微电子器件原理总结

三种管子的工作原理、符号、结构、电流电压方程、电导、跨导、频率

然后还有集边效应，二次击穿

双极型晶体管：

发射极电流集边效应：

（1）定义：由于p-n 结电流与结电压的指数关系，发射结偏压越高，发射极边缘处的电流较中间部位的电流越大

（2）原因：基区体电阻的存在引起横向压降所造成的

（3）影响：增大了发射结边缘处的电流密度，使之更容易产生大注入效应或有效基区扩展效应，同时使发射结面积不能充分利用

（4）限制：限制发射区宽度，定义发射极中心到边缘处的横向压降为kT /q 时所对应的发射极条宽为发射极有效宽度，记为2S eff 。S eff 称为有效半宽度。

发射极有效长度 ：

（1）定义：沿极条长度方向，电极端部至根部之间压降为kT/q 时所对应的发射极长度称为发射极有效长度

（2）作用：类似于基极电阻自偏压效应，但沿Z 方向，作用在结的发射区侧

二次击穿和安全工作区：

（1）现象：当晶体管集电结反偏增加到一定值时，发生雪崩击穿，电流急剧上升。当集电结反偏继续升高，电流I c 增大到某—值后,cb 结上压降突然降低而I c 却继续上升，即出现负阻效应。

（2）分类：

基极正偏二次击穿（I b >0）、零偏二次击穿和（I b =0）、反偏二次击穿（I b <0）。

（3）过程：①在击穿或转折电压下产生电流不稳定性；

②从高电压区转至低电压区，即结上电压崩落，该击穿点的电阻急剧下降；

③低压大电流范围：此时半导体处于高温下，击穿点附近的半导体是本征型的；

④电流继续增大，击穿点熔化，造成永久性损坏。

（4）指标：在二次击穿触发时间t d 时间内，消耗在晶体管中的能量 ⎰=d

t SB IVdt E 0

称为二次击穿触发能量（二次击

穿耐量）。晶体管的E SB （二次击穿触发功率P SB )越大，其抗二次击穿能力越强。

（5）改善措施：

1、电流集中二次击穿

①由于晶体管内部出现电流局部集中，形成“过热点”，导致该处发生局部热击穿。

②导致电流局部集中的原因：

1.大电流下I e的高度集边。

2.原材料或工艺过程造成的缺陷和不均匀性。在缺陷处杂质扩散快，造成结不平坦、基区宽度W b不均匀等。

3.发射极条、基极条间由于光刻、制版等原因造成各部位尺寸不均匀而引起的电位分配不均匀。

4.总的I E在各小单元发射区上分配不均匀，边缘处散热能力强，中心处散热能力差，造成中心部位T j较高，

故二次击穿后熔融点多在中心部位。

5.由于烧结不良形成空洞而造成的局部热阻过大，使该处结温升高，电流增大。

6.晶体管的结面积越大，存在不均匀性的危险也越大，越易发生二次击穿。

③改善及预防措施：

1. 降低r b，以改善发射极电流集边效应;

2. 提高材料及工艺水平，尽可能消除不均勾性。

3. 改善管芯与底座间的散热均匀性，消除出于接触不良而形成的“过热点”。

4. 采用发射极镇流电阻。

2、雪崩注入二次击穿

①由集电结内的电场分布及雪崩倍增区随I c变化，倍增多子反向注入势垒区而引起

②改善及预防措施：

1. 增加外延层厚度，使W c≥BV ceo/E M。但这会使集电区串联电阻r cs增大，影响其输出功率。

2. 采用双层集电区结构增大外延层掺杂浓度，以增大雪崩二次击穿临界电流密度J co。

3. 采用钳位二极管。镇流电阻R E可以防止正偏二次击穿，钳位二极管D可以防止反偏二次击穿。

（6）安全工作区：

1、定义：晶体管能够安全工作的范围。一般用SOAR或SOA表示。由最大集电极电流I CM、雪崩击穿电压BV CEO、最

大耗散功率P CM及二次击穿触发功率P SB参数包围而成。

2、拓展方法：脉冲工作条件拓宽了晶体管的安全工作区，且随脉宽减小而扩大。

①脉冲信号的占空比越大，P SB越小，占空比＜5％时就不易损坏。

②固定占空比时，脉冲宽度越窄，P SB越大。而当脉宽＜100ms后，安全工作区已不再受二次击穿功率P SB的限制。当脉宽＞ls时，其测量结果与直流情况无异。

结型场效应晶体管：

一、工作原理：通过改变垂直于导电沟道的电场强度（栅极电压）来控制沟道的导电能力，从而调制通过沟道的电流。由于场效应晶体管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单极型场效应晶体管”

二、符号： 三、结构：

（S —源极、G —栅极、D —漏极）

四、分类：

(1)结型栅场效应晶体管(缩写JFET 、体内场效应器件)

(2)肖特基栅场效应晶体管——金属-半导体场效应晶体管(缩写MESFET 、体内场效应器件)

(3)绝缘栅场效应晶体管(缩写IGFET 、表面场效应器件)

(4)薄膜场效应晶体管(缩写TFT 、表面场效应器件)

五、特点：

(1)体积小，重量轻

(2)FET 是一种通过输入电压的改变控制输出电流的电压控制器件。

(3)FET 的直流输入阻抗很高，一般可达109—1015Ω

(4)FET 类型多、偏置电压的极性灵活、动态范围大、其各级间可以采用直接耦合的形式。

(5)噪声低，特别适合于要求高灵敏度、低噪声的场合。

(6)热稳定性好。

(7)抗辐射能力强。

(8)相对于双极晶体管，制作工序少、工艺简单，有利于提高产品合格率、降低成本。

六、特性

(1)直流特性

①JFET 沟道夹断前的电流-电压方程

②饱和区电流-电压方程

③夹断电压V P0：沟道厚度因栅p +-n 结耗尽层厚度扩展而变薄，当栅结上的外加反向偏压V GS 使p +-n 结耗尽层厚度等于沟道厚度一半(h =a )时，整个沟道被夹断，此时的V

称为JFET 的夹断电压

V p0=V D -V p 表示整个沟道由栅源电压夹断时，栅p-n 结上的电压降

⑤最大饱和漏极电流I DSS

V GS =V D 时的漏极电流，又称最大漏源饱和电流。

减小沟道电阻率，增大JFET 的最大饱和漏极电流。通过控制a 准确控制I DDS 。

⑥栅源击穿电压BV GS

W

x a N q L A L R D n )(20-⋅==μρ平衡态沟道电阻