半导体器件物理ppt课件.ppt

现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1 1为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件现代半导体现代半导体器件物理器件物理Physics of Modern Semiconductor Devices2004,7,30现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2 2为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益本章内容本章内容q双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理q双极型晶体管的静双极型晶体管的静态特性特性q双极型晶体管的双极型晶体管的频率响率响应与开关特性与开关特性q异异质结双极型晶体管双极型晶体管q可控硅器件及相关功率器件可控硅器件及相关功率器件现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3 3为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益双极型晶体管双极型晶体管(bipolar transistor)的结构的结构 双极型晶体管是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p-n结所组成，其结构可为p-n-p或n-p-n的形式。如图为一p-n-p双极型晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区域，再在此n型区域上以热扩散形成一高浓度的p型区域，接着以金属覆盖p、n以及下方的p型区域形成欧姆接触。双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4 4为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结。浓度最高的p区域称为发发射射区区(emitter，以E表示)；中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基基区区(base，用B表示)，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集集电电区区(collector，用C表示)。图(b)为p-n-p双极型晶体管的电路符号，图中亦显示各电流成分和电压极性，箭头和“十”、“一”符号分别表示晶体管在一般工作模式(即放放大大模模式式)下各电流的方向和电压的极性，该模式下，射基结为正向偏压(VEB0)，而集基结为反向偏压(VCB0)。双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理+-现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5 5为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 图(a)是一热平衡状态下的理想p-n-p双极型晶体管，即其三端点接在一起，或者三端点都接地，阴影区域分别表示两个p-n结的耗尽区。图(b)显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射区的掺杂浓度远比集电区大，基区的浓度比发射区低，但高于集电区浓度。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分布情况。图(d)是晶体管的能带图，它只是将热平衡状态下的p-n结能带直接延伸，应用到两个相邻的耦合p-n结与n-p结。各区域中EF保持水平。双极型晶体管双极型晶体管(pnp型型)工作在放大模式工作在放大模式双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 6 6为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 图(a)为工作在放大模式下的共基组态p-n-p型晶体管，即基极被输入与输出电路所共用，图(b)与图(c)表示偏压状态下空间电荷密度与电场强度分布的情形，与热平衡状态下比较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工作在放大模式下的能带图，射基结为正向偏压，因此空穴由p发射区注入基区，而电子由基区注入发射区。双极型晶体管工作在放大模式双极型晶体管工作在放大模式双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 7 7为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 在理想的二极管中，耗尽区将不会有产生-复合电流，所以由发射区到基区的空穴与由基区到发射区的电子组成了发射极电流。而集基结是处在反向偏压的状态，因此将有一反向饱和电流流过此结。当基区宽度足够小时，由发射区注入基区的空穴便能够扩散通过基区而到达集基结的耗尽区边缘，并在集基偏压的作用下通过集电区。此种输运机制便是注射载流子的“发发射射极极“以及收集邻近结注射过来的载流子的“集集电极电极”名称的由来。双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 8 8为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 如果大部分入射的空穴都没有与基区中的电子复合而到达集电极，则集电极的空穴电流将非常地接近发射极空穴电流：IEpICp。可见，由邻近的射基结注射过来的空穴可在反向偏压的集基结造成大电流，这就是晶体管的放放大大作作用用，而且只有当此两结彼此足够接近时(基区宽度足够窄)才会发生，因此此两结被称为交互p-n结。相反地，如果此两p-n结距离太远(基区宽度太大)，所有入射的空穴将在基区中与电子复合而无法到达集基区，并不会产生晶体管的放大作用，此时p-n-p的结构就只是单纯两个背对背连接的p-n二极管。双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 9 9为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 下图中显示出一理想的p-n-p晶体管在放大模式下的各电流成分。设耗尽区中无产生-复合电流，则由发射区注入的空穴将构成最大的电流成分IEp。电流增益电流增益大部分的入射空穴将会到达集电极而形成ICp。基极的电流有三个，即IBB、IEn、ICn。其中IBB代表由基极所供应、与入射空 穴 复 合 的 电 子 电 流(即IBB=IEp-ICp)；IEn代表由基区注入发射区的电子电流，是不希望有的电流成分；ICn代表集电结附近因热所产生、由集电区流往基区的电子电流。双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1010为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益晶体管各端点的电流可由上述各个电流成分来表示 晶体管中有一项重要的参数，称为共基电流增益共基电流增益，定义为 因此，得到 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1111为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益第二项称为基基区区输输运运系系数数，是到达集电极的空穴电流量与由发射极入射的空穴电流量的比，即 所以 上式等号右边第一项称为发射发射效率效率，是入射空穴电流与总发射极电流的比，即：双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1212为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益其中ICn是发射极断路时(即IE=0)集基极间的电流，记为ICBO，前两个下标（CB）表示集、基极两端点，第三个下标（O）表示第三端点(发射极)断路，所以ICBO代表当发射极断路时，集基极之间的漏电流。共基组态下的集电极电流可表示为 对合格的晶体管，IEn远比IEp小，且ICp与IEp非常接近，T与都趋近于1，因此0也接近于1。集电极电流可用0表示，即 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1313为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益例1：已知在一理想晶体管中，各电流成分为：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。试求出下列各值：(a)发射效率；(b)基区输运系数T；(c)共基电流增益0；(d)ICBO。解（a）发射效率为（b）基区输运系数为（c）共基电流增益为（d）共基电流增益为 所以 双极型晶体管的工作原理双极型晶体管的工作原理现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1414为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 为推导出理想晶体管的电流、电压表示式，需作下列五点假设：（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂；（2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略；（3）载流子注入属于小注入；（4）耗尽区中没有产生-复合电流；（5）晶体管中无串联电阻。假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦确定了少数载流子的分布(n区域中的空穴)，就可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。各区域中的载流子分布各区域中的载流子分布 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1515为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 图(c)显示结上的电场强度分布，在基区中性区域中的少数载流子分布可由无电场的稳态连续方程式表示：其中Dp和p分别表示少数载流子的扩散系数和寿命。上式的一般解为 一、基区区域：一、基区区域：其中 为空穴的扩散长度，常数C1和C2可由放大模式下的边界条件 和决定。双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1616为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 其中pn0是热平衡状态下基区中的少数载流子浓度，可由pn0=ni2/NB决定，NB表示基区中均匀的施主浓度。第一个边界条件式表示在正向偏压的状态下，射基结的耗尽区边缘(x=0)的少数载流子浓度是热平衡状态下的值乘上exp(qVEB/kT)。第二个边界条件表示在反向偏压的状态下，集基结耗尽区边缘(x=W)的少数载流子浓度为零。将边界条件代入得双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1717为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益当x1时，sinh(x)将会近似于x。所以当W/Lp1时，可简化为 即：少数载流子分布趋近于一直线。此近似是合理的，因为在晶体管的设计中，基极区域的宽度远小于少数载流子的扩散长度。如图。可见，由线性少数载流子分布的合理假设，可简化电流-电压特性的推导过程。双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1818为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益和 发射区和集电区中的少数载流子分布可以用类似上述基区情况的方法求得。在图中，发射区与集电区中性区域的边界条件为 二、发射极和集电极区域二、发射极和集电极区域：其中nEO和nCO分别为发射区和集电区中热平衡状态下的电子浓度。设发射区和集电区的宽度分别远大于扩散长度LE和LC，将边界条件代入得到双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 1919为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益由少子分布可计算出晶体管中的各项电流成分。在x=0处，由发射区注入基区的空穴电流IEp与少数载流子浓度分布的梯度成正比，因此当W/Lp1时，空穴电流IEp可以由式放大模式下理想晶体管的电流放大模式下理想晶体管的电流：同理，在tW处由集电极所收集到的空穴电流为 表示为双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性当W/Lp1时，IEp=ICp。现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2020为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益而IEn是由基区流向发射区的电子流形成的，ICn是由集电区流向基区的电子流形成的，分别为 其中DE和DC分别为电子在发射区和集电区中的扩散系数。各端点的电流可由以上各方程式得出。发射极电流IE=IEp+IEn，即 其中双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2121为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益集电极电流IC=ICp+ICn，即 可见12=21。理想晶体管的IB=IE-IC，即 所以，晶体管三端点的电流主要是由基极中的少子分布来决定，一旦获得了各电流成分，即可由其中得出共基电流增益 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2222为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益例2：一个理想的p+-n-p晶体管，其发射区、基区和集电区的掺杂浓度分别为1019cm-3、1017cm-3和51015cm-3，而寿命分别为10-8s、10-7s和10-6s，假设有效横截面面积A为0.05mm2，且射基结正向偏压在0.6V，试求晶体管的共 基 电 流 增 益。其 他 晶 体 管 的 参 数 为 DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。解：在基极区域中 在发射极区域中 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2323为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益因为W/Lp=0.051，各电流成分为 共基电流增益0为 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 2424为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益在W/Lp1，所以IB的微小变化将造成IC的剧烈变化。下图是不同的基极电流下，输出电流-电压特性的测量结果。可见当IB=0时，集电极和发射极间还存在一不为零的ICEO。假设基极的中性区域宽度(W)为定值时，在共射组态的理想晶体管中，固定的IB下，且VEC0(即处于放大区)时，IC与VEC不相关。双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性放大放大现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3232为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 但实际上，基极中的空间电荷区会随着VEC改变，使得基区的中性区域宽度(W)是VEC的函数，因此IC将与VEC相关。当VEC增大时，W减小，导致基区中的少数载流子浓度梯度增加，亦即使得扩散电流增加，因此IC也会增加。下图显示出IC随着VEC的增加而增加，这种电流变化称为厄雷效应，或称为基基区区宽宽度度调调制制效效应应，将集电极电流往左方延伸，与VEC轴相交，可得到交点，称为厄雷电压厄雷电压 VA。双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性CIECV0AVBI现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3333为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益例3：已知在一理想晶体管中，各电流成分为：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。求出共射电流增益0，并以0和ICBO表示ICEO，并求出ICEO的值。解：发射效率为 基区输运系数为共基电流增益为 因此可得 所以 双极型晶体管的静态特性双极型晶体管的静态特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3434为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益前面讨论的是晶体管的静态特性(直流特性)，没有涉及其交流特性，也就是当一小信号重叠在直流值上的情况。小信号意指交流电压和电流的峰值小于直流的电压、电流值。频率响应频率响应 高高频频等等效效电电路路：图(a)是以共射组态晶体管所构成的放大器电路，在固定的直流输入电压VEB下，将会有直流基极电流IB和直流集电极电流IC流过晶体管，这些电流代表图(b)中的工作点，由供应电压VCC以及负载电阻RL所决定出的负载线，将以一1/RL的斜率与VCE轴相交于VCC。双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性RL现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3535为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益下图(a)是此放大器的低频等效电路。图(b)表示在高频率的状况下，必须在等效电路中加上适当的电容。与正向偏压的p-n结类似，在正向偏压的射基结中，会有一势垒电容CEB和一扩散电容Cd，而在反向偏压的集基结中只存在势垒电容CCB，如所示。当一小信号附加在输入电压上时，基极电流iB将会随时间变动，而成为一时间函数，如右图所示。输入电流iB的变动使得输出电流iC跟着变动，而iC的变动是iB变动的0倍，因此晶体管放大器将输入信号放大了。双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性gEB现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3636为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益其中称为跨导(transconductance)称为输入电导(input conductance)。而基区宽度调制效应(厄雷效应)，将产生一个有限的输出电导。另外，基极电阻rB和集电极电阻rC也都列入考虑。图(c)是加入上述各器件后的高频等效电路。双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性gEB现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3737为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益截截止止频频率率：在右上图中，跨导gm和输入电导gEB与晶体管的共基电流增益0有关。在低频时，0是定值(0 1且0 1)，不会因工作频率而改变，然而当频率升高至一关键点后，0将会降低。右下图是一典型的共基电流增益相对于工作频率的示意图。加入频率参量后，共基电流增益为 其中0是低频(或直流)共基电流增益，f是共共基基截截止止频频率率，当工作频率f=f时，的值为0.707 0(下降3dB)。双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性51061071081091010101.010a0b10210310dB3abbfdB3afTf频率频率Hz/现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 3838为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益右图中也显示了共射电流增益，由上式可得 其中f称为共射截止频率 由于01，所以f f。另外，截止频率fT(又称特征频率)定义为|=1时的频率，将前式等号右边的值定为1，可得出 由于0 1且0 Qs时，晶体管工作于饱和区。IC对时间的变化显示在图(c)中。在导通的过程中，tt1时，QBt1时，QBQs，晶体管进入饱和模式，而发射极和集电极电流大致维持定值。图(d)显示在tt1时，空穴分布pn(x)与t=t1时平行，所以在x=0和x=W处的空穴浓度梯度即电流维持相同。在关闭的过程中，器件起初是在饱和模式下，直到QB降至Qs，重新回到放大模式。由t2到QB=Qs时的t3这段时间称为存储延迟时间。器件在t=t3后，IC以指数形式衰减到零。双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性（b b）t0)(2tQBBQSQ1t3tat2t现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4444为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 导通时间取决于能如何迅速地将空穴(p-n-p晶体管中的少数载流子)加入基极区域，而关闭时间则取决于能如何迅速地通过复合将空穴移除。晶体管开关时最重要参数是基区的少子寿命p。一个有效降低p、使转换变快的方法是加入接近禁带中点的产生-复合中心，使导通时迅速产生少子，关闭时迅速复合少子。双极型晶体管的频率响应与开关特性双极型晶体管的频率响应与开关特性现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4545为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 由于HBT发射区和基区是不同的半导体材料，它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响，当基区输运系数T非常接近1时，共射电流增益可表示为 异质结双极型晶体管(HBT)是指晶体管中的一个或两个结由不同的半导体材料所构成。HBT的主要优点是发射效率较高，其应用基本上与双极型晶体管相同，但HBT具有较高的速度，可以工作在更高的频率。因为其具有这些特性，HBT在光电、微波和数字应用上非常受欢迎。如在微波应用方面，HBT常被用来制造固态微波及毫米波功率放大器、震荡器和混频器。HBT的电流增益的电流增益：异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4646为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 发射区和基区中的少子浓度可写为 对n-p-n型晶体管，将 代入 可得 异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管发射区少子浓度。对于同质结晶体管，可通过重掺杂发射区以减小其数值基区少子浓度。对于同质结晶体管，可通过轻掺杂发射区以增加其数值发射区禁带宽度。对于异质结晶体管，EgE与pEO成反比，增大EgE使pEO数值减小，以增大和0基区禁带宽度。对于异质结晶体管，EgB与np0成反比，减小EgB使np0 数值增大，以增大和0现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4747为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 因此，由于HBT发射区和基区半导体材料的不同，它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响，且异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管 注意：发射区为宽禁带、基区为窄禁带半导体材料，才能实现对电流增益的提高。一般情况下，异质结晶体管的发射区和基区材料间具有很大的禁带宽度差Eg，发射效率和共射电流增益0可以提到很高。而同质结晶体管并无禁带宽度差存在，必须将发射区和基区的掺杂浓度比提到很高，这是同质结与异质结双极型晶体管最基本的不同处。现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4848为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 大 部 分 HBT的 技 术 都 是 在 AlxGa1-xAs/GaAs材料系统中发展的，右图是一个基本n-p-n型HBT结构。n型发射区是以宽禁带的AlxGa1-xAs组成，为了形成欧姆接触，在发射区接触和砷化铝镓层之间加了一层高掺杂浓度的n+型砷化镓。p+型基区是以窄禁带的GaAs组成。n型集电区和n型次集电区分别以低掺杂浓度和高掺杂浓度的GaAs组成。基本基本HBT结构结构异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管发射区和基区间的能带差在异质结界面上造成了一个能带偏移。事实上，HBT优异的特性是直接由价带在异质界面处的不连续所造成的。现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 4949为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益1.EV增加了射基异质结处价带势垒的高度，此效应使得HBT不必像同质结晶体管那样必须降低基区掺杂浓度以保证发射区和基区较高的掺杂浓度比，HBT可以使用较高掺杂浓度的基区，而同时维持极高的发射效率和电流增益；2.基区的高掺杂浓度可降低基区的方块电阻，且基区可以做得很薄而不需担心穿穿通通效效应应。穿通效应是指集基结的耗尽层往基极延伸，最后与射基结的耗尽层接触的现象。窄基区宽度可以降低基区渡越时间B，且增加截止频率，这正是人们期望的特性。异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管HBT表现出的性能优势：现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5050为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益二、硅/硅锗(Si/SiGe)系异质结，此系统有几项特性在HBT的应用中非常具有吸引力。1.如同砷化铝镓/砷化镓HBT，硅/硅锗HBT也因禁带宽度差可重掺杂基区而具有高速能力。2.硅界面具有低陷阱密度的特性，可以减少表面复合电流，确保在低集电极电流时，仍可维持高的电流增益。3.可与标准硅工艺技术相容。4.不足之处：与砷化镓系和磷化铟系HBT相比，截止频率低。(硅的载流子迁移率较低造成)一、磷化铟(InP)系(InP/InGaAs或AlInAs/InGaAs)异质结构有相当多的优点。1.InP/InGaAs结构具有非常低的表面复合，而且InGaAs的电子迁移率较GaAs高出很多，使基区渡越时间B大大降低，具有相当优异的高频性能，其截止频率可高达254GHz。2.InP集电极在强电场时比GaAs集电极具有更高的漂移速率，提高信号传输速度。3.InP集电极击穿电压亦比GaAs集电极高，抗击穿性能强。先进的先进的HBT异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5151为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益2.制作缓变基区，以将由发射区到基区的禁带宽度减小。将基区AlxGa1-xAs中的Al的摩尔比率x由0.10作线性变化就可以实现缓变基区。其中存在一内建电场Ebi于准中性基区内，降低少子的基区渡越时间B，增加了HBT的共射电流增益与截止频率。在前面基本HBT的能带图中，导带上的能带不连续EC迫使异质结中的载流子必须以热电子发射或隧穿的方法才能越过势垒，因而降低发射效率和集电极电流，是我们所不希望的。此缺点的克服由如下方式达到：1.制作缓变层异质结，消除EC，下图显示一缓变层加在射基异质结中的能带图，缓变层的厚度为Wg。先进的先进的HBT异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5252为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 一个四层p-n-p-n器件，由3个串接的p-n结J1、J2、J3组成。与接触电极相连的最外一p层称为阳极，另一边的n层称为阴极。这个没有额外电极的结构是个两瑞点的器件，被称为p-n-p-n二极管。在p-n-p-n二极管的基础上，在内层的p2层上引出第三端电极，构成的三端点器件一般称为可控硅器件。引出的第三端电极为栅极。可控硅器件的用途：1.是一种非常重要的功率器件，对电流、电压的控制范围很广，可控制高电压(额定电压可超过10000V)和高电流(额定电流超过5000A)；2.用于开关控制，即：使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然；3.其工作与双极型晶体管的相同之处：传导过程皆牵涉到电子和空穴，不同之处：开关机制和结构。基本特性基本特性：可控硅器件及相关功率器件可控硅器件及相关功率器件 现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5353为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 制作过程：图(b)是一典型的可控硅器件掺杂浓度分布图，首先选一高阻值的n型硅片当作起始材料(n层)，再以一扩散步骤同时形成p1和p2层，最后用合金或扩散，在硅片的一边形成n2层。能带图：图(c)是可控硅器件在热平衡状态下的能带图；其中每一个结都有耗尽层，其内建电势由掺杂浓度决定。可控硅器件及相关功率器件可控硅器件及相关功率器件 AK1J2J3J1p2p1n2n2010201020102010阴极阴极阳极阳极（a a）0=xWx=掺掺杂杂浓浓度度VECECEVE)(b)(c现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5454为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益(1)-(2)：器件处于负电阻区域，也就是电流随电压急骤降低而增加。(2)-(3)：器件处于正向导通或开启状态，具有低阻抗，在点2处dV/dI=0，定义保持电流Ih和保持电压Vh。(0)-(4)：器件处于反向阻断状态。(4)-(5)：器件处于反向击穿状态。p-n-p-n二极管电流-电压特性，其展现出五个不同的区域：(0)-(1)：器件处于正向阻断或是关闭状态，具有很高的阻抗；正向转折(或开关)发生于dV/dI0；在点1定义正向转折电压VBF和开关电流Is。高阻抗低电流的关闭状态 低阻抗高电流的开启状态可控硅器件及相关功率器件可控硅器件及相关功率器件 因此，p-n-p-n二极管在正向区域是个双稳态器件：现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5555为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益p-n-p-n二极管可视为用特殊方式连接在一起的pnp (a1)和npn (a2)晶体管，基极连接对方的集电极。pnp晶体管(共基电流增益为1)的基极电流为：npn晶体管(共基电流增益为2)的基极电流为：Ep1p2n1p2n2n1BCEBCII(a1)(a2)RIB1=IC2IC1=IB2IB1=IE1-IC1=(1-1)IE1-I1=(1-1)I-I1IC2=2IE2+I2=2I +I2 式中I1=ICBO 晶体管1式中I2=ICBO 晶体管2由IB1=IC2可得I=I1+I2 1-(1+2)可见(1+2)之和与电流 I 具有函数关系，且一般随 I 的增加，(1+2)之和也会增加，当(1+2)1时，I 会无限制地增加，使器件处于正向转折状态。现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5656为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益IAKVBFVhVsIhIBRV)0()1()2()3()4()5(正向导通正向导通正向阻断正向阻断反向阻断反向阻断AK1J2J3J1p2p1n2nIAK1J2J3J1p2p1n2nIAK1J2J3J1p2p1n2nIAK1J2J3J1p2p1n2nI热平衡正向阻断p-n-p-n二极管偏压在不同区域时，其耗尽区宽度发生变化。正偏正偏反偏正向导通正偏正偏正偏反向阻断正偏反偏反偏反向击穿电压由 J1 决定，由于n1的掺杂浓度最低。现代半导体器件物理现代半导体器件物理天津工业大学天津工业大学双极型晶体管及相关器件双极型晶体管及相关器件 5757为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益 图(a)是一个以平面工艺制造、具有栅极电极连接到p2区域的可控硅器件，图(b)是沿着虚线切开的横截面图。可控硅器件的电流-电压特性与p-n-p-n二极管类似，但多了Ig，当栅极电流增加时，可以增加(1+2)之和，降低产生正向转折的电压VBF。可控硅器件及相关功率器件可控硅器件及相关功率器件 IAKVBFVhVsIhIBRV)0()1()2()3()4(