双极型器件基本原理.ppt

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1、,Chapter 9 双极型器件(1)9.1 引言9.2 双极型器件概述9.3 直流特性与电流增益(均匀基区晶体管）9.4 直流特性和电流增益(漂移晶体管),9.1 引言,双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。,Historical introduction,The bipolar transistor was invented in 1947 at Be

2、ll labs by Bardeen&Brattain consisting of metal points contacting a germanium substrate.It was later explained by Shockley in 1949 and the three shared the Nobel prize for their work.This tiny triangle of plastic,gold and germanium was the first solid-state amplifier,The first junction bipolar trans

3、istor,Shockley was annoyed that he hadnt been involved in Bardeen&Brattains point contact transistor so he spent New Years eve 1947 in a Chicago hotel room designing an even better device,the junction transistor containing a very thin p-type layer sandwiched between two n-type Ge layers.Electrons in

4、 this device travel through the bulk of the semiconductor rather than across the surface.It was more robust and reproducible than the point-contact device and is the subject of this part,Shockley semiconductorthe first to settle in Palo Alto Silicon Valley,Modern devices,Modern bipolar transistors(s

5、o called as both holes and electrons participate in the conduction)are based on silicon substrates with two closely coupled p-n junctions.,氧化物隔离的npn管横截面图,发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度为1019，1017，1015 cm-3 BJT是非对称器件,原理,The goal of a transistor is to use a small input to control a large output e.g.a small input si

6、gnal to be amplified.,A bipolar transistor controls the flow of current through the device by using the base current to modify the potential profile in the channellike water flowing over a bump in the ground,希望尽可能多的电子能到达集电区而不和基区中的多子空穴复合,半导体器件原理,南京大学,电压控制器件(MOSFET)利用加在栅极与源极之间的电压来控制输出电流。饱和区工作电流IDSS会随V

7、GS而改变。电流控制器件(BJT)利用基极电流控制集电极电流。,晶体管的分类：双极型晶体管（少子与多子参与导电）单极型晶体管（电流由多数载流子输运）,半导体器件原理,南京大学,9.2 双极型器件概述1.基本结构：发射极（E），基极（B）和集电极（C）,均匀基区杂质分布及非均匀基区杂质分布,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,一、发射区向基区注入电子 由于e结正偏，因而结两侧多子的扩散占优势，这时发射区电子源源不断地越过e结注入到基区，形成电子注入电流IEN。与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流IEP。因为发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，

8、所以满足 IEP IEN，可忽略不计。因此，发射极电流IEIEN，其方向与电子注入方向相反。,二、电子在基区中边扩散边复合注入基区的电子，成为基区中的非平衡少子，它在e结处浓度最大，而在c结处浓度最小(因c结反偏，电子浓度近似为零)。因此，在基区中形成了非平衡电子的浓度差。在该浓度差作用下，注入基区的电子将继续向c结扩散。在扩散过程中，非平衡电子会与基区中的空穴相遇，使部分电子因复合而失去。但由于基区很薄且空穴浓度又低，所以被复合的电子数极少，而绝大部分电子都能扩散到c结边沿。基区中与电子复合的空穴由 基极电源提供，形成 基区复合电流IBN，它是基极电流IB的 主要部分。,三、扩散到集电结的电

9、子被集电区收集 由于集电结反偏，在结内形成了较强的电场，因而，使扩散到c结边沿的电子在该电场作用下漂移到集电区，形成集电区的收集电流ICN。该电流是构成集电极电流IC的主要部分。另外，集电区和基区的少子在c结反向电压作用下，向对方漂移形成c结反向饱和电流ICBO，并流过集电极和基极支路，构成IC、IB的另一部分电流。,半导体器件原理,南京大学,2.放大作用 发射结（EB结）处于正向，大量电子从发射区注入到基区，绝大部分电子可通过基区到达集电结边界，并在集电结电压的作用下扫至集电区，形成集电极电流。,（1）基区宽度远小于电子扩散长度（2）发射结正偏，结电阻小（3）集电结反偏，结电阻大,半导体器件

10、原理,南京大学,（1）发射区中部分电子流与空穴流复合（2）注入到基区的电子流有一部分与基区中的空穴流复合（3）注入到基区的大部分电子由于扩散及漂移运动到集电结边界，在反向强电场作用下被扫入集电区（4）集电结势垒区及其扩散长度内产生的电子空穴对，在电场作用下分别流向集电区和基区,3.载流子的传输及电流放大系数,半导体器件原理,南京大学,发射效率基区输运系数集电区倍增因子电流放大系数,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,扩散电流：正向偏压,9.3 直流特性和电流增益（均匀基区）1.直流特性的理论分析,假设：（采用一维理想模型）e,b,c三个区均匀掺杂，e,c结突变e,c结为平行平面

11、结，其面积相同，电流垂直结平面外电压全降在空电区，势垒区外无电场，故无漂移电流e,c区长度少子L，少子浓度为指数分布（随 x）Xm少子L，忽略势垒复合及产生满足小注入条件不考虑基区表面复合,均匀基区晶体管（以npn为例）,半导体器件原理,南京大学,结两侧的少子浓度分布,2.电流密度分布（假设，势垒区外无电场，只考虑扩散电流）,基区电子扩散电流令X=0，得 通过发射结电子电流为X=Wb，得 到达集电结电子电流为,发射区空穴电流密度分布当，则近似有集电区空穴电流密度,半导体器件原理,南京大学,正向偏压下的电流,半导体器件原理,南京大学,未加偏压：多数载流子及少数载流子均匀分布,发射结正偏：在基区靠

12、近发射结边界出引起电子积累；在发射区靠近发射结边界处有空穴积累集电结反偏：势垒区两侧的少数载流子浓度几乎为零,半导体器件原理,南京大学,基区中非平衡少数载流子的分布,半导体器件原理,南京大学,基区宽度Wb比少子扩散长度小得多，线性分布,发射结正偏集电结反偏,半导体器件原理,南京大学,发射区中非平衡空穴的分布（线性分布近似）,集电区中非平衡空穴的分布（线性分布近似）,半导体器件原理,南京大学,不考虑电场的存在，得到基区中电子的扩散电流密度：,发射区的空穴电流密度,集电区的空穴电流密度,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,考虑电子与空穴的复合作用，则以上三种电流密度不再是常数，会随

13、位置而变化。即存在电子电流与空穴电流之间的转变。发射极或集电极电流密度等于发射区某一位置的电子电流密度和空穴电流密度之和，与坐标X无关。,半导体器件原理,南京大学,2.均匀基区晶体管的短路电流放大系数,(1)发射效率（集电结短路，基区宽度比电子的扩散长度小得多）,提高Ne/Nb来提高。,半导体器件原理,南京大学,如考虑发射结空间电荷区的复合作用,几点假设：1.理想突变结，均匀的杂质分布2.一维结构，发射结及集电结平行且结面积相等3.外电场降落在势垒区，势垒区以外区间无电场4.发射区和集电区的长度远大于少数载流子的扩散长度5.势垒区的复合作用可忽略6.小注入效应（注入基区的少数载流子比基区的多数

14、载流子少得多),半导体器件原理,南京大学,(2)基区输运系数（线性分布）,较长的少子寿命与扩散系数，较小的Wb,半导体器件原理,南京大学,(3)集电区倍增因子,雪崩倍增因子,(4)电流放大系数,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,9.4 漂移晶体管的直流特性和电流增益1.缓变基区的一般分析,缓变基区中杂质及多数载流子（空穴）的分布存在一定的梯度，使空穴作扩散运动。在基区中产生的自建电场，其大小恰好使电场产生的空穴漂移流与因杂质浓度梯度所引起的扩散电流相抵消。,半导体器件原理,南京大学,该电场的存在加速了少子在基区的运动。即注入

15、到基区的电子除作扩散运动外，还作漂移运动。一般假设净杂质浓度的峰值在发射结处，即不考虑阻滞电场的存在.,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,设基区杂质分布为指数分布,电子电流密度,假设在x=Wb,npb=0,半导体器件原理,南京大学,忽略基区中空穴的复合，JNB为常数,半导体器件原理,南京大学,基区中电子分布与电场因子有关。=0对应于均匀基区，越大，基区电场越强基区中大部分区域的电子密度梯度较小，只在近集电结处电子密度梯度才增大。,半导体器件原理,南京大学,漂移晶体管的直流特性（1）VC=0，而VE0,对漂移晶体管，JES的表达式不同于上式。,半导体器件原理,南京大学,（2）V

16、E=0，而VC 0 集电区起发射区的作用，而发射区起着集电区的作用,I为晶体管反向运用时的电流放大系数,对漂移晶体管，JCS的表达式不同于上式。,半导体器件原理,南京大学,（3）若VE及VC均不为零，总电流应为正向管及反向管电流的叠加,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,半导体器件原理,南京大学,晶体管的大信号下的等效电路,结电容，扩散电容，发射（集电）二极管，电流源，基区扩展电阻,半导体器件原理,南京大学,3.电流增益(1)发射效率,半导体器件原理,南京大学,(2)基区输运系数 单位面积基区的少子总数：,半导体器件原理,南京大学,(3)电流放大系数 减小发射区与基区的方块电阻之比，基区宽度WB，提高及少子寿命及迁移率,