雙極型晶體管及相關(guān)器件1

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1、雙極型晶體管及相關(guān)器件現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices本章內(nèi)容雙極型晶體管的工作原理雙極型晶體管的靜態(tài)特性雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管可控硅器件及相關(guān)功率器件雙極型晶體管(bipolartransistor)的結(jié)構(gòu)雙極型晶體管是最重要的半導(dǎo)體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)通過程的半導(dǎo)體器件，由兩個(gè)相鄰的耦合p-n結(jié)所組成，其結(jié)構(gòu)可為p-n-p或n-p-n的形式。如圖為一p-n-p雙極型晶體管的透視圖，其制造

2、過程是以p型半導(dǎo)體為襯底，利用熱擴(kuò)散的原理在p型襯底上形成一n型區(qū)域，再在此n型區(qū)域上以熱擴(kuò)散形成一高濃度的p＋型區(qū)域，接著以金屬覆蓋p＋、n以及下方的p型區(qū)域形成歐姆接觸。雙極型晶體管的工作原理圖(a)為理想的一維結(jié)構(gòu)p-n-p雙極型晶體管，具有三段不同摻雜濃度的區(qū)域，形成兩個(gè)p-n結(jié)。濃度最高的p＋區(qū)域稱為發(fā)射區(qū)(emitter，以E表示)；中間較窄的n型區(qū)域，其雜質(zhì)濃度中等，稱為基區(qū)(base，用B表示)，基區(qū)的寬度需遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度；濃度最小的p型區(qū)域稱為集電區(qū)(collector，用C表示)。圖(b)為p-n-p雙極型晶體管的電路符號(hào)，圖中亦顯示各電流成分和電

3、壓極性，箭頭和“十”、“一”符號(hào)分別表示晶體管在一般工作模式(即放大模式)下各電流的方向和電壓的極性，該模式下，射基結(jié)為正向偏壓(VEB＞0)，而集基結(jié)為反向偏壓(VCB＜0)。雙極型晶體管的工作原理圖(a)是一熱平衡狀態(tài)下的理想p-n-p雙極型晶體管，即其三端點(diǎn)接在一起，或者三端點(diǎn)都接地，陰影區(qū)域分別表示兩個(gè)p-n結(jié)的耗盡區(qū)。圖(b)顯示三段摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)比集電區(qū)大，基區(qū)的濃度比發(fā)射區(qū)低，但高于集電區(qū)濃度。圖4.3(c)表示耗盡區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布情況。圖(d)是晶體管的能帶圖，它只是將熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)能帶直接延伸，應(yīng)用到兩個(gè)相鄰的耦合p＋-n結(jié)與n-

4、p結(jié)。雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管的工作原理圖(a)為工作在放大模式下的共基組態(tài)p-n-p型晶體管，即基極被輸入與輸出電路所共用，圖(b)與圖(c)表示偏壓狀態(tài)下電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)度分布的情形，與熱平衡狀態(tài)下比較，射基結(jié)的耗盡區(qū)寬度變窄，而集基結(jié)耗盡區(qū)變寬。圖(d)是晶體管工作在放大模式下的能帶圖，射基結(jié)為正向偏壓，因此空穴由p＋發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，而電子由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。雙極型晶體管工作在放大模式雙極型晶體管的工作原理在理想的二極管中，耗盡區(qū)將不會(huì)有產(chǎn)生-復(fù)合電流，所以由發(fā)射區(qū)到基區(qū)的空穴與由基區(qū)到發(fā)射區(qū)的電子組成了發(fā)射極電流。而集基結(jié)是處在反向偏壓的狀態(tài)，因此將有一反向飽

5、和電流流過此結(jié)。當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時(shí)，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴便能夠擴(kuò)散通過基區(qū)而到達(dá)集基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣，并在集基偏壓的作用下通過集電區(qū)。此種輸運(yùn)機(jī)制便是注射載流子的“發(fā)射極“以及收集鄰近結(jié)注射過來的載流子的“集電極”名稱的由來。雙極型晶體管的工作原理如果大部分入射的空穴都沒有與基區(qū)中的電子復(fù)合而到達(dá)集電極，則集電極的空穴電流將非常地接近發(fā)射極空穴電流?？梢姡舌徑纳浠Y(jié)注射過來的空穴可在反向偏壓的集基結(jié)造成大電流，這就是晶體營的放大作用，而且只有當(dāng)此兩結(jié)彼此足夠接近時(shí)才會(huì)發(fā)生，因此此兩結(jié)被稱為交互p-n結(jié)。相反地，如果此兩p-n結(jié)距離太遠(yuǎn)，所有入射的空穴將在基區(qū)中與電子復(fù)合而無法

6、到達(dá)集基區(qū)，并不會(huì)產(chǎn)生晶體管的放大作用，此時(shí)p-n-p的結(jié)構(gòu)就只是單純兩個(gè)背對(duì)背連接的p-n二極管。雙極型晶體管的工作原理下圖中顯示出一理想的p-n-p晶體管在放大模式下的各電流成分。設(shè)耗盡區(qū)中無產(chǎn)生-復(fù)合電流，則由發(fā)射區(qū)注入的空穴將構(gòu)成最大的電流成分。電流增益大部分的入射空穴將會(huì)到達(dá)集電極而形成Icp?；鶚O的電流有三個(gè)，即IBB、IEn以及ICn。其中IBB代表由基極所供應(yīng)、與入射空穴復(fù)合的電子電流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電子電流，是不希望有的電流成分；ICn代表集電結(jié)附近因熱所產(chǎn)生、由集電區(qū)流往基區(qū)的電子電流。雙極型晶體管的工作原理晶體管各端

7、點(diǎn)的電流可由上述各個(gè)電流成分來表示晶體管中有一項(xiàng)重要的參數(shù)，稱為共基電流增益，定義為因此，得到雙極型晶體管的工作原理第二項(xiàng)稱為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，是到達(dá)集電極的空穴電流量與由發(fā)射極入射的空穴電流量的比，即所以上式等號(hào)右邊第一項(xiàng)稱為發(fā)射效率，是入射空穴電流與總發(fā)射極電流的比，即：雙極型晶體管的工作原理其中ICn是發(fā)射極斷路時(shí)(即IE=0)集基極間的電流，記為ICBO，前兩個(gè)下標(biāo)（CB）表示集、基極兩端點(diǎn)，第三個(gè)下標(biāo)（O）表示第三端點(diǎn)(發(fā)射極)斷路，所以ICBO代表當(dāng)發(fā)射極斷路時(shí)，集基極之