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半导体器件原理Chapter3
* * Semiconductor Devices * * Semiconductor Devices 横向结构参数的设计 4。铝金属电极尺寸的确定 5。光刻版图形尺寸: 最小光刻间距2?m Se=8?m le=60?m n=90 单元E引线孔宽度4?m 单元E引线孔长度46?m 单元淡基区宽度16?m 单元淡基区长度68?m 浓基区网格宽度Sb1=5?m 基极引线孔的宽度Sb2=10?m 淡基区轮廓792?196?m2 浓基区轮廓794?198?m2 LE=1.2cm 结面积 AE= 4.32?10-4cm2 基区结面积AB=AC= 1.57?10-3 cm2 ? * * Semiconductor Devices 主要参数验算(略) * * Semiconductor Devices §3.7 异质结晶体管HBTheterogenous bipolar transistor 最重要的异质结材料是Ⅲ-V族化合物半导体,如GaAs及其三元化合物AlxGa1-xAs之类的固溶体,其中x可以从0变化到1。当x=0时为砷化镓,在300K下禁带宽度为1.42eV,晶格常数为5.6533?;当x=1时为砷化铝(AlAs),它的禁带宽度为2.17eV,晶格常数为5.6605 ?。三元化合物AlxGa1-xAs的禁带宽度随x增加而增加,而晶格常数基本上保持不变。甚至在x=0和x=1时的极端情况下,晶格常数的失配也仅有0.1%。 异质结双极晶体管器件用n-AlxGa1-xAs作发射区,p-GaAs作基区,n-GaAs作集电区。 * * Semiconductor Devices 假定发射结是缓变异质结,该晶体管工作原理类似于通常的晶体管。 在放大状态下,基极电流主要包括发射结耗尽层内的复合电流IER,基区内复合而必须补偿空穴损失的电流IBR,基区向发射区注入的空穴电流IEp。 集电极电流主要来自发射区注入并穿过基区的电流ICn,共发射极电流增益表达式为: 这里,βmax表示注入比,也是晶体管受注入比限制时的 最大电流增益。 * * Semiconductor Devices 根据晶体管理论有 其中, 由此可得, 其中,DnB是电子在基区的扩散系数,DpE、LpE是空穴在发射区的扩散系数和扩散长度,WB为基区宽度。 * * Semiconductor Devices 异质结双极型晶体管有许多优点: (1)发射效率高。这是因为空穴(对于N-P-N晶体管的发射区来说,空穴是少数载流子)从基区向发射区注入时,受到价带高势垒的阻碍; (2)基区电阻小。这是因为基区可以重掺杂而不损失发射效率; (3)可减小发射极电流集边效应。这是因为发射区一基区结上的电压降很小; (4)改善了频率响应。这是因为电流增益大,基区电阻小。 此外,异质结双极晶体管可以采用某些高温性能好的材料。可使器件工作温度达300℃以上。利用外延技术可以制成各种各样的异质结双极晶体管。其中包括采用组分缓变的材料作基区的器件,例如用AlxGa1-xAs作基区,x值从发射结递减到集电结,以提供一个内建电场,减小基区渡越时间。也有采用双异质结结构的器件(宽禁带发射区和宽禁带集电区),以使发射结和集电结对称,从而改善放大状态和反转状态下的电流增益,常见的有AlGaAs/GaAs HBT,InGaAs/InP HBT,Si/Si1-xGex HBT等。 * * Semiconductor Devices 总结与展望 双极晶体管具有高的fT和gm,主要应用在高速电路和大功率器件。 速度过冲效应 新材料 与其它器件的集成:BiCMOS * * Semiconductor Devices 习题: 1、一个p+-n-p晶体管,其发射区、基区、集电区的杂质浓度分别是5×1018,1016,1015cm-3,基区宽度WB为1.0μm,器件截面积为3mm2。当发射区-基区结上的正向偏压为0.5V,集电区-基区结上的反向偏压为5V时,计算(a)中性基区宽度,(b)发射区-基区结的少数载流子浓度,(c)基区内的少数载流子电荷。 2、推导基区杂质浓度为时的基区内建电场公式及基区少子浓度分布表达式。 * * Semiconductor Devices 3、一个硅n+-p-n晶体管的发射区和集电区两侧的掺杂是突变的。其发射区、基区、集电区的杂质浓度分别为1019,3×1016,5×1015cm-3,(a)求集电区-基区电压的上限,在该电压下,发射结偏置电压已不再能控制集电极电流,设基区宽度为0.5μm。(b)若截止频率主要受少子穿过基区的渡越时间限制,求在零偏压下共基极和共发射级的电流截止频率(晶体管的发射效率为0.999,基区传输因子为0.99)。 4、一个开关晶
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