半导体器件物理-第三章.ppt

,*,第三章,双极结型晶体管,第三章,双极结型晶体管,发展历史,:,1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-,Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain)1949,年提出,PN,结和双极结型晶体管理论-,Bell Lab.(Shockley)1951,年制造出第一只锗结型晶体管-,Bell Lab.(Shockley),195,6,年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（,TI）1956,年,Bardeen、Shockley、Brattain,获诺贝尔奖,1956,年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三）1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产,3.1双极结型晶体管的结构,晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频管和高频管，小功率管和大功率管，高反压管和开关管等等。,但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为发射结和集电结的,P-N,结组成。,两个,P-N,结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集电极，用符号,E,、,B,、,C,（,e,、,b,、,c,）表示。,晶体管的基本形式可分为,PNP,型和,NPN,型两种。,3.1双极结型晶体管的结构,合金管,合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在,N,型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成,P,型半导体，从而形成,PNP,结构，如图所示。图中,W,b,为基区宽度，,X,je,和,X,jc,分别为发射结和集电结的结深。,合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个,P-N,结都是突变结。,合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到,10,微米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。,平面管,平面晶体管的发射区和基区是用杂质扩散的方法制造得到的，所以在平面管的三层结构即三个区域的杂质分布是不均匀的。,其杂质分布可根据扩散工艺推算出来，如图所示。,3.1双极结型晶体管的结构,芯片是通过以下步骤制造出来的,衬底制备,衬底为低阻,N,型硅，电阻率在 左右，沿（111）面切成厚约,的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。,外延,外延层为,N,型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。,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。,光刻硼扩散窗口,3.1双极结型晶体管的结构,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。,光刻磷扩散窗口,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,+,区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。,光刻发射极和基极接触孔,蒸发铝,在铝上光刻出电极图形,晶体管的基区杂质分布有两种形式：,均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管。均匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，故又称为扩散型晶体管。,基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。,3.,2基本工作原理,3.,2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。令，,，分别为基极,对发射极和基 极对集电极的电压。则四种工作模式是：,（,1,）,正向有源模式：,0,，,0,；,（,2,）,反向有源模式：,0,，,0,；,（,3,）,饱和模式：,0,，,0,；,（,4,）,截止模式：,0,，,0,。,工作模式和少子分布,(1),正向有源工作模式：,0,，,0,基区少子满足的边界条件为 ，,(2),反向有源工作模式：,0,相应的边界条件为,:,(3),饱和工作模式：,0,，,0,相应的边界条件为,:,(4),截止工作模式,:,0,，,0,相应的边界条件为,:,前面指出，双极晶体管有四种工作模式，取决于发射结和集电结的偏置状况。,NPN,晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图,发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子。注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边扩散，边复合，最后形成一稳定分布，记作,n,B,(x),。同样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，记作,p,E,(x),。,集电结反偏，集电结势垒区对载流子起抽取作用。当反向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到集电结势垒区,X,mC,的电子，都被势垒区电场拉向集电区。因此，势垒区边界,X,3,处少子浓度下降为零；同样，在集电区一边，凡是能够扩散到,X,mC,的空穴，也被电场拉向基区，在,X,4,处少子浓度也下降为零，其少子浓度分布为,p,C,(x),。,3.4,爱拜耳斯,-,莫尔方程,四种工作模式及相应的少子分布,此外,，,0,正向有源,饱 和,截 止,反向有源,图,3-14,晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布,3.2基本工作原理,共基极连接晶体管的放大作用,3.2基本工作原理,共基极连接晶体管的放大作用,图,3-6,（,b,）NPN,晶体管共基极能带图,当晶体管作为放大运用时,发射结加正向偏压,V,E,集电结加反向偏压,V,C,3.2基本工作原理,电流分量,3.2基本工作原理,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,。,3.2基本工作原理,电流分量,（3-1）,（3-,2,）,（3-,3,）,（3-,4,）,3.2基本工作原理,电流增益,为描述晶体管的增益特性引进以下物理量,发射极注射效率,（3-,5,）,（3-7）,基区输运因子,共基极直流电流增益,（3-6）,3.2基本工作原理,电流增益,显然,（3-8）,（3-10）,利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成,考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为,（3-9）,减小基区体内复合电流是提高,T,的有效途径，主要措施是减薄基区宽度,W,B,，使基区宽度远小于少子在基区的扩散长度,L,nB,，即,W,B,远小于,L,nB,。,所以，在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度，从而得到合适的电流放大系数。若基区太宽，甚至比基区少子扩散长度大得多，则晶体管相当于两个背靠背的二极管。发射结相当于一只正向偏压二极管，集电结相当于一只反向偏压二极管，互不相干。这样，晶体管就失去放大电流、电压的能力。,3.2基本工作原理,式中定义,共发射极接法,晶体管的放大作用,晶体管在共射极运用时，,I,C,=h,FE,I,B,。由于,h,FE,远大于,1,，输入端电流,I,B,的微小变化，将引起输出端电流,I,C,较大的变化，因此具有放大电流的能力。,在共基极运用时，,I,C,=I,E,。由于,接近于,1,，当输入端电流,I,E,变化,I,E,时，引起输出端电流,I,C,的变化量,I,C,小于等于,I,E,。所以起不到电流放大作用。但是可以进行电压和功率的放大。,晶体管具有放大能力，必须具有下面条件,（,1,）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，,即,N,E,远大于,N,B,，以保证发射效率,1,；,（,2,）基区宽度,W,B,远小于,L,nB,，,保证基区输运系数,T,1,；,（,3,）发射结必须正偏，使,r,e,很小；,集电结反偏，使,r,c,很大，,r,c,远大于,r,e,。,晶体管的特性曲线,晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管各电极电流与电压间的关系，反映晶体管内部所发生的物理过程，以及晶体管各直流参数的优劣。,所以，在生产过程中常用特性曲线来判断晶体管的质量好坏。,晶体管的接法不同，其特性曲线也各不相同。,共基极输入特性曲线,输出电压,V,CB,一定时，输入电流与输入电压的关系曲线，即,I,E,V,BE,关系曲线,。,由于发射结正向偏置，所以，,I,E,V,BE,输入特性实际上就是正向,P-N,结的特性，因而,I,E,随,V,BE,指数增大。,但它与单独,P-N,结间存在差别，这是由于集电结反向偏置,V,CB,影响的结果。若,V,CB,增大，则集电结的势垒变宽，势垒区向基区扩展，这样就使有效基区宽度随,V,CB,增加而减小（这种现象称为基区宽变效应）。由于,W,B,减小，使少子在基区的浓度梯度增加，从而引起发射区向基区注入的电子电流,I,nE,增加，因而发射极电流,I,E,就增大。,所以，输入特性曲线随,V,CB,增大而左移。,共射极输入特性曲线,在输出电压,V,CE,一定时，输入端电流,I,B,与输入端电压,V,BE,的关系曲线，即,I,B,V,BE,曲线。,由于发射结正偏，如将输出端短路，,V,CE,=0,时，就相当于将发射结与集电结两个正向,P-N,结并联。,所以，输入特性曲线与正向,P-N,结伏安特性相似。,当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，,I,B,也就减少。所以，特性曲线随,V,CE,的增加而右移。,而且，当,V,BE,=0,时，,I,pE,和,I,VR,都等于零，故,I,B,=-I,CBO,。因而在,V,BE,=0,处，特性曲线下移至,I,CBO,。,共基极输出特性曲线,输出端电流随输出电压变化的关系曲线，即,I,C,V,CB,关系曲线。,当,I,E,=0,，即发射结不发射载流子时，输出电流,I,C,=I,CBO,，这时的输出特性就是集电结的反向特性，即图中最靠近水平坐标而且基本上平行于坐标轴的曲线。,当,I,E,0,时，随着,I,E,的增加，,I,C,按,I,E,的规律增大。若,I,E,取不同的数值，就得到一组基本上互相平行的,I,C,V,CB,关系曲线，这就是共基极输出特性曲线。,共射极输出特性曲线,I,C,V,CE,关系曲线,当,I,B,=0,（基极开路）时，,I,C,=I,CEO,。这是因为共射极电路的输出电压为,V,CE,，这个电压虽然主要降落在集电结上，使集电结反偏，但也有一小部分电压降落在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当,I,B,=0,时，,I,E,并不为零，这部分发射极电流输运到集电极上，使输出电流,I,CE0,比,I,CB0,大，这就是图中下面的第一条曲线。,当,I,B,0,时，随着,I,B,的增加，,I,C,就按,I,B,的规律增加。,I,B,取不同的数值，,I,B,V,CE,关系就得到一组曲线。,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.1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）结是理想的平面结，载流子作一维运动；,（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）基区宽度远小于少子扩散长度；,（5）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；,（6）发射结面积和集电结面积相等；,（,7,）小注入，等等,晶体管中载流子浓度分布及传输,设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，分别用,N,E,、,N,B,、,N,C,表示，且,N,E,远大于,N,B,大于,N,C,。,W,e,发射区宽度,W,b,基区宽度,W,c,集电区宽度,X,me,发射结势垒宽度,X,mc,集电结势垒宽度,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.1电流传输,图3-10是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,一、电流传输,中性基区（0,）少子电子分布及其电流,：,边界条件为：,（3-16）,（3-17）,（3-18）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,电子电流,（3-16）,（3-1,9,）,（3-,20,）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,二、发射区少子空穴分布及其电流：,边界条件：,（3-21）,（3-23,a）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,若,，（3-23,a）,式可以写作：,（3-23,b）,（3-24,）,空穴电流为：,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,三,、集电区少子空穴分布及其电流,边界条件：,（3-23）,（3-26,）,（3-25）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.2正向有源模式,一、少数载流子分布,在 的情况下，（3-27,a）,式简化,（3-27,a）,（3-27,b）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.2正向有源模式,图3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,二、电流分量,基区电子电流,：,（3-28,）,（3-29,）,若,（3-30,）,（3-31,）,（3-32,）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,空穴电流,（3-2,4,）,（3-33,）,正偏压发射结空间电荷区复合电流：,（3-34,）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,（3-35,）,（3-36,）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,晶体管的输出特性曲线,图,3-12,NPN,晶体管的静态电流,电压特性,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,三、共发射极电流增益,（3-37）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,四、共发射极电流增益与工作电流的关系,图,3-13,电流增益对集电结电流的依赖关系,3.11,击穿电压,功率晶体管的二次击穿和安全工作区,二次击穿是功率晶体管早期失效或损坏的重要原因，它已成为影响功率晶体管安全可靠使用的重要因素。,自从,1957,年发现二次击穿现象以来，二次击穿一直受到极大的重视。,晶体管二次击穿的实验曲线,击穿曲线上可用,A,、,B,、,C,、,D,四点将其分为四个区域。,当电压,V,CE,增加到集电结的雪崩击穿电压时，首先在,A,点发生雪崩击穿；,雪崩击穿后，集电极电流,I,C,随电压增加很快上升。当电流增加到,B,点，并在,B,点经过短暂的停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电流,C,点，若电路无限流措施，电流将继续增加，进入低压大电流区域,CD,段，直至最后烧毁。,二次击穿,器件承受的电压突然降低，电流继续增大，器件由高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。,二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。,在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器件特性恶化或失效。,若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二次击穿特性，利用此特性可以制成二次击穿振荡器。,二次击穿耐量低的晶体管，经多次二次击穿后必然失效。,二次击穿的机理,热型（热不稳定型）,：二次击穿是局部温度升高和电流集中往复循环的结果。,而循环和温度升高都需要一定的时间，因此热型二次击穿的触发时间较长。（慢速型）,电流型（雪崩注入型）,：由雪崩注入引起,雪崩击穿即刻发生，所以此种击穿的特点是器件由高压小电流状态向低压大电流状态过渡十分迅速，所需延迟时间很短，因此电流型二次击穿是快速型的二次击穿。,晶体管的安全工作区（,SOA,）,晶体管能安全可靠地工作，并具有较长寿命的工作范围。,由最大集电极电流,I,CM,，极限电压,BV,CE0,，最大功耗线和二次击穿临界线,P,sB,所限定的区域。,功率晶体管直流安全工作区,最大功耗线（图中实线）,由最大耗散功率,P,Cm,、热阻、最高结温和环境温度决定。,功耗线右边（,区）为功率耗散过荷区。功率过大，将产生大量热量，造成引线熔断和镍铬电阻烧毁等。,二次击穿临界线（图中虚线）,由实验测定，它随改善二次击穿特性措施的实施而逐渐靠近最大功耗线。,区域,为热型二次击穿区。工作在此区内，晶体管将产生过热点，最终导致材料局部熔化，结间产生熔融孔而永久失效。,区为雪崩注入二次击穿区，若外电路无限流措施，同样会造成晶体管永久失效。,区为雪崩击穿区。在,、,两区内，若采取限流措施，均不会造成晶体管永久失效，,区为电流过荷区，电流过荷区将会使,、特征频率等参数严重下降，晶体管性能恶化。,晶体管的安全工作区（图中阴影部分）,安全工作区的大小与电路工作状态有关。,从设计和制造的角度考虑，尽量扩大晶体管的安全工作区仍是高频功率管的重要任务。,如何扩大安全工作区,首先，努力做到使安全工作区由最大集电极电流,I,CM,，最高集电极电压,BV,CE0,和最大功耗线所限定。,（改善器件的二次击穿特性，将二次击穿临界线移到最大功耗线之外，至少也要移到最大功耗线上。）,其次，通过选择合适的材料和正确的设计。,（提高器件的耐压；增大器件的最大电流；降低热阻，提高晶体管的耗散功率）,晶体管中最高电压的根本限制与在,P-N,结二极管中的相同，即雪崩击穿或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的,P-N,结的性质，它还依赖于外部的电路结构。,一、共基极连接,在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏压,:,经验公式（对于共基极电路）：,图,3-27,中，在 处 突然增加,.,从集电极电流与发射极电流之间的关系来看，包含,雪崩效应的有效电流增益增大,M,倍，即,（,3-99,）,（,3-100,）,3.11,击穿电压,当,M,接近无穷时满足击穿条件。,图,3-27,共发射极和共基极电路的击穿电压,3.11,击穿电压,二、共发射极连接,由于 ，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为,当达到的条件 时，新的电流增益变为无穷，即发生击穿。,由于 非常接近于,1,，当 不要比,1,大很多时就能满足共发射极击穿条件。,基极开路情况下的击穿电压用 表示。令（,3-99,）式中的 并使,等于 ，可以解得,硅的 数值在,2,到,4,之间，在 值较大时，共发射极击穿电压 可比共基极击穿,电压低很多。,（,3-101,）,（,3-102,）,3.11,击穿电压,共发射极的击穿特性也示于图,3-27,中,图,3-28,晶体管的穿通：（,a,）穿通前的空间电荷区（,b,）能带图（,c,）穿通后的空间电荷区,耗尽层,在穿通前,在穿通后,（,a,）,（,b,）,（,c,）,3.11,击穿电压,穿通电压,：,若在发生雪崩击穿之前集电结的空间电荷层到达了发射结，则晶体管穿通，这个击穿电压就叫做穿通电压。,穿通机制,：,一个晶体管的空间电荷区及能带分布示于图,3-28,中。在这种条件下，发射区和集电区被连接成好象一个连续的空间电荷区，使发射结处的势垒被穿通时的集电结电压降低了。结果是，使得大的发射极电流得以在晶体管当中流过并发生击穿,。,穿通击穿的特点,：,穿通击穿的,I-V,曲线不象雪崩击穿那样陡直。,3.11,击穿电压,穿通电压的计算：,1,、如图所示，为基区的冶金学宽度，是,BC,结延伸到基区中的空间电荷区宽度。忽略,BE,结在零偏或,正偏压时的空间电荷区宽度，当反偏压使时出现基区穿通。,计算穿通击穿电压。,解：对于两边杂质浓度接近的,PN,结，空间电荷区宽度可以表示为：,（,1,）,（,2,）,3.11,击穿电压,忽略,BE,结在零偏或正偏压时的,SCR,宽度，那么当 时会出现基区穿通，从而根据注公式（,1,）有,穿通时，令集电结反偏压为,BV,BC,故穿通电压为,（,3,）,3.11,击穿电压,2,、一均匀基区硅,BJT,的基区宽度为 ，基区杂质浓度 。若穿通击穿电压期望值为,BV,BC,=25V,，集电区掺杂浓度为若干？如果不使集电区穿通，集电区宽度至少应大于多少？（硅相对介电常数,k,11.9,，,8.85 F/M,，,q,1.6c,）,解：根据公式（,3,）：,得到,3.11,击穿电压,忽略 ，穿通击穿时，,BV,BC,=25V,，则,集电区空间电荷区宽度,（,4,）,集电区宽度至少要大于,。,第三章练习,基本概念：合金管，平面管，发射效率，基区输运因子，共基极电流增益，二次击穿，穿通电压，穿通击穿机制。,双极晶体管有四种工作模式及少子分部,教学要求：,3.1,、,3.2,、,3.3,（,1,，,2,4,5,）、,3.11,