电流（与工艺有关）,产生电流,扩散电流,Si 管：Ig 为主,Ge 管：Id 为主,IR (Si) 0？,因此,Si ：,Ge：,反向工作注入比,45/149,2.4.1 晶体管的反向电流,2.4 反向特性3,3. Iceo（反向穿透电流）,基极开路 Ib = 0,问题：从物理上如何理解此关系？,结论：要 Iceo 则 Icbo 不宜太高,46/149,2.4.2 晶体管的反向击穿电压,2.4 反向特性4,1. BVebo,n+,p,n,A,Ie,Veb,BVebo,特点：,1o 通常为雪崩击穿 Nb 很高时可能有齐纳,2o 双
12、扩散管击穿在表面,3o 通常 BVebo 4 V 即可,2. BVcbo,n+,p,n,A,Ic,Vcb,BVcbo,特点：,1o 雪崩击穿,2o BVcbo 越高越好 理想 BVcbo = VBR(纯pn结),47/149,2.4.2 晶体管的反向击穿电压,2.4 反向特性5,3. BVce BVceo BVces BVcer BVcex,(1) BVceo,雪崩击穿时,基极开路时 Ib = 0 Ic = Ie,Iceo 发生雪崩倍增条件：1 M = 0 M = 1/（更容易达到）,BVceo BVceo,(3) BVceo BVcer BVcer,50/149,2.4.3 晶体管穿通电压（
13、punch-through）,2.4 反向特性8,1. 基区穿通,BVcbo = Vpt + BVebo,不发生穿通现象的条件：Vpt BVcbo, 0,结论：合金管更容易发生基区穿通，而平面管则不太可能发生。,Nc 1, 1,Transistor = Trans + Resistor !,60/149,2.6.1 晶体管的放大作用,2.6 频率特性3,2. 共发射极, 1, 1, 1,功率放大的是交流信号!,61/149,2.6.2 低频交流小信号等效电路,2.6 频率特性4,1. y 参数等效电路 (共基极), 以 vi vo 为自变量 y 参数等效电路, 以 ii io 为自变量 z 参
14、数等效电路, 以 ii vo 为自变量 h 参数等效电路,本征晶体管的直流模型,Ebers-Moll 方程：,62/149,2.6.2 低频交流小信号等效电路,2.6 频率特性5,1. y 参数等效电路-以 vi vo 为自变量,求 Ie(Veb, Vcb), Ic(Veb, Vcb),对 E-M 方程求微分, 0, 0, 0,量纲：电导,63/149,2.6.2 低频交流小信号等效电路,2.6 频率特性6,1. y 参数等效电路-以 vi vo 为自变量,共基极 y 参数等效电路,放大偏置时,ve,+,vc,+,ie,ic,ie,rc ,E,B,B,C,64/149,2.6.2 低频交流小信
15、号等效电路,2.6 频率特性7,2. h 参数等效电路 (共发射极)-以 ii vo 为自变量,vbe(ib, vce) ic(ib, vce),全微分,65/149,2.6.2 低频交流小信号等效电路,2.6 频率特性8,2. h 参数等效电路 (共发射极)-以 ii vo 为自变量,hie 共发射极输出端交流短路时的输入电阻,Ebers-Moll方程,放大偏置时，Vbe kT/q, Vbc 0 Why ?,由 Ib(Vbe, Vbc) 全微分,67/149,2.6.2 低频交流小信号等效电路,2.6 频率特性10,2. h 参数等效电路 (共发射极)-以 ii vo 为自变量, 0 (10
16、 15),实际 hre 104，原因：,(i) Early 效应，Wb(Vce),(ii) Early 效应，rbb(Vce),(i) Early 效应，Wb(Vce) (Vce), 104 V/cm,vs = 8.5 106 cm/s,td = xm / vs,E(x,t),假设,连续性方程,78/149,2.6.3 放大系数的频率特性(自学),2.6 频率特性21,4.集电结势垒区输运系数 d () 和集电结渡越时间 d,对势垒区积分,0,势垒区平均传导电流,d 定义：,4.1 d (),79/149,2.6.3 放大系数的频率特性(自学),2.6 频率特性22,4.集电结势垒区输运系数
17、d () 和集电结渡越时间 d,4.2 d,这里,80/149,2.6.3 放大系数的频率特性(自学),2.6 频率特性23,5. 集电极衰减因子 c 和集电极延迟时间 c,81/149,2.6.3 放大系数的频率特性,2.6 频率特性24,6. 放大系数的频率特性,6.1 () 和 f,低频,共基极截止频率,82/149,2.6.3 放大系数的频率特性,2.6 频率特性25,6. 放大系数的频率特性,6.1 () 和 f, (dB) 20 log , (dB) 20 log ,f ： 3dB 频率,通常 b e d c,dB（分贝）定义：,83/149,2.6.3 放大系数的频率特性,2.6
18、 频率特性26,6. 放大系数的频率特性,6.2 () 和 f,=,？,定义,84/149,2.6.3 放大系数的频率特性,2.6 频率特性27,6. 放大系数的频率特性,6.2 () 和 f,CTe CTc,85/149,2.6.3 放大系数的频率特性,2.6 频率特性28,6. 放大系数的频率特性,6.2 () 和 f,同样,考虑超相移因子 m，且 b e d c,f ： 3dB 频率,6.3 fT,(1) fT 定义,f f 时， 1. 定义,共发射极截止频率,0 1,86/149,2.6.3 放大系数的频率特性,2.6 频率特性28,6. 放大系数的频率特性,6.3 fT,当 f f
19、e d c ), e re CTe Aje , d xm Nc , c rcs Nc CTc Ajc Nc ,f 0 时，少子分布 npb(x) 的形状。为什么不象红虚线？,边界条件, 0,Gummel 数 cm 2,103/149,2.6.5 漂移晶体管,2.6 频率特性45,2. 直流特性,2.1 少子分布与少子电流,(2) Jpe,发射区有自建场 Ee(x) ，类似地,问题：Ee 与 Eb 方向相反，相差 一个“”号，为什么？ Ee(x)有何作用？,若为薄发射区，即 We 0（加速场） 2,106/149,2.6.5 漂移晶体管,2.6 频率特性48,2. 直流特性,2.2 直流增益 0
20、 0,(3) 0 0,0 0 除了 Rsh,e / Rsh,b Ne/Nb Wb Lnb nb 还可以 ,107/149,2.6.5 漂移晶体管,2.6 频率特性48,2. 直流特性,2.3 Early 效应, Jc, 0 0 ,2o rbb fmax ,3o Nb Wb 0 ,基区穿通效应 ,基区大注入效应（Webster） ,Early效应 ,4o Ne CTe fT ,117/149,第二章 双极型晶体管,2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理2.3 直流特性2.4 反向特性2.5 晶体管的模型2.5 频率特性2.7 开关特性,118/149,2.7.1 晶体管的开关
21、作用,2.7 开关特性1,1. 晶体管的工作区,负载电流：,119/149,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性2,2. 截止区和饱和区的少子分布,1. 截止区,Ine,Ipe,Ipc,Inc,Ib = Iebo + Icbo,Iebo,Icbo,120/149,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性3,2. 截止区和饱和区的少子分布,2. 饱和区,(1) 发生饱和现象的原因,放大区、饱和区, 0 时，而流过集电结的电流却与 Vbc 极性相反？,121/149,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性4,2. 截止区和饱和区的少子分布,2. 饱和区,(1) 发生饱和现象
22、的原因,定义：临界饱和状态,(2) 少子分布,线性放大状态,临界饱和状态,饱和状态 （超量储存电荷）,122/149,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性5,2. 截止区和饱和区的少子分布,2. 饱和区,(3) 电流传输,Ib = Ipe + Ivb + Ivbs + Ipcs,Ibs,Ibx,过驱动电流,饱和时,定义：饱和深度,s = 1 临界饱和状态,123/149,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性6,3. 晶体管的开关作用, K合上，CE导通，, K断开，CE断开，, 截止, 导通,开关管要求：,1o Vces 越小越好，最好 0,2o Iceo 越小越好，最好
23、0,3o BVce 高（使用范围大）,4o 开关时间短,124/149,0.1Ics,t0,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性7,4. 晶体管的开关过程,Vin,ViL,ViH,t,Ib,Ib1,t, Ib2,Ics,t,Ic,0.9Ics,t1,t2,t3,t4,t5,Vce,t, 0,延迟时间 td = t1 t0,上升时间 tr = t2 t1,储存时间 ts = t4 t3,下降时间 tf = t5 t4,125/149,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性8,4. 晶体管的开关过程,上升时间 tr = t2 t1 ( B C ),储存时间 ts = t4 t3
24、( D C ),下降时间 tf = t5 t4 ( C B ),ton = td + tr,toff = ts + tf,波形频率,延迟时间 td = t1 t0 ( A B ),126/149,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性9,5. 晶体管开关过程中的少子分布,1. 延迟过程 td,p,反偏,反偏,n+,n,p,反偏,零偏,n+,n,p,反偏,弱正偏,n+,n,A,B,对 CTe, CTc 充电,Vbe0.5V,127/149,2.7.1 晶体管的开关作用,2.7 开关特性10,5. 晶体管开关过程中的少子分布,2. 上升过程 tr,p,反偏,正偏,n+,n,p,反偏,弱正偏,n+,n,B,p,零偏,正偏,
