25半导体器件物理(第四章双极型晶体管及其特性)资料精品PPT课件

2.平面管
E
B Al
ND NA
N
P
Wb
x jc
N
N
C
N
0
x je P
N
x jc
x
三个区域的杂质分布是不均匀的。由于此晶体管的基区和发 射区是由两次扩散工艺形成的，因此称为双扩散管。
4.1 晶体管结构与工作原理 4.1.2 晶体管的电流传输
1. 晶体管的载流子分布
I C I nC I CBO
4.1 晶体管结构与工作原理
4.1 晶体管结构与工作原理
发射效率γ0
InE
IE
I nE
1
I nE I pE 1 I pE I nE
基区输运系数
* 0
I nC I nE
* 0
InE IVR I nE
1
IVR I nE
要提高发射效率，就是要使发 射区杂质浓度比基区杂质浓度高 得多，这样发射区注入到基区的 电子电流就远远大于基区注入到 发射区的空穴电流，发射效率很 接近于1。
I nC I nE I E
4.1 晶体管结构与工作原理
4.1.3 晶体管的直流电流放大系数 1.电流放大系数定义和电流放大能力
（1）共基极直流电流放大系数α0
0
IC IE
IE
N
E
P IB B
N
IC
C
α0反映出发射极输入电流IE中有多大比例传输到集电极成为输出 电流IC，或者说由发射极发射的电子有多大比例传输到集电极。由于 前面讲到的传输过程中的两次损失，α0总是小于1。
2. 晶体管的载流子传输
I nE
I nC
E
IVR
C
IE
IC
x1 x2
x3
x4
UE
I pE
B IB
I CBO
UC
1.发射区注入
2.基区输运
3.集电结收集
I E I pE InE I B I pE IVR I CBO I C I nC I CBO
4.1 晶体管结构与工作原理
三极电流关系
IE IB IC
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
0
IC IB
（3）α0和β0的关系
0
IC IB
IC IE IC
IC IE 1 IC IE
0 10
（4）晶体管的放大能力和具备放大能力的条件
C IC N
IB
P
B
N
IE E
β0一般在20-200之间，所以IB的微小变化将引起IC的很大变化，
可见，减小基区体内复合电流 IVR是提高基区输运系数的有效 途径，而主要措施是减薄基区宽 度W，使基区宽度远小于电子在 基区的扩散长度。
4.1 晶体管结构与工作原理
0
IC IE
I nC IE
I nE IE
I nC I nE
0
* o
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以接 入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
也就是说晶体管具有电流放大能力。
晶体管要具有放大能力，必须具有哪些条件？
4.1 晶体管结构与工作原理
1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，以保证发射效率γ0
很接近于1. 2）基区宽度Wb远小于LnB，保证基区输运系数很接近于1。 3）发射结正偏，使电子从发射区注入基区；集电极反偏，将电 子从基区收集到集电区。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线
1.共基极晶体管特性曲线
共基极输入特性曲线
IE / mA
UCB 10V 5V 0V
共基极输入特性曲线实际就是正向
PN结的特性曲线，由于基区宽变效应， 0 0.2 0.4 0.6 0.8 UBE / V
平衡时该电场作用下的空穴漂移电流和空穴扩散电流大小相等、 方向相反，相互抵消，这种平衡时的基区电场称为自建电场。
4.1Fra Baidu bibliotek晶体管结构与工作原理
（2）缓变基区晶体管的电流密度
I nE Ae qDnb ni2e qVE kT
1
Wb 0
Nb
( x)dx
I pE
Aeq
Dpe x je
pe0eqVE
kT
Aeq
1
1
eWb
RSb
b x je
4.1 晶体管结构与工作原理
（4）缓变基区晶体管的基区输运系数
0*
1 IVR I nE
1 Wb2
4 nb Dnb
1
Wb2 4L2nb
（5）缓变基区晶体管的电流放大系数
0
0
* 0
1 1 RSe
(1
Wb2 4L2nb
)
RSb
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减薄 基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
微电子技术专业
4.1 晶体管结构与工作原理 4.1.1 晶体管的基本结构与杂质分布
晶体管的基本结构与符号
集电极 C
集电极 C
集电区
C
B 基极
N
集电结
B
基区 P
N
发射结
E
发射区
发射极 E
集电区
C
P
集电结
B
B
基区
N
基极
P
发射结
E
发射区
发射极 E
4.1 晶体管结构与工作原理 1. 合金管
In Ga E
4.1 晶体管结构与工作原理
2.缓变基区晶体管的电流放大系数
（1）基区晶体管中存在的自建电场
P型
N(x) 等 效 负 电 荷
区
Nb(x)
等效正电荷 区
E
Pb (x)
x
基区存在杂质浓度梯度，同时基区多数载流子空穴也存在浓度 梯度，因此就要往浓度低的方向扩散，其结果破坏了基区的电中 性条件，使基区靠近发射区的一侧带负电，靠近集电区的一侧带 正电，这样就形成一个自右向左的电场。
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通过 发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结边 界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电流。 这就是晶体管内部载流子的传输过程。
电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注入 过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
Dpeni2 x je Ne
eqVE
kT
IVR
AeWb
q
nb
nb
Ae
qWbnb0
2 nb
eqVE
kT
4.1 晶体管结构与工作原理
（3）缓变基区晶体管的发射效率
方块电阻的概念
RS
a
aW
W
a
a I
它的大小决定于单位面积 薄层中所含的杂质总量。若
薄层内杂质分布不均匀：
W x
RS W
发射效率
1 1 RSe
N - Ge
Wb
P
P
x je
x jc
B
In
NA ND
1019 cm-3
C P
1018 cm-3 P
x je
x je Wb
0
N
x
1015 cm-3
合金结三个区的杂质分布是均匀的，其发射结和集电结都是突 变结，发射区和集电区的杂质浓度远远大于基区的杂质浓度。
4.1 晶体管结构与工作原理
B SiO2 x je