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NPN型双极晶体管(半导体器件课程设计)

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Word 资料 微电子器件课程设计报告 题 目： NPN型双极晶体管 班 级： 微电0802班 学 号： ********* * 名： ** 指导老师： 剑霜

2011 年6月6日 Word 资料

一、目标结构 NPN 型双极晶体管 二、目标参数 最终从IV曲线中提取出包括fT和 Gain在的设计参数. 三、在该例中将使用: （1）多晶硅发射双极器件的工艺模拟； （2）在DEVEDIT中对结构网格重新划分； （3）提取fT和peak gain. ATLAS中的解过程: 1. 设置集电极偏压为2V. 2. 用 log语句用来定义Gummel plot数据集文件. 3.用 extract语句提取BJT的最大增益"maxgain"以及最大 ft,"maxft". Gummel plot:晶体管的集电极电流Ic、基极电流 Ib与基极-发射极电压 Vbe关系图(以半对数坐标的形式). 四、制造工艺设计 4.1.首先在ATHENA中定义0.8um*1.0um的硅区域作为基底，掺杂为均匀的砷杂质，浓度为2.0e16/cm3,然后在基底上注入能量为18ev，浓度为4.5e15/cm3的掺杂杂质硼，退火，淀积一层厚度为0.3um的多晶硅，淀积过后，马上进行多晶硅掺杂，掺杂为能量50ev，浓度7.5e15/cm3的砷杂质，接着进行多晶硅栅的刻蚀（刻蚀位置在0.2um处）此时形成N++型杂质（发射区）。刻蚀后进行多晶氧化，由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，Word 资料

所以使用的模型将会是fermi以及compress，进行氧化工艺步骤时分别在干氧和氮的气氛下进行退火，接着进行离子注入，注入能量18ev，浓度2.5e13/cm3的杂质硼，随后进行侧墙氧化层淀积并进行刻蚀，再一次注入硼，能量30ev，浓度1.0e15/cm3，形成P+杂质（基区）并作一次镜像处理即可形成完整NPN结构,最后淀积铝电极。 4.2.三次注入硼的目的： 第一次硼注入形成本征基区;第二次硼注入自对准(self-aligned)于多晶硅发射区以形成一个连接本征基区和 p+ 基极接触的 connection.多晶发射极旁的侧墙(spacer-like)结构用来隔开 p+ 基极接触和提供自对准.在模拟过程中,relax 语句是用来减小结构深处的网格密度,从而只需模拟器件的一半；第三次硼注入,形成p+基区。 4.3.遇到的问题 经常遇到这样一种情况:一个网格可用于工艺模拟,但如果用于器件模拟效果却不甚理想.在这种情况下,可以用网格产生工具DEVEDIT用来重建网格,从而以实现整个半导体区域无钝角三角形. 五、原胞版图和工艺仿真结果： 用工艺软件ATHENA制作的NPN基本结构： Word 资料

用Cutline工具截取Boron的浓度分布图如下： Word 资料

用Cutline工具截取Arsenic的浓度分布图如下： Word 资料

用Cutline工具截取净掺杂的浓度分布图如下： 最后结果如图. 可以看出:发射极、基极、集电极的净掺杂浓度分别为 10 的 19、17(接触处为 19)、16次方量级. Word 资料 参数提取： 结深及方块电阻的提取图：

运行结果： 结深：bc-nxj=0.10218um,be-nxj=0.406303um 方块电阻：b-sheet=121.458ohm/square,e-sheet=103.565ohm/square Word 资料

电流方法倍数即电流增益和ft的提取图： Word 资料 运行结果： peak collector current=0.000397951 A peak gain=83.1365 ，max fT=7.69477e+09 特征频率:使集电极电流与基极电流之比下降到 1 的信号频率,也就是无法将输入信号放大时的频率.因此也称截至频率. 六、实验心得体会 近一周的微电子器件课程设计结束了，通过本次设计，我们学会了用silvaco进行器件仿真，并且懂得了NPN基本结构的工艺流程以及如何提取器件参数，培养了我们独立分析问题和解决问题的能力，懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有Word 资料

把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，希望自己在今后的学习中不断加强理论和实践相结合，提高自己各方面能力。在此感谢老师的耐心指导和队友的默契合作。 附录： 模拟程序： 工艺模拟： go athena #TITLE: Polysilicon Emitter Bipolar Example - Ssuprem4->Devedit->Spisces2 # If you do not have Devedit: Please comment these lines out.... line x loc=0.0 spacing=0.03 line x loc=0.2 spacing=0.02 line x loc=0.24 spacing=0.015 line x loc=0.3 spacing=0.015 line x loc=0.8 spacing=0.15 # line y loc=0.0 spacing=0.01 line y loc=0.07 spacing=0.01 line y loc=0.1 spacing=0.01 line y loc=0.12 spacing=0.01 line y loc=0.3 spacing=0.02 line y loc=0.5 spacing=0.06 line y loc=1.0 spacing=0.35 # init c.arsenic=2e16 # implant boron energy=18 dose=2.5e13 diffuse time=60 temp=920 # deposit polysilicon deposit poly thick=0.3 divisions=6 min.space=0.05 # Implant to dope polysilicon Word 资料

implant arsenic dose=7.5e15 energy=50 # Pattern the poly etch poly right p1.x=0.2 relax y.min=.2 x.min=0.2 relax y.min=.2 x.min=0.2 method compress fermi diffuse time=25 temp=920 dryo2 diffuse time=50 temp=900 nitrogen implant boron dose=2.5e13 energy=18 # deposit spacer deposit oxide thick=0.4 divisions=10 min.space=0.1 # etch the spacer back etch oxide dry thick=0.5 implant boron dose=1e15 energy=30 diffuse time=60 temp=900 nitrogen # put down Al and etch to form contacts deposit alum thick=0.05 div=2 etch alumin start x=0.15 y=-10 etch continue x=0.15 y=10 etch continue x=0.6 y=10 etch done x=0.6 y=-10 structure reflect left stretch stretch.val=0.1 x.val=0.0 # Name the electrodes for use with ATLAS.....base and base1 will be slaved #during device simulation with the 'CONTACT' statement.... electrode x=0.0 name=emitter electrode x=-0.7 name=base electrode backside name=collector electrode x=0.7 name=base1 # Save the final structure structure outfile=bjtex03_0.str # Completely remesh the structure without obtuse triangles in the semiconductor # Use the Sensitivity & Minspacing parameters to adjust the mesh density.... # .. the smaller the Sensitivity, the denser the mesh... go devedit

base.mesh height=0.25 width=0.25 bound.cond apply=false max.ratio=300 constr.mesh max.angle=90 max.ratio=300 max.height=1 max.width=1 \ min.height=0.0001 min.width=0.0001 constr.mesh type=Semiconductor default constr.mesh type=Insulator default max.angle=170 constr.mesh type=Metal default max.angle= # Define the minimum mesh spacing globally...

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半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)

半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)


4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
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
* 0
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。
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
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
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。
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
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
NPN双极型晶体管

NPN双极型晶体管

双极型晶体管双极型三极管又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。

双极型三极管有三个电极。

三极管可以用半导体材料硅或锗制成。

有两类标准的三极管：NPN 和PNP型。

现在用的三极管大多是NPN型。

NPN三极管由一块N型发射极（E）、一块P型基极（Ｂ）和一块N型集电极（Ｃ）组成。

三极管具有电流放大作用。

集电极电流Ic与基极电流I B成正比，小于发射极电流。

三个电流之间的关系是I E=Ic+I B。

三极管的电流放大系数通常用β表示，当Ｃ、E两端的电压保持不变时有β=△Ic/△IＢ。

当基极电压略高于发射极的正向电压（约为0.6V），三极管导通。

一般认为，当U CE=U BE，即U CB=0时，晶体管趋于饱和状态，这个电压大约是+0.7V。

这时C极与E极之间的电阻很小，甚至几乎可以看成短路。

一般将I B≤0的区域称为截至区，此时I C也近似为零。

由于管子各极电流都基本上等于零，所以三极管处于截至状态，没有放大作用。

此时C级与E级之间的电阻很大，可以看成开路。

其实当I B=0时，集电极回路的电流并不正真为零，有一个极小的漏电流I CBO 从集电极流到基极。

PNP三极管的发射区和集电区是P型半导体，而基区是N型半导体。

PNP型三极管放大原理与NPN型三极管基本相同。

但由于结构的不同，三极管工作在放大区，外加电压的极性U BE<0，而UBC>0，正好与NPN三极管相反。

PNP三极管的各种参数含义也与NPN三极管相同,这里就不再重复了。

Bipolar TransistorBipolar transistor also known as semiconductor transistor\transistor, Or be called bipolar-junction transistor.Bipolar transistor has three electrodes.Bpolar transistor are made of semiconductor material silicon or Ge .There are two types of standard bipolar transistors ,NPN and PNP.Most transistors used today are NPN.The NPN bipolar transistor consists of an N-type emitter(E),P-type base(B),and N-type collector(C).Bipolar transistor have the function of amplifing current.The amount of collector curret is directly proportionalto the amount of base current and will be less than the emitter current.The relationship of the current is Ie=Ic+Ib.The current gain cofficient usually be expressed by B and is expressed as =△Ic/△IＢ,when the voltage from C to E( Uce)is held constant.An NPN bipolar transistor turn on when the base is more positive than the emitter（about 0.6V）.It was generally think that the transistor is in saturation when Uce eaqual Ube,namely Ucb=0.The voltage is about positive 0.7V and the resistance from C to E is low and may even appear almost as a short The transistor is off When I B≤0,I C is about 0.Becase the current of all electrodes is disposed 0,the transistor is off and has not the function of amplifing current.The resistance from C to E now is and may appear as an open.Actually the current of collector is not 0 when Ib is 0,a small leakage current Icbo from C to E is always present .The emitter and collector of the PNP transistor are P semiconductor andThe base is N semiconductor.The amplifing principle of PNP is same as NPN.Becase of different strucure, the transistor has the function of amplifing when Ube<0.But UBC>0and is opposite from NPN.The parameter of the PNP is same with NPN,we will not repeat.。

双极型晶体管简介和饱和状态说明通用课件

双极型晶体管简介和饱和状态说明通用课件


双极型晶体管的结构和工作原理
双极型晶体管的基本结构是由两个 PN结组成的，分为PNP和NPN两种 类型。
工作原理是通过控制基极电流来改变 集电极和发射极之间的电流，实现电 流的放大作用。
双极型晶体管的种类和特点
常见的双极型晶体管有硅管和锗管，它们在材料、特性、应 用等方面存在差异。
双极型晶体管的特点是具有电流放大作用、频率特性好、稳 定性高等优点，但同时也存在功耗大、耐压低等缺点。
02
双极型晶体管的饱 和状态
饱和状态的基本概念
饱和状态是指双极型晶体管的一种工作状态，当基极电流达到一定值时，集电极 电流不再随基极电流的增加而增加，晶体管进入饱和区。
在饱和状态下，晶体管的集电极和发射极之间的电压降很小，接近于零，晶体管 呈现出低阻抗的特点。
双极型晶体管饱和状态的特点和表现
饱和状态时，集电极电流与基极 电流成正比，但集电极电流不再
04
双极型晶体管的未 来发展
新材料和新技术的发展趋势
新型半导体材料
随着新材料技术的不断发展，新 型半导体材料如碳化硅、氮化镓 等将逐渐应用于双极型晶体管制 造，以提高性能和降低能耗。
纳米技术
纳米技术的应用将进一步缩小双 极型晶体管的尺寸，提高集成度 ，同时改善晶体管的频率特性和 噪声性能。
双极型晶体管在集成电路中的发展前景
在某些应用中，如音频放大器或开关电路中，饱和状态可能会产生失真或噪声。因此，在使 用双极型晶体管时，需要合理选择外部电路参数和偏置条件，以避免进入饱和状态或减小其 影响。
03
双极型晶体管的应 用
在电子设备中的应用
01
02
03
信号放大
双极型晶体管在信号放大 电路中应用广泛，能够实 现电压和电流的放大。
双极型晶体管

双极型晶体管

半导体器件物理 © Dr. B. Li
4.2.2 双极晶体管的电流关系
（1）三种接法
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示; 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
(2)三极管的电流放大系数 共基极直流电流放大系数：α = IC/IE
半导体器件物理
© Dr. B. Li
三个极：发射极E(Emitter) ，集电极C(Collector)，基 极B(Base) 三个区：发射区，集电区，基区
半导体器件物理 两个结：发射结，集电结 © Dr. B. Li
intrinsic base (内基区) extrinsic base (外基区)
共发射极直流输出曲线
当VCE增加到使集电结反偏电压较大时(如VCE ≥1 V,VBE ≥0.7 V),运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后 VCE 再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与VCE轴基本平 行的区域 。
输出特性曲线可以分为三个区域: 饱和区——IC受VCE显著控制的区域，该区域内VCE的数值较
半导体器件物理 © Dr. B. Li
共发射极电流放大系数
β= IC/IB
= IC/IE-IC = α/1-α 因 α≈1, 所以 β >>1
β表示集电极无负载时，集电极电流与基极电流之比。 有时也用符号hFE表示。
基极电流具有非常重要的控制作用。在共基极电路中 是通过IE控制IC，而在共发射极电路中却是通过IB控制 IC 。为使β足够大，这两种电路都希望在同样的IE时， IB越小越好，但IB不能为零。
半导体器件物理 © Dr. B. Li