第七章 - home.ustc.edu.cn.doc

§2.3 双极型晶体管与场效应晶体管 第七章 晶体管――――――――――――――――――――1 §7.1 晶体管的分类――――――――――――――――――1 1、合金管―――――――――――――――――――――－1 2、合金扩散管――――――――――――――――――――2 3、台面晶体管――――――――――――――――――――3 4、外延平面管――――――――――――――――――――4 §7.1 晶体管的放大原理――――――――――――――――5 一、晶体管中的载流子浓度分布及传输 ――――――――――5 二、晶体管的直流放大系数―――――――――――――――9 三、晶体管的放大作用―――――――――――――――――212 习题： 18 §2.3.1 晶体管的分类 晶体管的种类很多，按使用的要求，可分为低频管、高频管、小功率管和大功率管以及高压管、开关管等。但从其基本结构来看，它们都由两个十分靠近的、分别称为发射结和集电结的pn结组成。两个pn结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集电极，用E、B、C表示。按制作工艺和管芯结构形式则可粗略分为合金管、合金扩散管、台面管和平面管。 1．合金管 合金管是早期发展的晶体管。其结构是在n型锗上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低。析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含有大量的铟镓而形成p型半导体，从而形成pnp结构。其结构如下图所示： 合金管的杂质分布特点：三个区的杂质分布近似均匀。基区的杂质浓度最低，且两个pn结都是突变结。 合金管：主要缺点是基区宽度较宽，一般只能做到10um左右，因此频率特性差，只能用于低频区； 2．合金扩散管： 合金扩散管是在合金管的基础上，经过改进而发展起来的。合金扩散管是在p型锗片上，放置含有铟镓锑（In + Ga + Sb）的合金小球，在700(C左右下烧结。由于受主杂质浓度镓的浓度远远大于施主杂质锑浓度，所以再结晶层是p型半导体。但锑的扩散系数远大于铟、镓，所以在烧结温度下，在合金层下方出现一层由锑原子扩散而形成的很薄的n型扩散层。这样，在烧结过程中合金结与扩散结同时完成。即发射结为合金结、集电结为扩散结，从而形成合金扩散管。 合金扩散结结构特点：发射区和集电区均为均匀分布，基区则是由扩散形成的缓变分布，因而发射结为突变结，集电结为缓变结。 基区宽度2～3um。同时，基区杂质存在梯度，有自建电场，使得少数载流子产生漂移运动通过基区。因而，频率特性较合金管好，可以工作在较高频率上。广泛用于高频放大、高速开关等。 3．台面晶体管： 上面介绍的合金扩散管已将基区宽度减小到2～3um，工作频率提高到数百MHz。但是，如果再进一步提高频率特性，除了要求更薄的基区宽度外，还必须减小结电容，这是上述两种晶体管所不能解决的问题，因而引入台面晶体管工艺。 台面晶体管工艺： 台面晶体管是在p型锗片上扩散一层表面杂质浓度为1018cm－3，扩散层厚度为1～2um的n型扩散层。 然后再蒸发两条电极。一条是铝电极，它与扩散层形成pn合金结（发射结）。 另一条是锑、金合金电极，它与扩散层形成欧姆接触，作为基极电极。 最后用保护油把电极区掩盖起来，进行台面腐蚀。 这样，将扩散法与蒸发合金相结合，可以在很薄的扩散层上用蒸发合金形成很浅的合金结，从而获得更薄的基区。再加上采用条形电极，使发射极和基极靠的近，减小pn结面积，从而减小pn电容。因此，台面管具有比合金扩散管更好的高频特性。 4.外延平面管 外延平面晶体管是目前最主要的一种晶体管。 它是在电阻率很低（约为10－3(.cm）的n＋型si片上，先用外延生长技术生长一层电阻率较高的（如1(.cm）n型层。 然后在外延层上利用氧化、光刻、扩散等平面工艺，进行受主杂质扩散以获得p型基区; 再在p型层上进行高浓度杂质扩散得到n＋型发射区，并制作电极。 双扩散外延平面管的发射结和集电结都是扩散结。集电区的杂质浓度最小、基区次之、发射区最高。 由于平面管采用氧化、光刻、扩散一整套平面工艺，晶体管可以做得很小，基区很薄（0.5~1.5um），因而频率特性好，而且晶体管的表面由化学性能稳定的二氧化硅保护，所以性能稳定。 综上所述，晶体管的基区杂质分布有两种： 均匀分布（合金管），又称为均匀基区晶体管。载流子在其中的传输主要靠扩散进行，故又称之为扩散晶体管； 缓变分布（合金扩散管、台面管、平面管），这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在其中除了扩散运动以外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主，所以，又称之为漂移型晶体管。 §2.3.2 晶体管的放大原理 下面以均匀基区npn型晶体管为例，定性阐述晶体