集成电路测试技术.ppt

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1、第二章 p-n结二极管结二极管 什么是p-n结?p-n结中的空间电荷层、势垒高度和势垒厚度 非平衡的p-n结 p-n结的耗尽层电容 p-n结的直流特性 p-n结的交流小信号特性和扩散电容 p-n结的开关特性 p-n结的击穿特性附 Schottky二极管和欧姆接触 p-n 结中的电荷和电场（热平衡情况）*空间电荷层 空间电荷的产生？空间电荷密度的分布为 (x)=q(p n+ND NA)q(ND NA ).*内建电场 E(x)d2/dx2=-(x)/,E(x)=-d/dx ；内建电场的分布决定于掺杂 浓度的分布.最大电场Em在冶金界面处。np电场 EEm电子能量Eix0-xPWqVbiEFxn突变

2、突变p-n结的内建电场、内建电势和空间电荷层宽度结的内建电场、内建电势和空间电荷层宽度在空间电荷区,采用耗尽层近似有 d2/dx2=-(x)/-q(ND NA)/,对 xP x 0,d2/dx2=q NA /,对 0 x xn,d2/dx2=-q ND/;利用耗尽层边界和外面电场为0的条件,得到耗尽层内的电场分布为 E(x)=-d/dx=q NA(x+xP)/,(xP x 0),E(x)=-d/dx=q ND(x-xn)/,(0 x xn);则最大电场出现在 x=0 处:Em=(q NA xP)/=(q ND xn)/.由E(x)可求出内建电势为 Vbi=q NA(xP)2/2+q ND(xn

3、)2/2=Em W/2.突变突变p-n 结中的内建电势和耗尽层宽度（热平衡情况）*内建电势 Vbi 势垒高度 q Vbi:电场分布E(x)曲线下的面积就是内建电势 Vbi=-E(x)dx =Em W/2 .*耗尽层宽度 W 势垒宽度:W=xn+xP =2(NA+ND)Vbi/(q ND NA)1/2.势垒宽度W 与势垒高度 q Vbi 直接有关.p-n结的势垒高度和势垒宽度都由其中的电场分布来决定;势垒高度增加,势垒宽度也相应增厚.-xPxn 由于由于 ，故得，故得 Vbi 与掺杂浓度、温度及半导体的种类有关。在通常的掺杂与掺杂浓度、温度及半导体的种类有关。在通常的掺杂范围和室温下，范围和室温

4、下，硅的硅的硅的硅的 V Vbi bi 约为约为约为约为 0.75V0.75V，锗的，锗的，锗的，锗的 V Vbi bi 约为约为约为约为 0.35V0.35V。突变突变p-n 结中的内建电势 p-n 结的能带图（热平衡情况）WEND-NAND-NAE线性缓变p-n结突变p-n结例例1 1对硅突变p-n结,已知NA=1018 cm-3,ND=1015 cm-3.求出300K时的内建电势.解:因为 ni2=pP0nP0=NA nn0 exp(-qVbi/kT)=NA ND exp(-qVbi/kT),则 Vbi=(kT/q)ln(NA ND/ni2)=0.0259ln10181015/(1.45

5、 1010)2 =0.755 V.例例2 2对硅单边突变p-n结,已知NA=1019 cm-3,ND=1016 cm-3.求出300K时的耗尽层宽度和0偏下的最大电场.解:因为 Vbi=0.0259 ln10191016/(1.45 1010)2=0.874 V,则 W=2 Vbi/q ND 1/2=2128.8510-12F/m0.874V/1.610-19C 1016 m-3 1/2 =3.37 10-5 cm=0.337 m;Em=q ND W/=5.4 104 V/cm.2.2 非平衡状态下的 p-n 结及势垒电容*加正向电压VF 时:势垒高度由 q Vbi 降低到 q(Vbi VF)

6、;势垒宽度也相应减薄.*加反向电压VR 时:势垒高度由 q Vbi 升高到 q(Vbi+VR);势垒宽度也相应增厚.凡是与凡是与(Vbi)有关的量有关的量,只要把其中的只要把其中的(Vbi)改换成改换成(Vbi V)后后,就可把热平衡下的关系推广到非平衡态就可把热平衡下的关系推广到非平衡态.q(Vbi-VF)q VFq(Vbi+VR)q VR(正向偏置)(反向偏置)1.1.势垒电容的定义势垒电容的定义势垒电容的定义势垒电容的定义 当外加电压有当外加电压有(-V)的变化时，势垒区宽度发生变化的变化时，势垒区宽度发生变化，使势垒区中的空间电荷也发生相应的使势垒区中的空间电荷也发生相应的 Q 的变化

7、。的变化。P区区N区区 PN 结势垒微分电容结势垒微分电容 CT 的定义为的定义为 简称为简称为 势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容。（2-126）2.2.突变结的势垒电容突变结的势垒电容突变结的势垒电容突变结的势垒电容 根据根据势垒电容的定义，势垒电容的定义，对于对于 P+N 单边突变结，单边突变结，对于对于 PN+单边突变结，单边突变结，可见，可见，C CT T 也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。PN 结的结的 小信号交流导纳小信号交流导纳小信号交流导纳小信号交流导纳 为为 在在 的情况下，由近似公

8、式的情况下，由近似公式 ，得，得其中，其中，就是，就是 PN 结的结的 扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容 由上式可见，由上式可见，CD 与正向直流偏流成正比，即与正向直流偏流成正比，即，为，为 PN 结的结的 直流增量电导直流增量电导直流增量电导直流增量电导 2.4 PN 结的交流小信号特性与扩散电容结的交流小信号特性与扩散电容 对于对于 P+N 单边突变结，单边突变结，可见可见可见可见 C CD D也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。也是取决于低掺杂一侧的杂质浓度。N 区：（同时产生）区：（同时产生）扩散电容的物理意义扩散电容的物理

9、意义P 区：（同时产生区：（同时产生 ）P区区N区区势垒电容与扩散电容的比较势垒电容与扩散电容的比较势垒电容与扩散电容的比较势垒电容与扩散电容的比较 势垒区中电离杂质电荷随外加电势垒区中电离杂质电荷随外加电压的变化率；压的变化率；正负电荷在空间上是分离的；正负电荷在空间上是分离的；与直流偏压成幂函数关系；与直流偏压成幂函数关系；l正偏反偏下均存在，可作电容正偏反偏下均存在，可作电容器使用；器使用；要使要使 CT，应使应使 A，xd （N,反偏反偏）。）。中性区中非平衡载流子电荷随中性区中非平衡载流子电荷随外加电压的变化率；外加电压的变化率；正负电荷在空间上是重叠的；正负电荷在空间上是重叠的；与

10、直流电流成线性关系，与直与直流电流成线性关系，与直流偏压成指数关系；流偏压成指数关系；只存在于正偏下；只存在于正偏下；要使要使 CD，应使，应使 IF（A，正正偏偏），），。注入的少数载流子：浓度分布和扩散电流浓度分布和扩散电流(正向偏置)(反向偏置)ppnn+-+JnJPnPpnpnnPJnJPJPJPJnJn电流密度电流密度浓度分布浓度分布JJpn0pn0nP0nP02.3.2 p-n结的直流特性*理想p-n结的I-V特性 “理想理想”:非简并半导体;小注入;耗尽层近似;势垒区无复合中心影响.电流与电压有整流特性整流特性关系:(纯粹是少数载流子扩散的电流！)J JP+Jn JS exp(q

11、V/kT)1 反向饱和电流密度反向饱和电流密度 JS =(q DP pn0/LP)+(q Dn nP0/Ln)=q (DP/LP ND)+(Dn/Ln NA)ni2 ni2.通过理想p-n结的电流,无论是正向电流,还是反向电流,都是少数载流子的扩散电流;是注入的少数载流子在中性区扩散形成的电流,有效范围是少数载流子的扩散长度大小.1.影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素偏离情况：反向电流较大且不饱和；正向电流较小时，实际电流大于理论值。(a)段正向电流较大时，实际值比理论值小，有Jexp(qV/2k0T)的关系 (c)段在更大的电流时，电流电压不再是指数关系，而是线性关系。(d)段 2

12、.3.2 实际p-n结的I-V特性 当当 V=0 时，时，Jgr=0 当当 V kT/q 时，时，当当 V kT/q 时，时，a.a.势垒区产生复合电流势垒区产生复合电流 复合电流产生电流正偏反偏 2 2、实际、实际pnpn结中势垒区产生结中势垒区产生-复合电流复合电流当外加正向电压当外加正向电压且且 V kT/q 时，时，当当 V 比较小时，以比较小时，以 Jr 为主；为主；当当 V 比较大时，以比较大时，以 Jd 为主。为主。对于硅对于硅 PN 结，当结，当 V 0.45V 时，以时，以 Jd 为主。为主。b、扩散电流与势垒区产生复合电流的比较、扩散电流与势垒区产生复合电流的比较(P+N

13、结为例结为例)实际pn结中电流小结 通过通过p-n结的三种电流成分结的三种电流成分 (不考虑p-n结电容的效应):少数载流子的扩散电流 I扩散=IS exp(q V/kT)1 ,IS =(q A DP pn0/LP)+(q A Dn nP0/Ln)=q A (DP/LP ND)+(Dn/Ln NA)ni2.势垒区中的复合电流(在低的正向电压时重要)I复合=(q A ni W/2r)exp(q V/2kT).势垒区中的产生电流(在反向电压时重要)I产生=(q A ni W/g).大注入效应大注入效应:-大注入是指正偏工作时注入载注子密度等于或高于平衡态多子密度的工作状态。A.大注入时边界处的少子

14、浓度大注入时边界处的少子浓度:大注入时有 pn(xn)nn,nP(-xP)pP,代入到 pn=ni2 exp(q V/kT)中,得到大注入时的边界条件为:pn(xn)=ni exp(qV/2kT),nP(-xP)=ni exp(qV/2kT).与电压的关系变小(由kT2 kT);B.B.大注入自建电场大注入自建电场:使少子扩散系数加倍;用2D代替D;用ni exp(qV/2kT)代替 pn0 exp(qV/kT)或 nP0 exp(qV/kT).得到大注入时的电流 exp(qV/2kT),即在大电流下电流随电压增加的速率减小.C.串联电阻压降IR:使势垒上的电压实际降低为(V-IR),这在电流

15、很大时影响十分显著.2.3.4 大注入时p-n结的I-V特性 这相当于空穴电流仍只由扩散电流构成，这相当于空穴电流仍只由扩散电流构成，但扩散系数扩大但扩散系数扩大但扩散系数扩大但扩散系数扩大了一倍。了一倍。了一倍。了一倍。这个现象称为这个现象称为 WebsterWebster 效应效应效应效应。大注入条件下的大注入条件下的 PN 结电流结电流 将大注入自建电场将大注入自建电场代入代入空穴电流密度方程，得空穴电流密度方程，得 由此可见，当发生大注入时，由此可见，当发生大注入时，PN 结的电流电压关系为结的电流电压关系为 这时，这时，PN 结的结的 lnI V 特性曲线的斜率，将会从特性曲线的斜率

16、，将会从 小注入时的小注入时的小注入时的小注入时的 (q q/kT kT)过渡到过渡到过渡到过渡到 大注入大注入大注入大注入时的时的时的时的 (q q/2 2kT kT)。*理想p-n结的小信号等效电路 耗尽层电容 CJ =A/W .扩散电容 CD =A(q/kT)(q LP pn0/2)+(q Ln nP0/2)exp(qV0/kT).扩散电导 GD =A(q/kT)(q DP pn0/LP)+(qDn nP0/Ln)exp(qV0/kT).GDCDCJVI2.5 p-n结的开关特性*开态 注入非平衡少数载流子 等量的过剩电子电荷和过剩空穴电荷的存储:注入电流 IF 越大,少子寿命越长,存储

17、的电荷也就越多.*瞬变过程 开启过程较快,则开关时间主要决定于从开态到关态的过程:反向电流恒定阶段(存储时间ts的过程):处于反向低阻状态;存储电荷通过反向 抽取和自身复合而减少;存储时间为 ts =P ln(1+IF/IR).反向电流衰减阶段(下降时间tf的过程):已进入反向高阻状态;是p-n结上反向 偏压逐渐上升、势垒电容充电的过程;可有 tf (P+R CJ).tstfIF-IRtI 曲线曲线 1 4 为存储过程，即为存储过程，即 ts 期间，期间，这期间这期间 Ir 变化不大。变化不大。E1-E2 I 0 ts*提高开关速度的措施 减短少数载流子寿命减短少数载流子寿命 (引入Au等复合

18、中心杂质 或缺陷);减短基区的长度减短基区的长度 (等效于使P);在线路上在线路上,使使 IF 小小 (存储电荷少),使使IR大大 (存储电荷消失快);彻底彻底避免电荷存储避免电荷存储 (如采用多数载流子工作的 金属-半导体接触的二极管).t=0t=tsxpn(x)p-n结的关断过程结的关断过程(少子存储电荷的衰减过程少子存储电荷的衰减过程)t=tf 2.6 PN 结的击穿结的击穿 雪崩倍增雪崩倍增 隧道效应隧道效应 热击穿热击穿 击穿现象击穿现象击穿机理：击穿机理：电击穿电击穿*两种击穿机理 隧道击穿隧道击穿(Zener击穿):是量子隧穿效应;击穿电压主要与势垒区的电场、掺杂浓度、势垒高度和

19、势垒厚度有关.雪崩击穿雪崩击穿:是热载流子碰撞电离、倍增的效应;击穿电压主要由载流 子从电场所获得的能量来决定.击穿效应的利用:例如 稳压二极管,反向二极管,IMPATTD,APD.(隧穿效应隧穿效应)(雪崩倍增雪崩倍增)两种击穿机理的比较 隧道击穿隧道击穿击穿电压主要决定于势垒区的 电场;击穿电压与外激发(使势垒区载 流子数目增加)关系不大;击穿电压为负温度系数(温度时,Eg,击穿电压);击穿电压很低(一般是 6V).附 Schottky势垒势垒金 属金 属qsqqmqVbiqn金 属qVbiqnqqm理想的M-S接触(热平衡)实际的M-S接触(热平衡)qo第三章第三章 双极型晶体管双极型晶

20、体管（BJT）基本工作原理直流特性双极型晶体管模型频率特性功率特性开关特性异质结双极型晶体管晶闸管 3.1 双极结型晶体管工作原理 PN 结正向电流的来源是多子，所以正向电流很大；反向电流的来源是少子，所以反向电流很小。如果给反偏 PN 结提供大量少子，就能使反向电流提高。给反偏 PN 结提供少子的方法之一是在其附近制作一个正偏 PN 结，使正偏 PN 结注入的少子来不及复合就被反偏 PN 结收集而形成很大的反向电流。反向电流的大小取决于正偏 PN 结偏压的大小。通过改变正偏通过改变正偏 PNPN 结的偏压来控制其附近反偏结的偏压来控制其附近反偏 PNPN 结的电流的结的电流的方法称为方法称为

21、 双极晶体管效应双极晶体管效应.由此发明的双极结型晶体管获得了诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖。*基本结构*构成:由2个p-n结(集电结、发射结)背靠背组成,形成 n-p-n 或 p-n-p 三层结 构(三个区：发射区-基区-集电区，三个电极：发射极-基极-集电极).放大工作时:发射结正偏(则发射结电阻re很小);集电结反偏(则集电结 电阻rC 很大).制造:Si晶体管常采用平面工艺(外延,氧化,光刻,扩散,).低阻衬底外延层外延层(集电区)EBBC(基区)(发射区)n+pnECBBCEVBE+VBCRLICIEIBqVBEqVBCCBE要点：re RL rc；基区宽度 NB；要减小要减小 Inr，就

22、应使，就应使 WB LB。BJT中的电流成分：(设发射结耗尽层中的复合电流为IE R）IE=IE n+IE p+IE R，IC=IC n+ICBO，IB=IE p+IE R+（IE n ICn）ICBO，IE=IC+IB 。电流增益：共基极(输出直流短路)电流增益 0 hFB=IC n/IE=T，注射效率 IE n/IE，输运系数T IC n/IE n；则 IC=0 IE+ICBO .共发射极(直流短路)电流增益 0 hFE=IC/IB=0/(10)，ICEO=ICBO/(10)=(1+0)ICBO,则 IC=0 IB+ICEO.3.2.2 均匀基区晶体管中载流子浓度分布均匀基区晶体管中载流子

23、浓度分布 （1）基区必须很薄，即）基区必须很薄，即 WB NB 。可利用。可利用 发射结注入效率发射结注入效率发射结注入效率发射结注入效率 对其进行对其进行定量分析。定量分析。本节的讨论以本节的讨论以 PNP 管为例。管为例。载流子分布 Carrier distribution3.2.2 理想BJT中载流子浓度的分布：*中性中性基区基区(0W)中电子的分布中电子的分布:np(x)=np0+nP0(expqVBE/kT1)sinh(W-x)/Ln/sinh(W/Ln)+nP0(expqVBC/kT1)sinh(x/Ln)/sinh(W/Ln),在WkT/q的有源放大区,可简化为 np(x)np0

24、+nP0 expqVBE/kT (1-x/W)=np0+nP(0)(1-x/W),这时基区少子浓度的分布由发射结处的最大值nP(0)而线性下降到集电结边缘处的0.*同样,可求出E区和C区中的少子分布pE(x)和pC(x)与电压的关系.3.2.3 理想(均匀基区)BJT的电流电压关系电流正向反向Electron FlowHole Flow一、理想BJT中载流子浓度的分布：*中性中性基区基区(0W)中电子的分布中电子的分布:在WLn时近似为线性分布:np(x)np0+nP0(exp q VBE/k T 1)(1-x/W)+nP0(exp q VBC/k T 1)(x/W);*E区和C区中的少子分布

25、pE(x)和pC(x)与电压的关系.二、理想BJT的电流pnp结:基区内电子浓度分布：理想BJT：假定发射区、基区和集电区都是均匀掺杂，小注入，耗尽区内无产生-复合电流，器件中不存在串联电阻。x0-XEWXC集电极电流：发射极电流：考虑薄基区，考虑薄基区，WB LB，可得：，可得：E区和C区中的少子分布pE(x)和pC(x)：注入发射区和集电区的空穴电流注入发射区和集电区的空穴电流分别为：三、电流基本方程npn管所有工作状态普遍适合的方程：(规定注入晶体管的电流为正)a i j参数:a 11=-q A (Dn/NBW)+(DPE/NELE)ni2;a 12 -q A(Dn/NBW)ni2;a

26、21=a 12;a 22=-q A (Dn/NBW)+(DPC/NCLC)ni2.小结 理想BJT的电流电压关系：*根据 np(x),即可求得扩散流过E结的电子电流 IE n 以及扩散流过C结的 电子电流 IC n分别与电压的关系;并且在一定电压下,窄基区晶体管的 电流为常数(因为这时少子浓度的梯度等于常数).*由pE(x)和pC(x),可得到注入E区和C区的空穴电流IEP和ICP与电压的关系.*输入和输出伏安特性为(a i j 为与材料和结构有关的参数):IE =IE n+IE p=a11exp(qVBE/kT)-1+a12exp(qVBC/kT)-1,IC =IC n+IC p=a21ex

27、p(qVBE/kT)-1+a22exp(qVBC/kT)-1,IB =IE-IC=(a11-a21)exp(qVBE/kT)-1 +(a12-a22)exp(qVBC/kT)-1,*可求得电流增益o 和o 与材料和结构参数之间的关系.3.2.4 BJT的放大工作状态的分析 一、四种工作状态 放大状态放大状态 E结正偏,C结反偏.截止状态截止状态 E结反偏(或0偏),C结反偏;2个结流过的是反向 电流(IB=ICBO+IEBO);为大电压、小电流的状态.饱和状态饱和状态 E结正偏,C结正偏(或0偏);为低电压、大电流的状态,IC基本上不随输入电流IB而变化(IC VCC/RL).反向放大状态反向

28、放大状态 E结反偏,C结正偏.即把器件反向使用,C结的注射 效率通常很低.VBEVBC+0反向态截止态放大态饱和态 定义：定义：定义：定义：基区中到达集电结的少子电流基区中到达集电结的少子电流 与与 从发射区注入基区从发射区注入基区的少子形成的电流之比，的少子形成的电流之比，称为称为 基区输运系数基区输运系数基区输运系数基区输运系数，记为，记为 。对于。对于 PNP 管，为管，为 由于少子空穴在基区的复合，使由于少子空穴在基区的复合，使 JpC JpE ，。3、基区输运系数、基区输运系数对于npn管，基区输运系数：(x 很小时很小时)式中，式中，即代表了少子在基区中的复合引起的电流即代表了少子

29、在基区中的复合引起的电流亏损所占的比例。要减少亏损，应使亏损所占的比例。要减少亏损，应使 WB，LB。4.发射结注入效率发射结注入效率 定义：定义：定义：定义：从发射区注入基区的少子形成的电流从发射区注入基区的少子形成的电流 与与 总的发射极总的发射极电流之比，称为电流之比，称为 注入效率注入效率注入效率注入效率（发射效率发射效率发射效率发射效率），记为，记为 。对于。对于 PNP 管，管，为为 发射结的注射效率：当当 WB LB 及及 WE NB ，即（，即（NB/NE）0,VBC 0)IE a11exp(qVBE/kT)-1+a12,IC a21exp(qVBE/kT)-1+a22;IC=

30、(a21/a11)IE+a22-(a21 a12/a11)0 IE+ICBO,则 0=(a21/a11)1/1+(E W/BLpE)1-(W2/2LnB2),=1/1+(E W/B LpE),T=1(W2/2LnB2);对于浅发射结(WE kT/q 时,IE 将集中在发射结边缘附近 电流 集边效应(基极电阻引起的横向电压所致),使得发射极有效宽度减小(存 在发射极有效条宽).影响影响：发射结边缘处电流密度易产生基区电导调制效应和基区展宽 效应,同时使发射结的有效利用面积晶体管最大电流容量取决于发射极周长存在发射极单位周长电流容量,极大地影响晶体管的功率特性.*降低电流集边效应的方法降低电流集边

31、效应的方法 限制电流(因为大电流时容易产生集边效应);基区掺杂NB不能太低;采用高的发射极周长/面积比的结构(梳状结构有很高的周长/面积比).(3)非理想BJT的Early效应(基区宽度调制效应基区宽度调制效应):*现象现象 在放大态,VCB变化 C结宽度变化 基区宽度W变化 Early效应.该效应将使增益变化和输出电阻降低.*Early电压电压 因为 IC IEn,则有 =-Ic pp(W)-Ic/VA,其中VA称为Early电压:VA =Pp(x)dx =QB/Cjc,基区多子电荷总量QB=qA pp(x)dx,=Cjc (C结小信号电容)1pp(x)dxWVBC pp(W)W/VBC W

32、0W0dQBdVBC ICVBC 0W*Early电压电压VA 的图解确定的图解确定 因VA与VCB近似无关,故VA常取VCB=0 时的值;再根据 =，即可由共发射极 输出特性曲线来 确定 VA.d ICdVBC ICVA0-VAVCEIE=0IE 0,VBC=0ICVCEICIC(4)非理想BJT的Kirk效应(基区展宽效应基区展宽效应)*现象:在大电流时,基区发生展宽的现象即为Kirk效应.*影响:基区存储少子电荷增加;0下降;频率特性变差.严重 影响晶体管的高频功率特性.*改进方法:保证 “集电极电流密度 临界电流密度 Jco q vs NC”.提高C区掺杂浓度;减小C区厚度;设定集电极

33、最大允许工作电流.B(p)C(n)势垒区xE？(5)非理想BJT的Webster效应(基区电导调制效应基区电导调制效应):*现象现象:当VBE 较大、大注入电子时 基区中也有大量的空穴积累(并维 持与电子相同的浓度梯度),这相当于增加了基区的掺杂浓度,使基区电阻 率下降 基区电导调制效应 注射效率降低,0下降 Webster效应.*电阻率的变化电阻率的变化:若原来p型基区的电阻率为 0 (q p NB)-1,大注入时,pP=NB+p=NB+n,则电阻率变为 =q p(NB+n)-1 =0 NB /(NB+n).可见:大注入可使电阻率大大降低,而且注入越大,降低得越多.这对大电 流状态下工作的均

34、匀基区晶体管的影响特别严重(是引起大电流0下降 的主要原因).0 IC 的关系曲线:小电流时,0 随 IC 的增大而上升(0 IC (1-1/m);中等电流时,0 与 IC 无关;大电流时,0 随 IC 的增大而下降(0 1/IC,Webster效应+Kirk效应).注:均匀基区的合金管容 易发生Webster效应;而缓变基区的平面管 容易发生Kirk效应.IC0E结复合等电流大注入3.3.3 非理想BJT的击穿效应(击穿电压击穿电压BV):*击穿电压击穿电压 是集电极反向电流急剧增加时的反向VCB 或 VCE值.大多为雪崩击穿.通常需要定义和测量下列击穿电压：BVCBO：发射极开路，集电极基

35、极击穿电压BVEBO：集电极开路，发射极基极击穿电压 BV BVCEoCEo：基极开路时，C-E之间的击穿电压.由于内部产生机构不同，BJT的击穿电压按以下两种情况分别讨论。1.BJT的两个PN结中，一个结反偏，另一个PN结处于不同状态时的雪崩击穿或隧道击穿。2.基区穿通。在未出现雪崩击穿或隧道击穿条件下，集电结或发射结上反偏电压增加到一定数值时，由于空间电荷区的展宽，导致发射结和集电结在基区穿通.习惯上将此时的外加电压称为击穿电压。*击穿特性击穿特性 有硬击穿、软击穿，甚至有负阻型的击穿.非理想BJT的穿通效应(穿通电压穿通电压VPT):中性区被耗尽，能带图显示穿通状态EB barrier

36、lowered by VCEWhen punch-through happens,there is no flat-band region in base(no quasi-neutral)potential barrier seen by hole before punch-through*基区穿通电压基区穿通电压 是基区宽度减小到0时的VCB值.因基区穿通后,发射结即变为反偏而 引起雪崩击穿,则晶体管的耐压受到此穿通电压的限制:BVCBo =BVEBo+VPT=BVCEo.在基区宽度小和掺杂低时,容易发生穿通而非雪崩击穿.对均匀基区晶体管有:VPT (q/2)(NB/NC)(NB+NC)W

37、B2.*外延层穿通电压外延层穿通电压 是双扩散外延平面晶体管中发生外延层穿通时的VCB电压.一旦穿通后,与低阻衬底构成的 p+-n+结随即发生击穿.为了防止外延层穿通,外延层的厚度应该足够大.例：试确定集掺杂浓度和集电区宽度，以满足穿通电压的要求。有一均匀掺杂的硅双极晶体管，基区宽度为0.5m，NB1016cm-3,穿通电压期望值为25V。共基极情况l 正向有源模式(Active mode)是 BEJ 正偏，CBJ 反偏。l 饱和发生在BEJ 正偏，CBJ 正偏。l 当IE=0,器件工作在截止状态,IC 是集电结的反向漏电流.3.3.4 3.3.4 晶体管的输出特性晶体管的输出特性晶体管的输出

38、特性晶体管的输出特性共发射极l 饱和状态发生在发射结和集电结均正偏的情况下。l 正向有源模式对于线性放大器中是最有用的。l 饱和模式和截止模式对于开关器件中最有用的。当当 VBC =0 时，时，在放大区，在放大区，VBC 0，且当，且当 时，时，I ICBOCBO 代表发射极开路代表发射极开路(IE=0)、集电结反偏、集电结反偏(VBC 0)时的时的集电极电流，称为共基极反向截止电流。集电极电流，称为共基极反向截止电流。式中，式中，当当 VBC=0，或，或 VBE=VCE 时，时，在放大区，在放大区，VBC 0，或，或 VBE VCE，I ICEOCEO 代表基极开路代表基极开路(IB=0)、

39、集电结反偏、集电结反偏(VBC ICBO IB增加,IC=0 IB 增大.VCE增大时,由于Early效应,使0增大,则特性曲线是倾斜的.当VCE降低到C结为正时,C结收集能力下降,IC即迅速减小.一、正向有源区 (VBE0,VBC0)电路模型二、反向有源区(VBE0)IE:电子从集电极注射到基极,被发射极收集IB:空穴从基区注射到集电区，在集电区中与电子复合三、截止区(VBE0)IE:E区的空穴注射到B区.IC:C区的空穴注射到B区。这里有少量的漏电流(10-12A)四、饱和区(VBE0,VBC0)IC,IE:平衡下，电子由C区到B区和E区到B区的电流。IB:空穴注射到E/C,分别与 E/C

40、中发生复合基极电流变化时，集电极电流没有变化.3.4 BJT的的频率特性频率特性 当晶体管对高频信号进行放大时，首先用被称为当晶体管对高频信号进行放大时，首先用被称为“偏置偏置偏置偏置”或或“工作点工作点工作点工作点”的直流电压或直流电流使晶体管工作在放大区，的直流电压或直流电流使晶体管工作在放大区，然后然后 把欲放大的高频信号叠加在输入端的直流偏置上把欲放大的高频信号叠加在输入端的直流偏置上把欲放大的高频信号叠加在输入端的直流偏置上把欲放大的高频信号叠加在输入端的直流偏置上。当当 信号电压的振幅远小于信号电压的振幅远小于信号电压的振幅远小于信号电压的振幅远小于 (kTkT/q q)时，称为时

41、，称为 小信号小信号小信号小信号。这时。这时晶体管内与信号有关的各电压、电流和电荷量，都由直流偏置晶体管内与信号有关的各电压、电流和电荷量，都由直流偏置和高频小信号两部分组成，其高频小信号的振幅都远小于相应和高频小信号两部分组成，其高频小信号的振幅都远小于相应的直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成的直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成 线性关系线性关系线性关系线性关系。跨导：跨导：跨导：跨导：代表集电极电流受发射结电压变化的影响，也称晶体管代表集电极电流受发射结电压变化的影响，也称晶体管的的 转移电导转移电导转移电导转移电导 。根据发射极增量电阻根据发射极增量电阻 re 的表达式，的表达式

42、，gm 与与 re 之间的关系为之间的关系为 由直流电流电压方程，当集电结反偏时，跨导可表为由直流电流电压方程，当集电结反偏时，跨导可表为：3.4.1 BJT的小信号交流等效电路:输入电导：输入电导：gBE=IB/VBE=(IC/0)/VBE=gm/0.共基极交流输出短路电流放大倍数：电流增益ffffT00=13dB3dB共发射极交流输出短路电流放大倍数：电流增益的数值常用分贝（dB）表示，即1.共发射极输出端交流短路时高频小信号电流放大倍数：共发射极输出端交流短路时高频小信号电流放大倍数：VBEgmVBEEECB1/gBECECrBiB iCB高频等效电路=gBE/(CE+C),C=(1+r

43、C gm)Cjc.3.4.2 BJT的频率参数:共发射极截止频率共发射极截止频率f f=/2=(1/2)F +(kT/qIC)(CjE+Cjc)+C Cjc-1.共基极截止频率共基极截止频率f 可由f来求得:f=(0+1)f.特征频率特征频率fT 为=1 时的频率.fT 0 f=(0/2)F+(kT/qIC)(CjE+Cjc)+C Cjc-1.在 f f 时有 f =0 f=fT.最高振荡频率最高振荡频率fm fm=fT /8(rB+fT L)Cjc fT 8rB fT Cjc-1/2.在 f fT 时有 f Gp1/2=fm ,故也称fm为功率增益-带宽乘积.称为称为 信号延迟时间信号延迟时

44、间信号延迟时间信号延迟时间，代表信号从，代表信号从发射极到集电极总的有效渡越时间，则发射极到集电极总的有效渡越时间，则 可写为可写为令令 定义：定义：定义：定义：当当 下降到下降到 时的角频率和频率分别称为时的角频率和频率分别称为 的截止角频率的截止角频率的截止角频率的截止角频率 和和和和 截止频率截止频率截止频率截止频率，记为，记为 和和 ，即，即 共发射极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率共发射极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率共发射极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率共发射极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率 的截止角频率的截止角频率的截止角频率的截止角频率 和和和和

45、截止频率截止频率截止频率截止频率，记为，记为 和和 ，即，即 定义：定义：定义：定义：当当 下降到下降到 时的角频率和频率分别称为时的角频率和频率分别称为这时这时 又可表为又可表为 随频率的变化随频率的变化随频率的变化随频率的变化 在此频率范围内，在此频率范围内，ic 比比 ib 滞后滞后 900，且，且 与与 f 成反比，成反比，即即 频率每加倍，频率每加倍，频率每加倍，频率每加倍，减小一半。减小一半。减小一半。减小一半。由于功率正比于电流平方，所由于功率正比于电流平方，所以以 频率每加倍，功率增益降为频率每加倍，功率增益降为频率每加倍，功率增益降为频率每加倍，功率增益降为 1 1/4 4。

46、定义：定义：定义：定义：当当 降为降为 1 时的频率称为时的频率称为 特征频率特征频率特征频率特征频率，记为，记为 f fT T 。由由 可解得可解得 特征频率的定义特征频率的定义特征频率的定义特征频率的定义 因因 所以所以 fT 可表为可表为 对于对于 fa 500 MHz 的晶体管，的晶体管，ec 中以中以 b 为主，这时为主，这时 ，故一般情况下应减小，故一般情况下应减小 WB 。但当。但当 WB 减小到减小到 b 不再是不再是 ec 的主要部分时，再减小的主要部分时，再减小 WB 对继续减小对继续减小 ec 已作用不大，而对已作用不大，而对 rbb 的增大作用却不变。同时工艺上的难的增

47、大作用却不变。同时工艺上的难度也越来越大。度也越来越大。几个主要矛盾几个主要矛盾几个主要矛盾几个主要矛盾 (1)对对 WB 的要求的要求 总结以上可知，对高频晶体管结构的基本要求是：总结以上可知，对高频晶体管结构的基本要求是：浅结、浅结、浅结、浅结、细线条、无源基区重掺杂、细线条、无源基区重掺杂、细线条、无源基区重掺杂、细线条、无源基区重掺杂、N N+衬底上生长衬底上生长衬底上生长衬底上生长 N N-外延层。外延层。外延层。外延层。3.6.3 开关时间 *开关过程的图示开关过程的图示 延迟时间 td=t1-t0;上升时间 tr=t2-t1;存储时间 ts=t4-t3;下降时间 tf=t5-t4

48、.IBVBQB(t)QBtttt(基极输入脉冲)(基极电流)(基区存储电荷)IC(集电极电流)t0t1t2t3t4t5开启时间关闭时间0Wnp(x)QSt2 (和t4)tntnt3QBSIB1IB2第四章第四章 结型场效应晶体管结型场效应晶体管（JFET）结型场效应晶体管GaAs-MESFETHEMT1 场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是另一类重要的微电子器件。这是一种电压控制型多子导电器件电压控制型多子导电器件，又称为单极型晶体管单极型晶体管。这种器件与双极型晶体管相比，有以下优点 输入阻抗高；输入阻抗高；温度稳定性好；温度稳定性好；噪声小；噪声小；大电

49、流特性好；大电流特性好；无少子存储效应，开关速度高；无少子存储效应，开关速度高；制造工艺简单；制造工艺简单；各管之间存在天然隔离，适宜于制作各管之间存在天然隔离，适宜于制作 VLSI。JFET 和和 MESFET 的工作原理相同。以的工作原理相同。以 JFET 为例，用一为例，用一个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作个低掺杂的半导体作为导电沟道，在半导体的一侧或两侧制作 PN 结，并加上反向电压。结，并加上反向电压。利用利用利用利用 PN PN 结势垒区宽度随反向电压的结势垒区宽度随反向电压的结势垒区宽度随反向电压的结势垒区宽度随反向电压的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面

50、积，从而控制沟道的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的变化而变化的特点来控制导电沟道的截面积，从而控制沟道的导电能力。导电能力。导电能力。导电能力。两种两种 FET 的不同之处仅在于，的不同之处仅在于，JFET 是利用是利用 PN 结结作为控制栅，而作为控制栅，而 MESFET 则是利用金则是利用金-半结（肖特基势垒结）半结（肖特基势垒结）来作为控制栅。来作为控制栅。结型栅场效应晶体管结型栅场效应晶体管（J FET）肖特基势垒栅场效应晶体管（肖特基势垒栅场效应晶体管（MESFET）绝缘栅场效应晶体管绝缘栅场效应晶体管（IG