半导体物理与器件双极晶体管.pptx

半导体物理与器件第十章第十章双极晶体管双极晶体管q双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理m基本工作原理基本工作原理m工作模式工作模式q少子分布少子分布q电流增益电流增益q非理想效应非理想效应q频率特性频率特性q开关特性开关特性半导体物理与器件q双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），简称为双极型晶体管或双极晶体管。），简称为双极型晶体管或双极晶体管。m晶体管可以用来放大电流、电压、或功率，是一种有晶体管可以用来放大电流、电压、或功率，是一种有源器件。源器件。m三端器件，通过控制两端之间的电压来控制另外一端三端器件，通过控制两端之间的电压来控制另外一端的电流。（电压控制电流源）的电流。（电压控制电流源）m双极的意义在于：在这种器件中存在着两种极性相反双极的意义在于：在这种器件中存在着两种极性相反的载流子和电流的载流子和电流m两个耦合的两个耦合的PN结有多种偏置状态组合，即不同的工作结有多种偏置状态组合，即不同的工作模式模式半导体物理与器件10.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理m基本结构基本结构三个掺杂区，两个三个掺杂区，两个PN结结 P+n+nEBCn+p+pEBCBCEBCE+代表重掺杂，代表重掺杂，+代代表较重的掺杂表较重的掺杂半导体物理与器件实际器件结构图实际器件结构图传统双极型集成电路中的传统双极型集成电路中的BJT结构结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用埋层：减小串联电阻；隔离：采用PN结；结；半导体物理与器件实际器件结构图实际器件结构图先进的双层多晶硅先进的双层多晶硅BJT结构结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；半导体物理与器件m注意：注意：npn和和pnp的双极晶体管不是对称结构，的双极晶体管不是对称结构，从实际器件结构图和各区的掺杂浓度的不同都从实际器件结构图和各区的掺杂浓度的不同都可以反映出这一点。可以反映出这一点。P+n+nEBC半导体物理与器件q基本工作原理基本工作原理mnpn型型BJT与与pnp型型BJT是完全互补的两种双极型晶是完全互补的两种双极型晶体管，以体管，以npn型器件为例来进行讨论分析，其型器件为例来进行讨论分析，其结论对结论对pnp型器件也完全适用。型器件也完全适用。m典型杂质浓度：典型杂质浓度：E：1e19；B：1e171e18；C：1e15P+n+nCBE(Nd-Na)EBC半导体物理与器件m定性分析定性分析热平衡和偏置状态热平衡和偏置状态注意这里没有反映出各注意这里没有反映出各个区杂质浓度的区别个区杂质浓度的区别正向有源区，电子的输正向有源区，电子的输运过程运过程半导体物理与器件mB-E结正偏；结正偏；B-C结反偏；正向有结反偏；正向有源模式源模式注意基区宽度注意基区宽度回忆：短二极管回忆：短二极管半导体物理与器件m发射结正偏，电子扩散注入基区发射结正偏，电子扩散注入基区mB-C结反偏，基区中靠近结反偏，基区中靠近B-C结边界处电子浓度为零。结边界处电子浓度为零。m基区中电子存在着较大的浓度梯度，因此电子可以通基区中电子存在着较大的浓度梯度，因此电子可以通过扩散流过基区，和正偏的过扩散流过基区，和正偏的PN结二极管类似，少子电结二极管类似，少子电子在通过中性基区的过程中也会与其中的多子空穴发子在通过中性基区的过程中也会与其中的多子空穴发生生一定一定的复合。的复合。半导体物理与器件m电子扩散通过基区后，进入反偏的电子扩散通过基区后，进入反偏的B-C结空间电荷区，结空间电荷区，被被B-C结电场抽取进入搜集区，能够被拉向收集区的电结电场抽取进入搜集区，能够被拉向收集区的电子数目取决于由发射区注入到基区中的电子数目（子数目取决于由发射区注入到基区中的电子数目（复复合掉的电子数目合掉的电子数目）。）。m流入到收集区中的电子数量（构成收集极电流）取决流入到收集区中的电子数量（构成收集极电流）取决于发射结上的偏置电压，此即双极型晶体管的放大作于发射结上的偏置电压，此即双极型晶体管的放大作用，即：用，即：BJT中流过一个端点的电流取决于另外两个端中流过一个端点的电流取决于另外两个端点上的外加电压。点上的外加电压。其他因素：发射其他因素：发射极空穴电流，基极空穴电流，基区复合电流，集区复合电流，集电极反向漏电流电极反向漏电流半导体物理与器件q通过前边的分析，简单结论：通过前边的分析，简单结论：mBJT中两个中两个PN结不是独立无关的结不是独立无关的PN结结m正向有源状态下，反偏正向有源状态下，反偏BC结的电流大部分来源于结的电流大部分来源于EB结结的正偏电流的正偏电流m三个区掺杂不同，三个区掺杂不同，E重掺，重掺，B较高掺，较高掺，C轻掺轻掺m短基区、大集电区短基区、大集电区在后边的分析中我们还会逐渐了解到，在后边的分析中我们还会逐渐了解到，BJT的的这种结构特点是因为只有这样才能获得较大的这种结构特点是因为只有这样才能获得较大的电流增益，具有良好的放大作用。电流增益，具有良好的放大作用。半导体物理与器件q晶体管电流的简化表达形式晶体管电流的简化表达形式有用电流和有用电流和无用电流无用电流电子电流和电子电流和空穴电流空穴电流扩散电流、扩散电流、漂移电流、复漂移电流、复合电流、产生合电流、产生电流电流半导体物理与器件m集电极电流集电极电流线性假设线性假设基区宽度：注基区宽度：注意实际为基区意实际为基区中性区宽度中性区宽度iC由由BE结电压所控制结电压所控制BE结面积结面积半导体物理与器件m发射极电流发射极电流IS2是饱和空穴电流，为少数载流子空穴的参数是饱和空穴电流，为少数载流子空穴的参数共基极电流增益共基极电流增益半导体物理与器件m共基极电流增益共基极电流增益集电极电流与集电极电压无关，集电极电流与集电极电压无关，双极晶体管如同一个恒流源双极晶体管如同一个恒流源半导体物理与器件m基极电流基极电流发射极电流成分发射极电流成分iE2（空穴扩散电流）实际上也是（空穴扩散电流）实际上也是基极电流的一个组成部分；基极电流的另一个组成基极电流的一个组成部分；基极电流的另一个组成部分则是基区中的多子空穴与电子的复合电流部分则是基区中的多子空穴与电子的复合电流iBb，它与电子浓度相关，因而这二者都与，它与电子浓度相关，因而这二者都与exp(vBE/Vt)成正比从而集电极电流和基极电流之比为一个定值：成正比从而集电极电流和基极电流之比为一个定值：共射极电流增益共射极电流增益半导体物理与器件q工作模式工作模式m截止模式截止模式m正向有源模式正向有源模式m饱和模式饱和模式m反向有源模式反向有源模式不同的工作模式下，不同的工作模式下，EB结和结和BC结处于不结处于不同的偏置状态，其电同的偏置状态，其电路功能也不同路功能也不同半导体物理与器件m截止模式截止模式两个结均反偏，发射极、集电极电流均为零两个结均反偏，发射极、集电极电流均为零m正向有源模式正向有源模式EB结正偏，结正偏，BC结反偏；结反偏；集电极电流受集电极电流受BE结电压控制；结电压控制；电流放大作用电流放大作用共发射极应用时，共发射极应用时，C-E电压和集电极电流电压和集电极电流IC之间存在之间存在着线性关系，这种线性关系称为负载线着线性关系，这种线性关系称为负载线半导体物理与器件负载线负载线1/R半导体物理与器件m饱和模式饱和模式BE结正偏、结正偏、BC结正偏，集电极电流反向（相对于结正偏，集电极电流反向（相对于放大模式）并不受放大模式）并不受BE结电压控制结电压控制m反向有源模式反向有源模式和正向有源模式相对的一种模式状态，但是由于晶和正向有源模式相对的一种模式状态，但是由于晶体管本身结构的非对称性，因而其特性和正向有源体管本身结构的非对称性，因而其特性和正向有源模式有着很大的不同，在应用中一般会避免出现这模式有着很大的不同，在应用中一般会避免出现这种状态种状态半导体物理与器件q四种不同的工作模式及其对应的四种不同的工作模式及其对应的PN结偏置条结偏置条件示意图件示意图半导体物理与器件q双极晶体管放大电路双极晶体管放大电路半导体物理与器件EB结上附加的正弦结上附加的正弦信号电压；信号电压；相应的基极电流和相应的基极电流和集电极电流集电极电流负载负载RC上输出的放上输出的放大后的信号电压大后的信号电压半导体物理与器件10.2 少子的分布少子的分布m晶体管为少数载流子工作器件，少数载流子的分布决晶体管为少数载流子工作器件，少数载流子的分布决定着器件内部各处的电流成分定着器件内部各处的电流成分m在各种工作模式下对晶体管各区的少子分布进行计算，在各种工作模式下对晶体管各区的少子分布进行计算，在此基础上分析电流增益和器件结构之间的关系在此基础上分析电流增益和器件结构之间的关系半导体物理与器件符号符号定义定义npn和和pnp晶体管晶体管NE，NB，NCE、B和和C区中的掺杂浓度区中的掺杂浓度（下标代表区域）（下标代表区域）xE，xB，xC电中性电中性E、B和和C区的宽度区的宽度DE，DB，DCLE，LB，LCE，B，Cnpn晶体管晶体管pE0，nB0，pC0pE(x)，nB(x)，pC(x)E、B和和C区中的区中的少子少子扩散系数扩散系数E、B和和C区中的区中的少子少子扩散长度扩散长度E、B和和C区中的区中的少子少子寿命寿命E、B和和C区中的区中的热平衡少子热平衡少子浓度浓度E、B和和C区中区中总的少子总的少子浓度浓度pE(x)，nB(x)，pC(x)E、B和和C区中的区中的过剩少子过剩少子浓度浓度pnp晶体管晶体管nE0，pB0，nC0 E、B和和C区中的区中的热平衡少子热平衡少子浓度浓度nE(x)，pB(x)，nC(x)E、B和和C区中区中总的少子总的少子浓度浓度nE(x)，pB(x)，nC(x)E、B和和C区中的区中的过剩少子过剩少子浓度浓度半导体物理与器件q正向有源模式正向有源模式半导体物理与器件利用定性的分析我们知道了三个区中少数载流子的大致分利用定性的分析我们知道了三个区中少数载流子的大致分布情况，这里将对各区内载流子的分布做具体的计算和推布情况，这里将对各区内载流子的分布做具体的计算和推导导半导体物理与器件m基区内少子电子的稳态双极疏运方程基区内少子电子的稳态双极疏运方程过剩电子浓度定义：过剩电子浓度定义：解的一般形式为：解的一般形式为：因基区宽度为有限值，故两个指数系数都必须保留。因基区宽度为有限值，故两个指数系数都必须保留。基区中过剩少数载流子电子的浓度在基区的两个边基区中过剩少数载流子电子的浓度在基区的两个边界处分别为如下两式所示：界处分别为如下两式所示：半导体物理与器件 由于由于B-E结处于正偏状态，因此在结处于正偏状态，因此在x=0处过剩载流子浓度处过剩载流子浓度的边界条件为：的边界条件为：而而B-C结处于反偏状态，因此在结处于反偏状态，因此在x=xB处过剩载流子浓度的处过剩载流子浓度的边界条件为：边界条件为：半导体物理与器件利用上述边界条件，可以求得上述双极输运方程解得利用上述边界条件，可以求得上述双极输运方程解得一般形式中的系数为：一般形式中的系数为：这样我们就可以求出基区中过剩少数载流子电子的浓这样我们就可以求出基区中过剩少数载流子电子的浓度分布为：度分布为：半导体物理与器件当当xBLB时，上式可简化为：时，上式可简化为：即基区中的过剩少数载流子电子的浓度分布确实可以近即基区中的过剩少数载流子电子的浓度分布确实可以近似为线性分布。这一点也可以从下面的双曲正弦函数变化曲似为线性分布。这一点也可以从下面的双曲正弦函数变化曲线看出。线看出。半导体物理与器件问题：问题：基区宽度应该基区宽度应该短还是长？短还是长？基区宽度和扩基区宽度和扩散长度的比值大约散长度的比值大约是多少？是多少？相同宽度的相同宽度的P型型基区和基区和N型基区，型基区，少数载流子分布那少数载流子分布那个更接近于线性？个更接近于线性？E10.1半导体物理与器件m发射区少子浓度分布发射区少子浓度分布稳态双极输运方程：稳态双极输运方程：过剩空穴浓度定义为：过剩空穴浓度定义为：解的一般形式为：解的一般形式为：其中其中LE为发射区中少数载流子空穴的扩散长度，即：为发射区中少数载流子空穴的扩散长度，即：半导体物理与器件类似地，中性区宽度类似地，中性区宽度xE一般为有限值，两个指数项系一般为有限值，两个指数项系数都需要保留数都需要保留边界条件边界条件：（注意坐标的方向）（注意坐标的方向）由于由于B-E结处于正偏状态，因此在发射区中结处于正偏状态，因此在发射区中x=0处，处，过剩少数载流子空穴浓的边界条件为：过剩少数载流子空穴浓的边界条件为：半导体物理与器件而在发射区表面，复合速度为无穷大，因此在而在发射区表面，复合速度为无穷大，因此在x x=x=xE E处边界条件为处边界条件为利用上述边界条件求出系数利用上述边界条件求出系数C C和和D D，由此可以求得发射，由此可以求得发射区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为：区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为：如果如果BJT器件的发射区厚度器件的发射区厚度xE也足够薄的话，同样可也足够薄的话，同样可以得出发射区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为线性分以得出发射区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为线性分布的结论，即：布的结论，即：注意与第八注意与第八章短二极管章短二极管相对应相对应半导体物理与器件如果如果BJT器件的发射区厚度器件的发射区厚度xE与发射区中少数载流子与发射区中少数载流子空穴的扩散长度空穴的扩散长度LE相当或可以比拟的话，则发射区中过剩相当或可以比拟的话，则发射区中过剩少数载流子空穴的浓度为指数分布。少数载流子空穴的浓度为指数分布。m集电区少子浓度分布集电区少子浓度分布对于集电区来说，一般其宽度比较长，其过剩少数载对于集电区来说，一般其宽度比较长，其过剩少数载流子分布同反偏流子分布同反偏PN结的结果完全相同结的结果完全相同半导体物理与器件半导体物理与器件半导体物理与器件q其它工作模式下的少数载流子分布其它工作模式下的少数载流子分布m截止模式截止模式半导体物理与器件由于发射结和收集结均处于反向偏置状态，因此在这由于发射结和收集结均处于反向偏置状态，因此在这两个结的空间电荷区边界处的少数载流子浓度均为零，两个结的空间电荷区边界处的少数载流子浓度均为零，又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度，因此基又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度，因此基区中的少子已经基本上被空间电荷区的反向电场抽走，区中的少子已经基本上被空间电荷区的反向电场抽走，其浓度基本为零。其浓度基本为零。半导体物理与器件m饱和模式饱和模式半导体物理与器件器件发射结和收集结均处于正偏状态，但是对于共发射极器件发射结和收集结均处于正偏状态，但是对于共发射极应用来说，器件中的电流仍然是由收集极流向发射极，即应用来说，器件中的电流仍然是由收集极流向发射极，即电子由发射区注入到基区，最后通过扩散流向收集区。电子由发射区注入到基区，最后通过扩散流向收集区。半导体物理与器件m反向有源模式反向有源模式发射结处于反偏状态，而收集结处于正偏状态，电子发射结处于反偏状态，而收集结处于正偏状态，电子由收集区注入到基区，最后扩散到发射结附近并被由收集区注入到基区，最后扩散到发射结附近并被发射结电场拉向发射区，基区中的过剩少子电子的发射结电场拉向发射区，基区中的过剩少子电子的浓度梯度也与正向放大状态正好相反。浓度梯度也与正向放大状态正好相反。半导体物理与器件BJT中三个区域掺杂浓度不同，中三个区域掺杂浓度不同，几何结构也非对称。反向有源几何结构也非对称。反向有源模式下模式下BJT的电流增益将大大的电流增益将大大下降，如图所示，由于发射极下降，如图所示，由于发射极的面积远小于收集结的面积，的面积远小于收集结的面积，因此由收集区注入到基区的电因此由收集区注入到基区的电子只有很少一部分能够被发射子只有很少一部分能够被发射区所收集。区所收集。半导体物理与器件10.3 低频信号下的共基极电流增益低频信号下的共基极电流增益m信号放大信号放大电流增益电流增益m电流增益电流增益电流成分电流成分m电流成分电流成分少数载流子分布少数载流子分布m少数载流子分布少数载流子分布结构参数结构参数少子分布少子分布电流成分电流成分电流增益电流增益具体应用具体应用半导体物理与器件 BJT BJT的基本工作原理是的基本工作原理是集电极电流集电极电流受到受到发射结电压发射结电压的控制作用。而共基极电流增益也就是定义为的控制作用。而共基极电流增益也就是定义为BJTBJT器件器件的的集电极电流与发射极电流之比集电极电流与发射极电流之比。半导体物理与器件q影响共基极电流增益的因素影响共基极电流增益的因素 一个处于正向放大模式的双极型晶体管，其内部存在一个处于正向放大模式的双极型晶体管，其内部存在着多种不同的粒子流，所对应的电流密度如图所示。着多种不同的粒子流，所对应的电流密度如图所示。半导体物理与器件mJnE为基区中为基区中x=0处由于少子电子的扩散所引起的电流；处由于少子电子的扩散所引起的电流；mJnC为基区中为基区中x=xB处由于少子电子的扩散所引起的电流；处由于少子电子的扩散所引起的电流；mJRB则为则为JnE与与JnC之差，它是由基区中过剩少子电子与多之差，它是由基区中过剩少子电子与多子空穴的复合所引起的，即为补偿基区内因复合而损失子空穴的复合所引起的，即为补偿基区内因复合而损失的空穴数目，必须由基极提供的空穴电流；的空穴数目，必须由基极提供的空穴电流；mJpE为发射区中为发射区中x=0处由于少子空穴的扩散所引起的电流；处由于少子空穴的扩散所引起的电流；mJR为正偏发射结中的载流子复合电流；为正偏发射结中的载流子复合电流；mJpc0为器件集电区中为器件集电区中x=0处由于少子空穴的扩散所引起处由于少子空穴的扩散所引起的电流；的电流；mJG为反偏集电结中的载流子产生电流。为反偏集电结中的载流子产生电流。半导体物理与器件其中其中J JRBRB、J JpEpE和和J JR R这三个电流仅仅流过发射结，并没这三个电流仅仅流过发射结，并没有流过集电结，而有流过集电结，而J Jpc0pc0和和J JG G这两个电流则仅仅流过收这两个电流则仅仅流过收集结，并没有流过发射结。因此这些电流成分对晶集结，并没有流过发射结。因此这些电流成分对晶体管作用或电流增益并没有任何贡献。直流情况下体管作用或电流增益并没有任何贡献。直流情况下BJTBJT器件的共基极电流增益定义为：器件的共基极电流增益定义为：如果我们假设如果我们假设BJT器件的发射结面积与收集结面积器件的发射结面积与收集结面积相等，则上式可表示为相等，则上式可表示为半导体物理与器件 我们真正感兴趣的实际上是器件的集电极电流如我们真正感兴趣的实际上是器件的集电极电流如何随着发射极电流的何随着发射极电流的改变而变化改变而变化，即在正弦小信号情，即在正弦小信号情况下，况下，BJTBJT器件的共基极电流增益可定义为：器件的共基极电流增益可定义为：半导体物理与器件注意，上述几个因子的定义公式仅仅是对注意，上述几个因子的定义公式仅仅是对npnnpn型型BJTBJT器件而言的，对于器件而言的，对于PNPPNP型型BJTBJT器件来说，这些因子的器件来说，这些因子的定义公式也是完全类似的，只是公式中的电子电流和定义公式也是完全类似的，只是公式中的电子电流和pnppnp电流要互相对调一下。在理想情况下我们总是希电流要互相对调一下。在理想情况下我们总是希望望=1=1，但是由上式可见，实际的，但是由上式可见，实际的总是小于总是小于1 1的。的。空穴电流成分比重空穴电流成分比重对电流增益的影响对电流增益的影响有效输运性，即基有效输运性，即基区中复合电流对电区中复合电流对电流增益的影响流增益的影响B-E结耗尽区复合结耗尽区复合对电流增益带来的对电流增益带来的影响，影响，pn结的非结的非理想因素理想因素半导体物理与器件q影响电流增益因素的数学推导影响电流增益因素的数学推导m发射极注入效率因子发射极注入效率因子：考虑理想情况下的发射极注入效率因子，有：考虑理想情况下的发射极注入效率因子，有：半导体物理与器件双曲正切双曲正切双曲余弦双曲余弦双曲正弦双曲正弦函数的图形函数的表达式函数名称半导体物理与器件 利用已经求得的正向放大模式下利用已经求得的正向放大模式下BJTBJT中各区的少数载中各区的少数载流子浓度分布，上述两个电流密度表示为：流子浓度分布，上述两个电流密度表示为：半导体物理与器件由此可得由此可得BJT的发射极注入效率为：的发射极注入效率为：当满足条件：当满足条件：则可进一步简化为：则可进一步简化为：m基区输运因子基区输运因子：根据定义，有：根据定义，有：使注入效率近似等于使注入效率近似等于1的结构参数选择：的结构参数选择：NBNE半导体物理与器件上式中的两个电流密度可表示为：上式中的两个电流密度可表示为：JnE的表达式前面已经求出，利用基区中的少数载流子浓的表达式前面已经求出，利用基区中的少数载流子浓度分布公式可以求得度分布公式可以求得JnC的表达式为：的表达式为：当满足下述条件：当满足下述条件：有：有：半导体物理与器件因此有因此有当满足条件：当满足条件：时，则有：时，则有：上式还可以进一步简化为：上式还可以进一步简化为：m复合因子：根据定义，我们可以进一步将复合因子表复合因子：根据定义，我们可以进一步将复合因子表示为：示为：使基区输运系数近似使基区输运系数近似等于等于1的结构参数条件：的结构参数条件：xBLB半导体物理与器件其中其中JR可表示为：可表示为：而而JnE可表示为：可表示为：其中其中Js0为：为：因此复合因子为：因此复合因子为：复合因子是发射结正向偏置电压的函数，随着复合因子是发射结正向偏置电压的函数，随着VBE增加，增加，复合电流成分减少，复合系数接近于复合电流成分减少，复合系数接近于1使复合因子近似为使复合因子近似为1的的条件：条件：VBE足够大；结足够大；结构条件：构条件：xBE尽可能小：尽可能小：E、B区重掺杂区重掺杂半导体物理与器件 另外，复合因子中通常还必须考虑表面复合效应的影响，另外，复合因子中通常还必须考虑表面复合效应的影响，如下图所示，当电子由发射区注入到基区之后，由于基区表如下图所示，当电子由发射区注入到基区之后，由于基区表面复合效应的影响，有一部分电子还将会向基区表面扩散。面复合效应的影响，有一部分电子还将会向基区表面扩散。半导体物理与器件q小结小结 以上我们对以上我们对npnnpn型型BJTBJT器件的少数载流子浓度分布以及电器件的少数载流子浓度分布以及电流增益做了初步的分析，上述分析对流增益做了初步的分析，上述分析对PNPPNP型型BJTBJT器件也是完全适器件也是完全适用的，只是电子和空穴的浓度必须对调，同时外加电压的极性用的，只是电子和空穴的浓度必须对调，同时外加电压的极性和电流的方向也必须反转。对于共基极和电流的方向也必须反转。对于共基极pnpBJTpnpBJT的直流电流增益的直流电流增益为：为：半导体物理与器件半导体物理与器件限制因素小结限制因素小结发射极注入效率发射极注入效率基区输运系数基区输运系数复合系数复合系数共基极电流增益共基极电流增益共发射极电流增益共发射极电流增益半导体物理与器件q结构参数与增益：结构参数与增益：m共基极电流增益共基极电流增益 中的每一项都小于中的每一项都小于1，为了，为了得到尽可能大的电流增益，要求每一项都尽可能接近得到尽可能大的电流增益，要求每一项都尽可能接近于于1mNBVVT T复合系数复合系数1 1是不是根据电流增益对结构的要求而是不是根据电流增益对结构的要求而将结构参数作相应的调整就可以得到将结构参数作相应的调整就可以得到任意大的电流增益呢？任意大的电流增益呢？实际并非如此实际并非如此非理想效应非理想效应例例10.110.4半导体物理与器件10.4 非理想效应非理想效应m前边分析所涉及到的理想假设：前边分析所涉及到的理想假设：均匀掺杂均匀掺杂小注入小注入发射区和基区宽度恒定发射区和基区宽度恒定禁带宽度为定值禁带宽度为定值电流密度均匀电流密度均匀非击穿非击穿理想中性区理想中性区双极输运方程双极输运方程不考虑偏置影响不考虑偏置影响禁带宽度和杂质禁带宽度和杂质1维器件模型维器件模型电压限制电压限制半导体物理与器件q基区宽度调制效应基区宽度调制效应m基区宽度被基区宽度被B-C结反向偏压所调制结反向偏压所调制P.282 例例10.5半导体物理与器件m基区宽变效应引起基区少子浓度梯度增加，从而造成基区宽变效应引起基区少子浓度梯度增加，从而造成电流增大，这导致实际的集电极电流电流增大，这导致实际的集电极电流iC随随B-C结反向偏结反向偏压增大而缓慢增大。又称为厄利效应。压增大而缓慢增大。又称为厄利效应。理想情况下器件集电极电流与集电结上的反偏电压无关，即输理想情况下器件集电极电流与集电结上的反偏电压无关，即输出电导为零；然而由于基区宽度调制效应，器件的输出电导不出电导为零；然而由于基区宽度调制效应，器件的输出电导不为零，输出特性曲线变斜，斜线交点处的电压值称为厄利电压，为零，输出特性曲线变斜，斜线交点处的电压值称为厄利电压，通常在通常在100300V之间。之间。P.283 例例10.6半导体物理与器件由输出特性曲线可得：由输出特性曲线可得：其中其中VA、VCE均定义为正值，均定义为正值，g0为为BJT的输出电导，因的输出电导，因此有：此有：考虑基区宽度调制效应之后，考虑基区宽度调制效应之后，BJT器件的集电极电流与器件的集电极电流与集电结上的外加反向电压相关。集电结上的外加反向电压相关。问题：问题：为了尽量减小厄利效应，基区和集电区掺杂以及为了尽量减小厄利效应，基区和集电区掺杂以及基区宽度应当如何设计？基区宽度应当如何设计？半导体物理与器件q大注入效应大注入效应m当当VBE增大到一定程度时，注入到基区的少数载流子增大到一定程度时，注入到基区的少数载流子电子的浓度有可能超过基区多数载流子空穴的浓度，电子的浓度有可能超过基区多数载流子空穴的浓度，这种情况为大注入。这种情况为大注入。为了保持电中性，注入为了保持电中性，注入的电子超过空穴浓度时，的电子超过空穴浓度时，空穴浓度也要有相应的空穴浓度也要有相应的增加。需要补充的这部增加。需要补充的这部分空穴来源于基极电流，分空穴来源于基极电流，并造成注入到发射区的并造成注入到发射区的空穴浓度增加，空穴电空穴浓度增加，空穴电流增大，注入效率降低，流增大，注入效率降低，增益减小。增益减小。半导体物理与器件集电极电流和电流增益的集电极电流和电流增益的关系。关系。当器件的集电极电流当器件的集电极电流增大到一定程度之后，增大到一定程度之后，BJTBJT的电流增益将开始下的电流增益将开始下降，这就是因为基区中多降，这就是因为基区中多数载流子浓度增加导致器数载流子浓度增加导致器件发射结注入效率下降的件发射结注入效率下降的结果结果。注意在小电流下，由注意在小电流下，由于于B-E结空间电荷区复合结空间电荷区复合电流的影响，造成在小电电流的影响，造成在小电流下，增益下降。流下，增益下降。半导体物理与器件大注入的另一方面的影响：在小注入条件下，大注入的另一方面的影响：在小注入条件下，npnnpn型型BJTBJT器件基器件基区中区中x=0 x=0处多数载流子空穴的浓度为：处多数载流子空穴的浓度为：同一位置处少数载流子电子的浓度为：同一位置处少数载流子电子的浓度为：二者的乘积满足：二者的乘积满足：在大注入条件下，上式仍然成立，但是此时在大注入条件下，上式仍然成立，但是此时p pp p(0)(0)也会有所增也会有所增大，特别是在大注入时，可以认为其随大，特别是在大注入时，可以认为其随V VBEBE增大的速率与增大的速率与n np p(0)(0)相同相同半导体物理与器件因此在大注入条件下因此在大注入条件下n np p(0)(0)随随V VBEBE增大的速率将逐渐逼增大的速率将逐渐逼进下述关系：进下述关系：由式可见，在发由式可见，在发射结由小注入逐步进入射结由小注入逐步进入到大注入的过程中，基到大注入的过程中，基区中过剩载流子空穴的区中过剩载流子空穴的浓度随着浓度随着V VBEBE增大的速率增大的速率将逐步减慢，因此集电将逐步减慢，因此集电极电流随着极电流随着V VBEBE增大的速增大的速率也将逐渐减慢，如右率也将逐渐减慢，如右图所示，可见大注入效图所示，可见大注入效应非常类似于应非常类似于PNPN结中串结中串联电阻的影响。联电阻的影响。半导体物理与器件q发射区禁带宽度变窄效应发射区禁带宽度变窄效应m注入效率与发射区的掺杂浓度有关注入效率与发射区的掺杂浓度有关问题：是不是掺杂浓度越高，注入效率越大？问题：是不是掺杂浓度越高，注入效率越大？随着掺杂浓度不断增大，杂质能级之间的相互作用增随着掺杂浓度不断增大，杂质能级之间的相互作用增强，杂质能级不再是局域化的分立能级，而开始分裂强，杂质能级不再是局域化的分立能级，而开始分裂成杂质能带，导致有效禁带宽度降低。成杂质能带，导致有效禁带宽度降低。半导体物理与器件对于重掺杂的发射区来说，其本征载流子浓度可表示为：对于重掺杂的发射区来说，其本征载流子浓度可表示为：公式说明了随着反公式说明了随着反射区有效禁带宽度射区有效禁带宽度的降低，本征载流的降低，本征载流子浓度将增大。子浓度将增大。施主能带施主能带本征导带本征导带简并导带简并导带能带边沿尾部能带边沿尾部EgEg价带价带半导体物理与器件注入效率注入效率与与E E、B B区的少子浓度比值有关。而平衡少子区的少子浓度比值有关。而平衡少子浓度浓度p pE0E0随着本征载流子浓度增加增加的很快：随着本征载流子浓度增加增加的很快：可以看到，在轻掺杂情况下，禁带宽度不变，随着可以看到，在轻掺杂情况下，禁带宽度不变，随着E E区区掺杂浓度的提高，少数载流子浓度掺杂浓度的提高，少数载流子浓度p pE0E0下降，但随着重下降，但随着重掺杂程度的加深，禁带宽度的减小导致本征载流子浓掺杂程度的加深，禁带宽度的减小导致本征载流子浓度呈指数方式增大，因而少数载流子浓度不再减小反度呈指数方式增大，因而少数载流子浓度不再减小反而增大，此时若再施以更重的掺杂，则会造成发射极而增大，此时若再施以更重的掺杂，则会造成发射极注入效率下降而导致增益下降。注入效率下降而导致增益下降。因而：因而：对于注入效率来讲，并非发射极的掺杂浓度越大对于注入效率来讲，并非发射极的掺杂浓度越大越好。越好。P.286 例例10.7半导体物理与器件q发射极电流集边效应：发射极电流集边效应：对于一个典型的平面集成化对于一个典型的平面集成化BJT器件来说，其基器件来说，其基区宽度通常不会超过一个微米，因此位于发射区区宽度通常不会超过一个微米，因此位于发射区下方的内基区（也称为本征基区，如下页图所示）下方的内基区（也称为本征基区，如下页图所示）电阻就会比较大，这样一来基极电流在这个电阻电阻就会比较大，这样一来基极电流在这个电阻上就会产生比较大的压降，而器件的发射区通常上就会产生比较大的压降，而器件的发射区通常为重掺杂，因此整个发射区可以看作是一个等势为重掺杂，因此整个发射区可以看作是一个等势体。由于体。由于BJT器件的发射极电流与其发射结上的器件的发射极电流与其发射结上的压降成指数关系，因此流过整个发射结的电流就压降成指数关系，因此流过整个发射结的电流就会出现集边效应。会出现集边效应。半导体物理与器件 如下图所示，对于实际的平面集成化如下图所示，对于实际的平面集成化BJTBJT器件来器件来说，基区可分为本征基区（位于发射结下方）和非本说，基区可分为本征基区（位于发射结下方）和非本征基区（位于发射结下方以外）两部分。征基区（位于发射结下方以外）两部分。半导体物理与器件 本征基区电阻的影响如下图所示，从图中可见，本征基区电阻的影响如下图所示，从图中可见，当基极电流流过本征基区电阻时将产生压降，由此导当基极电流流过本征基区电阻时将产生压降，由此导致致BJTBJT器件的发射结电流出现集边效应。器件的发射结电流出现集边效应。半导体物理与器件 当当BJTBJT器件中出现发射结电流集边效应时（如下器件中出现发射结电流集边效应时（如下图所示），靠近发射结边缘处的电流密度将远远大于图所示），靠近发射结边缘处的电流密度将远远大于发射结中心处的电流密度，因此整个发射结流过的总发射结中心处的电流密度，因此整个发射结流过的总电流将不随电流将不随发射结面积发射结面积的增加而线性增大，而只随着的增加而线性增大，而只随着发射结周长发射结周长的增加而线性增大。对于要求输出电流比的增加而线性增大。对于要求输出电流比较大的功率型较大的功率型BJTBJT器件来说，一般不是采用简单地增器件来说，一般不是采用简单地增大发射结面积的方法来提高输出电流，而是采用多个大发射结面积的方法来提高输出电流，而是采用多个长条形的发射极和基极交错排列，形成所谓的插指状长条形的发射极和基极交错排列，形成所谓的插指状并联结构，如下页图所示。并联结构，如下页图所示。半导体物理与器件 需要输出较需要输出较大电流的功率型大电流的功率型BJTBJT器件通常采器件通常采用多发射极长条用多发射极长条和多基极长条交和多基极长条交错排列的错排列的插指状插指状并联结构，如左并联结构，如左图所示，以避免图所示，以避免发射结电流集边发射结电流集边效应，并充分利效应，并充分利用用BJTBJT有效的发有效的发射结面积，同时射结面积，同时减小基极电阻。减小基极电阻。半导体物理与器件q非均匀基区掺杂效应：非均匀基区掺杂效应：在前面的分析中，我们一直假设在前面的分析中，我们一直假设BJTBJT的基区掺杂的基区掺杂浓度是均匀的，然而实际情况却并非完全如此，例浓度是均匀的，然而实际情况却并非完全如此，例如在双扩散型如在双扩散型BJTBJT中，器件基区的掺杂浓度就是非均中，器件基区的掺杂浓度就是非均匀的，如下图所示。匀的，如下图所示。图中的图中的BJTBJT器件采器件采用均匀掺杂的用均匀掺杂的N N型硅衬型硅衬底材料，然后由表面底材料，然后由表面向衬底体内扩散受主向衬底体内扩散受主杂质，形成补偿的杂质，形成补偿的P P型型基区，最后再采用同基区，最后再采用同样的方法形成二次补样的方法形成二次补偿的偿的N N型发射区。型发射区。半导体物理与器件器件内部缓变的杂质分布将引起内建电场，器件内部缓变的杂质分布将引起内建电场，BJTBJT器件器件中非均匀的基区掺杂浓度也会在基区中形成一个内建中非均匀的基区掺杂浓度也会在基区中形成一个内建电场。对于电场。对于P P型基区来说，在热平衡状态下，多数载型基区来说，在热平衡状态下，多数载流子空穴的电流应该为零，即：流子空穴的电流应该为零，即：由上页图中可见，基区掺杂浓度的梯度为负值，因由上页图中可见，基区掺杂浓度的梯度为负值，因此上式表明，内建电场的方向沿着此上式表明，内建电场的方向沿着x x轴的负方向。当电轴的负方向。当电子由子由N N型发射区注入到型发射区注入到P P型基区中之后，将通过扩散运型基区中之后，将通过扩散运动流向集电区，此时内建电场将对这些电子的扩散运动流向集电区，此时内建电场将对这些电子的扩散运动起到加速作用，因此这个内建电场也称为加速场。动起到加速作用，因此这个内建电场也称为加速场。半导体物理与器件qBJTBJT器件的击穿电压：器件的击穿电压：在在BJTBJT器件中，通常存在着两种截然不同的击穿机理。器件中，通常存在着两种截然不同的击穿机理。第一种是所谓的基区穿通击穿机理。如下图所示，当器第一种是所谓的基区穿通击穿机理。如下图所示，当器件发射结和集电结上的外加偏置电压均为零时，件发射结和集电结上的外加偏置电压均为零时，BJTBJT器器件处于热平衡状态，整个器件中没有电流流过。而当集件处于热平衡状态，整个器件中没有电流流过。而当集电结上外加反偏电压时，集电结空间电荷区宽度将逐渐电结上外加反偏电压时，集电结空间电荷区宽度将逐渐扩展。随着集电结上反偏电压的不断增加，集电结空间扩展。随着集电结上反偏电压的不断增加，集电结空间电荷区有可能扩展至整个基区电荷区有可能扩展至整个基区半导体物理与