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半导体器件物理第三章双极结型晶体管1安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理?双极结型晶体管（bipolarjunctiontransistor）是由靠的很近的两个PN结构成的半导体器件。?一般包括NPN或PNP三个区域，前者称为NPN晶体管，后者称为PNP晶体管。2安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理3.1双极结型晶体管的结构?发射极、基极和集电极分别用E、B、C表示。?发射结偏压：?集电结偏压：3安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理结构特点：CNPBNE4安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理5安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理芯片是通过以下步骤制造出来的:1)衬底制备衬底为低阻N型硅，电阻率在0.001Ω·cm左右，沿111面切成厚约400μm的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。2)外延外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。3)一次氧化高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。4)光刻硼扩散窗口6安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理5)硼扩散和二次氧化硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散，并起钝化作用。6)光刻磷扩散窗口7)磷扩散和三次氧化磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N片间电绝缘介质。+区，热氧化层用作金属与硅8)光刻发射极和基极接触孔9)蒸发铝10)在铝上光刻出电极图形7安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理3.2双极结型晶体管的基本工作原理?双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。（1）正向有源模式：V?0，V?0；EC（2）反向有源模式：V?0，V?0；EC（3）饱和模式：V?0，V?0；EC（4）截止模式：V?0，V?0。EC8安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理?要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。电流方向和发射结与集电结的极性(a)NPN型晶体管；(b)PNP型晶体管9安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理3.2.1放大作用?共基极连接晶体管的放大作用：?基极既处于输入电路中又处于输出电路中，晶体管的这种接法称为共基极接法。10安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理电流传输机构从基区扩散来的电集电结反偏，有少子形成的反向电流I。CBOC子，漂移进入集电结而被收集，形成I。ICBONPICECE基区空穴向发射区的扩散可忽略。BECIRBBEN进入P区的电子EB少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。IE发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流I。EE11安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理3.2.2电流分量是从发射区注入到基区中的电子流。是到达集电结的电子流。是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是从基区注入到发射区的空穴电流是发射结空间电荷区内的复合电流。是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流。12安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理3.2.3直流电流增益?为描述晶体管的增益特性引进以下物理量?1.发射极注射效率γ：从发射极注入基极的电子电流在总的发射极电流中所占的比例。?2.基区输运因子β：发射极注入基极的电子电流中能够到达集电极的T那部分所占的比例。?3.共基极直流电流增益α：能够到达集电极的电子电流在总的发射极电流中所占的比例。13安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理考虑到集电结正反两种偏压条件的完全表达式为14安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理4.共发射极电流增益hFE?其中：h称为共发射极直流电流增益；I是基极开路时，集电极-FE发射极之间的电流，称为漏电流，也称为穿透电流。CEO?当作为放大器使用时，晶体管工作在正向有源区；当晶体管工作处于开关状态时，经常往返于饱和区（开）和截止区（关）之间。15安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理3.3理想双极结型晶体管中的电流传输?理想晶体管的主要假设及其意义：（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2）PN结是理想的平面结；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流子运动是一维的；（4）集电区宽度远大于少子扩散长度；（5）发射结为短PN结；（6）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；（7）发射结面积和集电结面积相等；（8）小注入，等等16安徽大学物理与材料科学学院

半导体器件物理3.3.1载流子分布与电流分量一、中性基区少子电子的分布及其电流传输）少子电子分布及其电流：中性基区（边界条件为：17安徽大学物理与材料科学学院

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