NPN型双极晶体管(半导体器件课程设计)
CDIO视角下《半导体物理与器件》课程设计
《半导体物理与器件》是上海第二工业大学材料科学与工程专业的一门新课。
由于本校材料科学与工程专业是基于CDIO 培养模式,与传统的培养模式不同,力求学生在掌握专业知识的同时,全面培养针对产品从研发到运行全生命过程的构思、设计、实现和运作过程。
1CDIO教育模式简介CDIO工程教育模式近年来国际工程教育改革的成果。
该模式是基于经验学习模式的,教育理念就是要以这个全过程为载体培养学生的工程能力,其能力不仅包括学科知识,而且包括学生的终身学习能力、团队交流能力和在企业和社会环境下的构思(conceive)、设计(design),实现(implement)和运行(operate)能力[1]。
上海第二工业大学材料科学与工程专业引入CDIO培养模式的目的就是要对传统的工程教育模式进行改革,培养材料科学与工程专业的复合应用型人才。
CDIO的核心理念体现在2004年1月颁布的12条标准[2],包括:第一,采用CDIO培养模式;第二,学习效果;第三,一体化教学计划;第四,工程导论;第五,设计制造经验;第六,学生实践场所;第七,一体化学习经验;第八,主动学习;第九,教师CDIO能力的提高;第十,教师教学能力提高;第十一,CDIO能力考核;第十二,CDIO专业评估。
该标准详细地说明了其专业培养的要求,包含了对模式的要求、学生培养的标准以及教师能力的要求等,是探索CDIO培养模式的重要理论依据。
2教学现状《半导体物理与器件》是本校材料科学与工程专业大三学生的一门专业必修课。
本课程全面阐述关于半导体物理与器件的相关知识,包括半导体物理的基础知识和典型半导体器件的工作原理、工作特性。
具体内容包括:半导体材料的基本性质、PN结机理与特性、双极型晶体管、MOS场效应晶体管、半导体器件制备技术、Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂等。
在传统的授课模式下,以老师课堂授课为主,且评分标准以期末考试的卷面成绩。
这种教学方法偏重于理论知识的灌输,割裂了教和学的互动。
双极型晶体管_设置静态工作点的方法__解释说明
双极型晶体管设置静态工作点的方法解释说明1. 引言1.1 概述双极型晶体管作为一种重要的电子元件,广泛应用于各种电子设备中。
在实际应用中,为了保证晶体管的正常工作和性能稳定,我们需要设置静态工作点。
静态工作点是指晶体管在无输入信号时的直流偏置点,是确保晶体管处于最佳工作状态的重要参数之一。
本文将介绍双极型晶体管的工作原理,并详细解释常用的设置静态工作点的方法。
1.2 文章结构本文分为五个部分。
首先,在引言部分,我们将简要介绍文章的背景和目的。
其次,在第二部分,我们将深入探讨双极型晶体管的工作原理,包括NPN型和PNP 型晶体管区别以及其基本特性。
然后,在第三部分,我们将阐述静态工作点的重要性,并讨论定义与意义、影响因素及测量方法以及设计目标与要求。
接下来,在第四部分,我们将详细介绍设置静态工作点的三种常见方法:固定偏置电流法、自动偏置电流法(负反馈法)以及温度稳定法及其他方法。
最后,在第五部分,我们将总结本文的主要内容,并展望未来可能的研究方向。
1.3 目的本文的目的是通过对双极型晶体管设置静态工作点方法的解释说明,使读者更加深入地了解双极型晶体管的工作原理及其重要性。
同时,我们希望能够为相关领域的研究和应用提供参考和借鉴,促进技术发展和创新。
总之,通过本文的阐述,读者将能够全面了解双极型晶体管设置静态工作点的方法及其在电子设备中的应用意义。
2. 双极型晶体管工作原理:2.1 简介双极型晶体管:双极型晶体管是一种三端半导体器件,由三个区域组成:基区(Base Region)、发射区(Emitter Region)和集电区(Collector Region)。
根据接入方式的不同,双极型晶体管可以分为NPN型和PNP型两种类型。
2.2 NPN型和PNP型晶体管区别:NPN型和PNP型晶体管的主要区别在于材料的选择和掺杂方式。
对于NPN型晶体管,基区是由P型材料构成,而发射区为N型材料;PNP型晶体管则相反,基区是由N型材料构成,发射区为P型材料。
第4章 双极型晶体管工作原理
b I
BN
IB+
15V
RB IE I e
IE
U CC
UBB
4.4.2
晶体管伏安特性曲线及参数
晶体管有三个电极,通常用其中两个分别作输入, 晶体管有三个电极 , 通常用其中两个分别作输入 , 输出端,第三个作公共端, 输出端 , 第三个作公共端 , 这样可以构成输入和输出两 个回路.实际中有共发射极 共集电极和共基极三种基 共发射极, 个回路 . 实际中有 共发射极 , 共集电极和共基极 三种基 本接法,如图所示. 本接法,如图所示.
一定而u 增大时,曲线仅略有上翘( 略有增大). 一定而 CE增大时,曲线仅略有上翘(iC略有增大). 原因: 原因: 基区宽度调制效应(Early效应) 基区宽度调制效应(Early效应) 效应 或简称基调效应
UCE
由于基调效应很微弱,uCE 由于基调效应很微弱, 在很大范围内变化时I 在很大范围内变化时 C基本不 一定时, 变.因此,当IB一定时, 因此, 集电极电流具有恒流特性. 集电极电流具有恒流特性.
4.4 双极性晶体管
双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件.它有 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件. 三个电极,所以又称为半导体三极管,晶体三极管等,以 三个电极,所以又称为半导体三极管,晶体三极管等, 后我们统称为晶体管.常见的晶体管其外形如图示. 后我们统称为晶体管.常见的晶体管其外形如图示. 晶体管其外形如图示
共发射极 共基极 共集电极 其中, 共发射极接法更具代表性, 其中 , 共发射极接法更具代表性 , 所以我们主要讨 论共发射极伏安特性曲线. 论共发射极伏安特性曲线.
晶体管共发射极特性曲线
晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线. 晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线 . 这 两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出 也可以用图示电路逐点测出. 来,也可以用图示电路逐点测出. 一,共发射极输出特性曲线 共发射极输出特性曲线 共射输出特性曲线是以 iB为参变量时,iC与uCE间的 为参变量时, 关系曲线,即 关系曲线,
npn硅基bjt课程设计
npn硅基bjt课程设计一、课程目标知识目标:1. 学生能理解NPN硅基BJT(双极型晶体管)的基本结构和工作原理;2. 学生能掌握NPN硅基BJT的放大特性,包括输入阻抗、输出阻抗和电流放大倍数;3. 学生能了解NPN硅基BJT在实际电路中的应用和注意事项。
技能目标:1. 学生能够运用所学知识,分析NPN硅基BJT电路的工作原理;2. 学生能够设计简单的NPN硅基BJT放大电路,并进行参数计算;3. 学生能够通过实验,观察NPN硅基BJT的放大特性,并分析实验数据。
情感态度价值观目标:1. 培养学生对电子元件和电路的兴趣,激发他们探索电子世界的热情;2. 培养学生的团队合作精神,使他们学会在实验和问题解决中相互协作;3. 培养学生严谨的科学态度,使他们能够认真对待每一次实验和数据分析。
课程性质:本课程为电子技术基础课程,旨在让学生掌握NPN硅基BJT的基本知识,培养他们在电子电路领域的实际操作能力。
学生特点:学生为高中年级,具备一定的物理和数学基础,对电子技术有一定了解,但缺乏深入认识。
教学要求:结合学生特点,课程要求以理论教学与实践操作相结合,注重培养学生的实际操作能力和问题解决能力。
通过具体的学习成果分解,使学生在课程结束后能够达到上述课程目标。
后续教学设计和评估将以此为基础,确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 引言:介绍双极型晶体管的基本概念,回顾PN结的工作原理,引出NPN 硅基BJT的结构特点。
相关教材章节:第一章第二节2. NPN硅基BJT结构和工作原理:- 结构特点:发射极、基极、集电极的构成及材料选择;- 工作原理:载流子的注入、放大作用、开关作用。
相关教材章节:第二章第一节3. NPN硅基BJT的放大特性:- 输入阻抗、输出阻抗和电流放大倍数的定义及计算;- 交流小信号模型:h参数及其含义。
相关教材章节:第二章第二节4. NPN硅基BJT的应用电路:- 基本放大电路:固定偏置和可变偏置;- 功率放大电路:甲类、乙类、甲乙类;- 开关电路:模拟开关和数字开关。
npn双极型晶体管的设计器件物理课程设计
课程设计课程名称微电子器件与工艺课程设计题目名称npn双极型晶体管的设计目录1.设计任务书 (2)1.1内容 (2)1.2要求与数据 (2)1.3应完成的工作 (2)1.4主要参考文献 (3)2.物理参数计算 (3)2.1. 各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3)2.2少子的迁移率 (3)2.3少子的扩散系数 (4)2.4少数载流子的扩散长度 (5)2.5各区的厚度 (5)2.5.1集电区厚度Wc (5)2.5.2基区宽度WB (6)2.6扩散结深 (9)2.7电阻率 (9)3.实际器件设计 (10)3.1硅片选择 (10)3.2图形结构 (10)3.3各区面积 (11)4.工艺参数计算 (11)4.1基区硼扩散 (11)4.1.1预扩散 (11)4.1.2再扩散 (12)4.1.3氧化层厚度 (13)4.2发射区磷扩散 (13)4.2.1预扩散 (13)4.2.2再扩散 (14)4.2.3氧化层厚度 (15)4.3氧化时间 (15)4.3.1基区氧化 (15)4.3.2发射区氧化 (16)5、设计参数总结 (17)6、工艺流程 (18)6.1主要流程 (18)6.2清洗工艺 (22)6.3氧化工艺 (23)6.4光刻工艺 (25)6.5硼扩散工艺(基区扩散) (27)6.6磷扩散工艺(发射区扩散) (29)7.版图设计 (31)7.2发射区掩膜板 (31)7.3接触孔掩膜版 (32)8.总结与体会 (32)1.设计任务书题目名称npn双极型晶体管的设计学生学院材料与能源学院专业班级姓名学号1.1内容设计一个均匀掺杂的npn型双极晶体管,使T=300K时,hfe =120,BVCBO=80V.晶体管工作于小注入条件下,设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。
1.2要求与数据1.了解晶体管设计的一般步骤和设计原则2.根据设计指标设计材料参数,包括发射区、基区和集电区掺杂浓度N E, N B,和N C, 根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数,迁移率,扩散长度和寿命等。
PNP双极型晶体管的设计之欧阳音创编
目录1.课程设计目的与任务 (2)2.设计的内容 (2)3.设计的要求与数据 (2)4.物理参数设计 (3)4.1各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3)4.2 集电区厚度Wc的选择……………………………………………………64.3 基区宽度WB (6)4.4 扩散结深 (10)4.5 芯片厚度和质量 (10)4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择 (10)5.工艺参数设计 (11)5.1 工艺部分杂质参数 (11)5.2 基区相关参数的计算过程 (11)5.3发射区相关参数的计算过程 (13)5.4氧化时间的计算 (14)6.设计参数总结 (16)7.工艺流程图 (17)8.生产工艺流程 (19)9.版图 (28)10.心得体会 (29)11.参考文献 (30)PNP双极型晶体管的设计1、课程设计目的与任务《微电子器件与工艺课程设计》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用的课程,使我们系统的掌握半导体器件,集成电路,半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。
目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上,掌握晶体管的设计方法。
要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标,完成晶体管的纵向结构参数设计→晶体管的图形结构设计→材料参数的选取和设计→制定实施工艺方案→晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练,为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。
2、设计的内容设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管,使T=300K时,β=120,V CEO=15V,V CBO=80V.晶体管工作于小注入条件下,最大集电极电流为I C=5mA。
设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。
3、设计的要求与数据(1)了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。
(2)根据设计指标设计材料参数,包括发射区、基区和集电区掺杂浓度N E, N B,和N C,根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数,迁移率,扩散长度和寿命等。
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管工作原理双极型晶体管(BJT)是一种常见的电子器件,其工作原理基于PN结的导电特性。
BJT有三个电极,分别是基极(base)、发射极(emitter)和集电极(collector)。
BJT是一种由两个PN结组成的三层结构,有两种类型:NPN型和PNP型。
NPN型的BJT中,基极是P型半导体,发射极是N型半导体,集电极是P型半导体。
PNP型的BJT中,基极是N型半导体,发射极是P型半导体,集电极是N型半导体。
当正向偏置施加在PN结上时,使得发射结正向偏置而集电结反向偏置。
这导致基区中的载流子浓度增加,使得基区变得导电。
当在基极-发射极之间施加一个小的输入电压时,基区中的浓度变化,导致发射极-基极电流(IE)的变化。
根据BJT的放大特性,这个微小的输入电流变化将导致集电极-发射极电流(IC)的大幅度变化。
因此,BJT可以作为电流放大器使用。
通过控制基极-发射极电流,可以得到更大的集电极-发射极电流。
这使得BJT适用于放大和开关电路。
在放大器中,输入信号通过调节基极-发射极电流来放大输出信号。
在开关电路中,可以在集电极-发射极之间形成开关效应。
需要注意的是,BJT的工作原理受到PN结正向偏置、反向偏置和饱和的影响。
在正常工作区域内,BJT是活跃的,并能放大电信号。
然而,当发射极-基极电流超过一定限制时,BJT会进入饱和区,导致性能下降。
总结起来,双极型晶体管的工作原理是通过控制基极-发射极电流来放大集电极-发射极电流。
这使得BJT成为一种重要的电子元件,在电路中广泛应用于放大和开关的功能。
npn bjt工艺设计报告
npn bjt工艺设计报告NPBjt工艺设计报告一、引言双极性晶体管(双晶管)是一种广泛使用的晶体管类型,被广泛应用于模拟电路和数字电路中。
本报告介绍了一个n-p-n型双晶体管的工艺流程,包括制造步骤和步骤的主要参数,同时讨论了属性和性能的影响。
实验的目的是使学生能够更深入地理解双晶体管的制造过程和结构原理,并获得从实验中获得的知识和技能,为以后的工作打下基础。
二、实验材料1.硅片:n - 型硅片。
2.蒸发器:电子束或热蒸发器,用于沉积n型和p型受控薄膜层。
3.掩模:用于控制n型和p型受控区的形状和大小。
4.反应室:用于在高温下形成薄膜层。
5.化学液:硝酸、氢氟酸和去离子水。
6.光刻胶:用于保护受控区域和刻蚀非受控区。
7.显影液:用于去除化学图形。
8.磨光机:用于去除硅片表面的杂质和平整表面。
9.染色液:用于染色控制n型和p型受控区域。
10.微探针:用于测量双晶体管的电学性能。
三、制造步骤1.准备硅片表面:将硅片用去离子水清洗并在高温条件下挥发硅表面的杂质。
2.沉积n型受控薄膜层:在反应室中,使用蒸发器将n型材料沉积在硅表面,同时使用掩模控制受控区的形状和大小。
3.沉积p型受控薄膜层:在上述过程之后,再次使用蒸发器将p型材料沉积在硅表面,控制受控区的形状和大小以及n型受控区的定位。
4.光学保护:使用光刻胶覆盖所有区域,并仅保留需要的n型和p型受控区域。
5.刻蚀非受控区:在上述过程中沉积上了光刻胶后,使用反应室中的化学液刻蚀未保护的区域。
6.显影:使用显影液去除上述过程所沉积的光刻胶。
7.染色:使用染色液,将受控区域区分成n型和p型。
8.测量电学特性:使用微探针测量受控区的电阻和电容等电学参数。
四、参数和工艺影响在制造双晶体管时,有几个关键参数和工艺步骤对结果有重要影响。
1.掩膜的质量:掩口的质量对受控区域定位的准确性十分重要。
低质量的掩膜可能导致受控区域的失效。
2.沉积温度:沉积温度会影响薄膜厚度和光刻胶的形状和大小,因此需要仔细控制。
《晶体管电路设计(上)》
《晶体管电路设计(上)》一、晶体管基础知识1. 晶体管的分类与结构晶体管是一种半导体器件,按照结构和工作原理的不同,可分为两大类:双极型晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)。
双极型晶体管包括NPN型和PNP型,而场效应晶体管主要包括增强型MOS管和结型场效应管。
2. 晶体管的工作原理(1)双极型晶体管(BJT)工作原理:当在基极与发射极之间施加适当的正向电压,基区内的少数载流子会增多,导致集电极与发射极之间的电流增大,从而实现放大作用。
(2)场效应晶体管(FET)工作原理:通过改变栅极电压,控制源极与漏极之间的导电通道,实现电流的放大。
3. 晶体管的特性参数(1)直流参数:包括饱和压降、截止电流、放大系数等。
(2)交流参数:包括截止频率、增益带宽积、输入输出阻抗等。
二、晶体管放大电路设计1. 放大电路的基本类型(1)反相放大电路:输入信号与输出信号相位相反。
(2)同相放大电路:输入信号与输出信号相位相同。
(3)电压跟随器:输出电压与输入电压基本相等。
2. 放大电路的设计步骤(1)确定电路类型:根据实际需求选择合适的放大电路类型。
(2)选择晶体管:根据电路要求,选取合适的晶体管型号。
(3)计算电路参数:包括偏置电阻、负载电阻、耦合电容等。
(4)电路仿真与调试:利用电路仿真软件进行仿真,并根据实际效果调整电路参数。
三、晶体管开关电路设计1. 开关电路的基本原理晶体管开关电路利用晶体管的截止和饱和状态,实现电路的通断控制。
当晶体管处于截止状态时,开关断开;当晶体管处于饱和状态时,开关闭合。
2. 开关电路的设计要点(1)选择合适的晶体管:确保晶体管在截止和饱和状态下都能满足电路要求。
(2)优化电路参数:合理设置驱动电流、开关速度等参数,以提高开关电路的性能。
(3)考虑开关损耗:在设计过程中,尽量降低开关过程中的能量损耗,提高电路效率。
《晶体管电路设计(上)》四、晶体管稳压电路设计1. 稳压电路的作用与分类稳压电路的主要作用是保证输出电压在一定范围内稳定不变,不受输入电压和负载变化的影响。
PNP双极型晶体管的设计之欧阳歌谷创编
目录欧阳歌谷(2021.02.01)1.课程设计目的与任务 (2)2.设计的内容 (2)3.设计的要求与数据 (2)4.物理参数设计 (3)4.1各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3)4.2 集电区厚度Wc的选择 (6)4.3 基区宽度WB (6)4.4 扩散结深 (10)4.5 芯片厚度和质量 (10)4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择 (10)5.工艺参数设计 (11)5.1 工艺部分杂质参数 (11)5.2 基区相关参数的计算过程 (11)5.3发射区相关参数的计算过程 (13)5.4氧化时间的计算 (14)6.设计参数总结 (16)7.工艺流程图 (17)8.生产工艺流程 (19)9.版图 (28)10.心得体会 (29)11.参考文献 (30)PNP双极型晶体管的设计1、课程设计目的与任务《微电子器件与工艺课程设计》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用的课程,使我们系统的掌握半导体器件,集成电路,半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。
目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上,掌握晶体管的设计方法。
要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标,完成晶体管的纵向结构参数设计→晶体管的图形结构设计→材料参数的选取和设计→制定实施工艺方案→晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练,为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。
2、设计的内容设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管,使T=300K时,β=120,V CEO=15V,V CBO=80V.晶体管工作于小注入条件下,最大集电极电流为I C=5mA。
设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。
3、设计的要求与数据(1)了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。
(2)根据设计指标设计材料参数,包括发射区、基区和集电区掺杂浓度N E, N B,和N C,根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数,迁移率,扩散长度和寿命等。
NPN硅双极结型晶体管
xB Ln
eVC VT
1
二、发射区少子空穴分布及其电流: 边界条件:
pE WE pE0eVE VT
pE x
pE0
pE0
eVE
VT
ห้องสมุดไป่ตู้
1
sinh
xE L
pE
x
sinh
xE WE L pE
pE
x
pE0 pE0
eVE
VT
1
1
WE x xE WE
pE x
pE0
pE0
eVE
VT
1 1
x xE
空穴电流为:
I pE
WE
qADpE
PEO xE
eVE VT 1
qADpE
ni2 N dE xE
eVE VT 1
三、集电区少子空穴分布及其电流
边界条件:
pC xC pC0eVC VT
pC pC0
pC x pC0 pC0 eVC VT 1 exxC LpC
动形式既有扩散也有漂移。 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:
3.2 载流子分布与电流分量
一、电流传输
x 中性基区( 0 << <<
Dn
d 2np dx2
np np0 n
0
xB
)少子电子分布及其电流:
np 0 np0eVE VT
区 多 子 空 穴 的 复 合 流 iBb, 依 赖 于 少 子 电 子 的 数 量 , 也 正 比 于 exp(VBE/Vt) 。故基极电流正比于 exp(VBE/Vt) 。
VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE
NPN型双极晶体管(半导体器件课程设计)
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:080803206姓名:子忠指导老师:剑霜2011年6月6日一、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/cm 3,然后在基底上注入能量为18ev ,浓度为4.5e15/cm 3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/cm 3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,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/cm 3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/cm 3,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。
功率NPN双极型晶体管
❖ 宽发射区窄接触孔结构相当稳定。分布式发射极限 流有助于防止单个叉指内部的热击穿和二次击穿, 而且同其他叉指结构相比,允许器件工作在更大的 电流密度下。这种结构的开关速度虽比不上叉指状 发射极晶体管,但是退化也没有预期的大,因为大 电流导通主要沿发射极边缘出现。
3. 圣诞树结构器件
❖ 另一个典型功率晶体管的版图结构被形象地称为圣 诞树器件,因为它的发射区形状独特。历史上,这 种结构被广泛地用于线性应用中,这是因为它对于 热击穿有着异常的抵抗力。因为改善抗热击穿的特 征同时会降低其承受关断时发射极电流聚集的能力, 所以这种器件很少被用作开关器件。
VBE
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❖ 当一支晶体管中的发射极电流密度超 过一定的临界值J时,就会发生二次 击穿。超过该临界值之后,维持的集 电极-发射极的击穿电压VCEO会回落 到一个新的更低的值上,这个值被称 为二次击穿电压 VCEO2 ,如果集电极发射极电压超过 VCEO2 ,而发射极电 流密度超过J,那么就会发生二次击 穿。
,
所以R对 于*l/更S 薄的金属化系统,各发射极连 接在一起的金属连线电阻就越大,产生的 压降也就变大,导致发射极电流比变大, 去偏置问题也就越严重。
高频npn双极型晶体管Silvaco TCAD仿真
高频npn双极型晶体管Silvaco TCAD仿真一、npn晶体管器件物理1.npn晶体管的基本结构和制造工艺(1)npn晶体管的基本结构双极型晶体管由两个“背靠背”的pn结组成,一种基本结构如图1所示,晶体管中两种载流子都参与导电。
双极型晶体管按照导电类型和极性可划分为npn 晶体管和pnp晶体管,按照制作工艺可划分为合金管、平面管和台面管。
图 1 双极型晶体管基本结构(2)npn晶体管的制造工艺1948年,美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿利用合金烧结法制作了第一个锗基双极型晶体管分立器件,奠基了现代电子技术的基础[1]。
npn晶体管制造的平面外延工艺在上世纪70年代一度成为主流,随着各种先进工艺和材料的引进,npn晶体管普遍使用多晶硅发射极的结构以提升注入效率,通过异质外延、离子注入、极紫外光刻等技术,npn晶体管尺寸更小、掺杂浓度更高更精确,性能也更出色。
2.npn晶体管的输出特性和击穿特性(1)npn晶体管的电流放大功能当处于放大工作状态时,npn晶体管的电流输运分为以下三个步骤:发射区发射载流子→基区输运载流子→集电区收集载流子,由于两种载流子都参与晶体管的电流输运,故得名“双极型晶体管”,三个过程定量描述载流子输运的系数分别是注入效率、基区输运系数和集电区雪崩倍增因子。
当npn型双极型晶体管发射结正偏、集电结反偏时,晶体管的基极电流将与集电极电流呈现近似比例关系,即I C=βI B(β>>1),呈现出“电流放大”的功能,其中β称为npn晶体管的电流放大系数。
npn晶体管的输出特性曲线如图2所示,图中虚线代表V BC=0,即V CE=V BE 的情形,是放大区和饱和区的分界线。
(2)npn晶体管的击穿特性当双极型晶体管一个电极开路,在另外两个电极外加反向偏压时,npn晶体管将发生雪崩倍增效应,产生类似于pn结的击穿现象,基极开路时,使I CEO→∞的V CE称为BV CEO,npn晶体管的BV CEO曲线表示如图3所示。
双极型晶体管课件
晶体管用于放大时,集电结反偏,
集电结在基区一侧边界处电子浓
度基本为
0
,基区中非平衡少子呈线性分布,
界基区时电,子立扩即散被到反边偏集的强电场扫
至集电区,成为集电极电流。
基区非平衡少子分布
9
根据上述分析,在发射结正偏、集电结反偏时, 晶体管内部的电流传输如图所示:
10
3 双极晶体管直流电流增益
(1)发射效率与基区输运系数: 发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 基区宽度尽量小,基区中非平衡少子的寿命尽量大。 注入效率 基区输运系数β*
35
2 JFET中沟道电流的特点
–就在有漏电(流D)IS极流和过源沟(道S.)极之间加一个电压VDS, –如果在栅(G)和源(S)极之间加一个反向pn
结 距电 离压 逐V步GS变,小将,使由沟于道栅区区中为的P+空,杂间质电浓荷度区比之沟间道的 区高得多,故PN结空间电荷区向沟道区扩展,使 沟道区变窄.从而实现电压控制源漏电流的目的。
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(2) 截止频率f α 和f β :使电流增益下降为低频
值的
(1/2)时的频率。
(3) 特征频率:共射极电流增益β下降为1 时的 频率,记为fT.
(4) 最高振荡频率fM:功率增益为1时对应的频率
25
3. 频率特性和结构参数的关系
提高fT的途径 减小基区宽度,以减小基区的渡越时间τb 减小发射结面积Ae和集电结面积Ac,可以减小发射 结和集电结势垒电容,从而减小时间常数τe和τc 减小集电区串联电阻Rc,也可以减小τc 兼顾功率和频率特性的外延晶体管结构。
(1)电流增益β0与电流的关系(图)
18
(2)大注入效应:
注入到基区的非平衡少数载流子浓度超过平衡多 数载流子的浓度。 1 形成基区自建场,起着加速少子的作用, 导致电流放大系数增大。 2 基区电导调制,由于少子增加,导致多 子增加,以保持电中性,使电导增加,导致发 射效率γ减小,从而使电流增益β0 减小。
第3章双极晶体管
的。
23
3. 缓变基区晶体管的电流放大系数 (1)缓变基区晶体管的自建电场
基区存在着杂质浓度梯度,这将导致空穴向 浓度低的方向扩散,空穴一旦离开,基区中的电 中性将被破坏。为了维持基区的电中性,必然会 在基区中产生一个电场,使空穴做反方向的漂移 运动来抵消空穴的扩散运动。这个为了维持基区 的电中性,而产生的电场称为缓变基区的自建电 场。
对于NPN晶体管,发射效率是注入基区的电子电 流与发射极电流的比值,即有
0
In (X 2 ) IE
对于NPN晶体管,基区输运系数是指到达集电结 的电子电流与注入基区的电子电流的比值,即有
0
In(X3) In(X2)
IC In(X2)
20
因此,可得 0
,
0
和
0
的关系为
0
IC IE
In(X2) IE
In(X3) In(X2)
0
0
所以,可按下面的步骤求解晶体管的电流放大倍数:
第一步 求发射效率;
第二步 求基区输运系数;
第三步 求共基极直流电流放大系数;
第四步 求共射极直流电流放大系数。
21
(1)发射效率
0
1
1 eWb
b Lpe
(2) 基区输运系数
晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入 和输出的电流—电压关系曲线。晶体管的三个端, 共有四个参数:输入电流、输入电压、输出电流 和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用 曲线表示出来(以其余两个参数中的一个作为参 变数)得到一族曲线,最常用的是输入特性曲线 和输出特性曲线。
NPN型双极晶体管(半导体器件课程设计)
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:080803206姓名:李子忠指导老师:刘剑霜2011 年6月6日页脚内容1一、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在内的设计参数.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,页脚内容2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,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。
第三讲双极型晶体管
iB UCE=0V 10 1
uBE
对于一定的uBE ,当uCE增大到一定值后,集电结的电场已足够强,可以将发射区注入到基 区的绝大部分非平衡少子收集到集电区,因此即使再增大uCE , iC也不可能明显增大了。
1 一 般 :为 几 十 到 几 百
(五)BJT的结偏置电压与各极电流的关系
1、发射结正偏电压uBE对各极电流的作用——正向控制作用。 发射极电流实际上是正偏发射结的正向电流:
iE ISeuBE/UT;
u i BE
两者是指数关系。
E
iC iE;
iB
iE
1
uBE iC、 iB
uCB
iB
发射结
发射 区
集电结 基区
集电 区
E
B
C
uCB
iE
I euBE/UT S
uCB通过厄利效应对BJT电流的影响远不如uBE对电流的正向控制作用大,但它的存在使BJT的电流受控关系 复杂化,使之成为所谓的“双向受控元件”,由此带来分析的复杂化,并有可导致放大器因“内反馈”而
性能变坏。
(六)BJT的截止和饱和工作状态 c
与单个PN结的反向饱和电流一样。 IB = -ICBO, IC = ICBO ICBO的值很小,硅管小于1µA,锗管约10µA,受温度影响很 大。
(2)集电极反向穿透电流ICEO : 此电流从集电区穿越基区流至发射区,所以叫穿透电流。 ICEO= (1+)ICBO ( P30 ) ICBO和ICEO都是衡量BJT温度稳定性的重要参数,因ICEO大, 容易测量,所以常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。
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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: 080803206姓名:李子忠指导老师:刘剑霜2011 年6月6日一、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在内的设计参数.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,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内无钝角三角形.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:用Cutline工具截取Boron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.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电流方法倍数即电流增益和ft的提取图:运行结果:peak collector current=0.000397951 Apeak 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=0.03line x loc=0.2 spacing=0.02line x loc=0.24 spacing=0.015line x loc=0.3 spacing=0.015line x loc=0.8 spacing=0.15#line y loc=0.0 spacing=0.01line y loc=0.07 spacing=0.01line y loc=0.1 spacing=0.01line y loc=0.12 spacing=0.01line y loc=0.3 spacing=0.02line y loc=0.5 spacing=0.06line y loc=1.0 spacing=0.35#init c.arsenic=2e16#implant boron energy=18 dose=2.5e13diffuse time=60 temp=920# deposit polysilicondeposit poly thick=0.3 divisions=6 min.space=0.05# Implant to dope polysiliconimplant arsenic dose=7.5e15 energy=50# Pattern the polyetch poly right p1.x=0.2relax y.min=.2 x.min=0.2relax y.min=.2 x.min=0.2method compress fermidiffuse time=25 temp=920 dryo2diffuse time=50 temp=900 nitrogenimplant boron dose=2.5e13 energy=18# deposit spacerdeposit oxide thick=0.4 divisions=10 min.space=0.1# etch the spacer backetch oxide dry thick=0.5implant boron dose=1e15 energy=30diffuse time=60 temp=900 nitrogen# put down Al and etch to form contactsdeposit alum thick=0.05 div=2etch alumin start x=0.15 y=-10etch continue x=0.15 y=10etch continue x=0.6 y=10etch done x=0.6 y=-10structure reflect leftstretch 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=emitterelectrode x=-0.7 name=baseelectrode backside name=collectorelectrode x=0.7 name=base1# Save the final structurestructure 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 deveditbase.mesh height=0.25 width=0.25bound.cond apply=false max.ratio=300constr.mesh max.angle=90 max.ratio=300 max.height=1 max.width=1 \min.height=0.0001 min.width=0.0001constr.mesh type=Semiconductor defaultconstr.mesh type=Insulator default max.angle=170constr.mesh type=Metal default max.angle=180# Define the minimum mesh spacing globally...imp.refine min.spacing=0.025# Select a list of solution (impurity) gradients to refine upon....imp.refine imp="Arsenic" sensitivity=0.5imp.refine imp="Boron" sensitivity=0.5# now mesh the structure....mesh#struct outfile=bjtex03_1.strtonyplot bjtex03_1.str -set bjtex03_1.set###################### Gummel Plot Test ###########################器件模拟go atlas# set material models etc.material taun0=5e-6 taup0=5e-6contact name=emitter n.poly surf.reccontact name=base common=base1 shortmodels bipolar print# initial solutionsolve init# change to two carriersmethod newton autonr trapsolve prev# set the collector biassolve vcollector=2 local# start ramping the basesolve vbase=0.1# Ramp the base to 0.9 volts....log outf=bjtex03_2.log mastersolve vbase=0.2 vstep=0.05 vfinal=0.9 name=base ac freq=1e6 aname=base# Now dump a structure file, for tonyplotting... but first decide what# you want in it, on top of the default quantities......output e.field flowlines jx.el jx.ho jy.el jy.hosave outf=bjtex03_3.str# Now extract some design parameters...extract name="peak collector current" max(curve(abs(v."base"),abs(i."collector")))extract name="peak gain" max(i."collector"/ i."base")extract name="max fT" max(g."collector""base"/(2*3.1415*c."base""base"))# plot the resultstonyplot bjtex03_2.log -set bjtex03_2.setquit。