中国科大半导体器件物理课件3.ppt

半导体器件物理 第三章： 双极型晶体管 §3.1 基本原理 §3.2 IV特性 §3.3 晶体管模型 §3.4 频率特性 §3.5 功率特性 §3.6 开关特性 §3.7 异质结晶体管HBT 简介 双极型器件是电子和空穴两种载流子都参与导电的半导体器件 从P-N结理论的讨论中已知电流输运是由电子和空穴两种载流子组成的，故由P-N结组成的晶体管又称作双极晶体管。双极晶体管是最重要的半导体器件之一。 1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明。 §3.1 晶体管的基本原理 1、基本结构及其杂质分布 基本结构 由两个P-N结共用一个基区组成的。 在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电结。中间区域就叫基区，而另两个区与结相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子，分别称作发射极，基极和集电极。 2、晶体管的放大原理 以均匀基区P-N-P晶体管为例分析其基本物理图象：内部载流子的运动。 3、晶体管端电流的组成 工作在放大状态下pnp晶体管的各个电流分量为： IEP：从发射区注入的空穴电流， IEN：从基区注入到发射区的电子电流， ICN：集电区－基区结附近的热电子漂移到基区形成的电流， ICP：集电区－基区结的空穴注入电流。 IBR＝IEP－ICP，基区内电子与空穴电流的复合而必须补充的电子电流。 4、 晶体管的电流增益 直流共基极电流放大系数（或电流增益）的定义为 其中， 发射效率： 基区传输因子 即 共发射极晶体管的电流放大系数（电流增益）为 电路应用中，晶体管的共射级组态最常用，即发射极作为公共端，基极和集电极为输入和输出端。 5、提高电流增益的一般原则 晶体管的电流传输作用是晶体管具有放大能力的基础，晶体管具有放大作用需要满足下列条件，内部：发射结与集电结要相距很近，即WBLB。外部：发射结正偏，集电结反偏，这样才会有电流传输过程，即晶体管工作在有源放大区。 晶体管的作用是将发射极电流最大限度地传输到集电极。为提高α0，要尽可能减小输运过程中的损失。主要方法有： （1）减小基区向发射区的反向注入空穴电流（或电子电流）NPN管（或PNP管），即提高发射效率γ。 （2）减小基区体内的复合电流IBB，即提高基区传输因子αT。 提高电流增益的主要措施有： 提高发射区掺杂浓度或杂质总量，增大正向注入电流， 减小基区宽度， 提高基区杂质分布梯度， 提高基区载流子寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度。 §3.2 IV特性 1、均匀基区理想晶体管的电流 为了简便起见，推导过程包含了如下基本假设： ①发射区、基区和集电区的杂质分布均为均匀分布，且两结皆为突变结。 ②小注入条件满足。即注入到基区的少子浓度远低于该区多子浓度。 ③势垒区宽度远小于扩散长度，忽略耗尽区内的产生一复合作用，通过势垒区的电流为常数。 ④器件中不存在串联电阻，晶体管三个中性区的电导率均足够高，使得外加电压全部降落在势垒区中，势垒区以外无电场。 ⑤器件的一维性。使载流子只沿x方向作一维运动，忽略了表面复合等影响，且发射结和集电结两结面积相同且互相平行。 ⑥发射区宽度WE和集电区宽度WC都远大于少子扩散长度，在两端处的少子浓度等于平衡时值。 由理想模型可以求解各区中的少子连续性方程，得出各区的少子浓度分布和电流密度分布。最后求出发射极电流IE，集电极电流IC与偏压VEB和VCB的函数关系。 根据基本物理模型，可以写出稳态下的一维的电流密度方程和连续性方程如下： 中性基区少子分布的表达式为 对实际晶体管，基区宽度WB远小于少子扩散长度LpB，对上式中的双曲函数取一级近似： 由此，基区连续性方程为 通过发射结注入的空穴电流密度为 到达集电结的空穴电流密度为 发射区连续性方程为 类似地，集电区连续性方程为 基区过剩载流子存贮电荷 当pn(x)pn0时 理想晶体管的电流一电压方程 均匀基区P-N-P晶体管电流一电压方程： 由基区内总的少子存贮电荷 可得集电极电流的另一表达式： 讨论 晶体管三个极的电流和基区内的少子分布有 关，理想晶体管的基本关系式为： 外加电压通过eqV/kT控制边界上的载流子浓度； 发射极和集电极电流由边界处的少子浓度梯度给出，这两个电流和基区存贮电荷成正比； P-N-P晶体管的发射效率 基区传输因子 2、晶体管的工作状态 晶体管的工作状态取决于发射结、集电结上所加的电压极性。 放大状态：VEB正偏，VCB反偏； 饱和状态：VEB正偏，VCB正偏； 截止状态：VEB反偏，VCB反偏； 反转状态：VEB反偏，VCB正偏；