半导体工艺基础学习

晶体管的直流伏安特性曲线（共射极）
两种组态输出特性曲线比较
(1) 电流放大系数的差别 (2) UCE 增大对电流放大系数的影响 (3) UCE 减小对输出电流的影响
晶体管的穿通电压 （基区穿通）
晶体管的穿通电压 （外延层穿通）
外延层穿通所决定的击穿电压
BUCBO
UB

Wc X mc
1/

2
Seff


e
6
2
1/
2

RSb
kT / q (10 )
jE
(0)
1/

2
Seff


6e e2
1/
2

0kT / q RSb jEp
1/

2
1/ 2

1.86

0kT
/
q

RSb jEp
晶体管的直流电流放大系数
8.某厂在试制某种晶体管时，发现输出特性曲线如图所示。 你能否用集电结在表面处有很大的漏电流来解释此种现象？
晶体管的频率特性
晶体管的频率特性
晶体管的频率特性曲线和极限频率参数
晶体管的频率特性曲线和极限频率参数
提高特征频率的途径
1、减小基区宽度，并采用扩散基区。 2、尽量减小发射极面积。 3、基区扩散的薄层电阻大些，即基区杂质浓度
为什么 I C 总是小于 I E？ 主要原因在于发射极发射的电子在传输到集电极的过
程中，有两个阶段电子会损失：一是发射区的电于与来自 基区的少子空穴的复合损失，该复合形成了空穴电流；一 是电子在穿越基区往集电结扩散的过程中，与基区中空穴 的复合损失，形成体内复合电流。
晶体管的直流电流放大系数
均匀基区晶体管电流放大系数
均匀基区晶体管的基区杂质是均匀分布的，载流子在基区 内的传输主要靠扩散机理进行，又称扩散型晶体管。
缓变基区晶体管的基区杂质是缓变的，载流子在基区内的 传输除了靠扩散运动外，还存在漂移运动且往往以漂移运动为 主，又称漂移型晶体管。
双极型晶体管
晶体管的电流放大原理
假设条件：
① 发射区与集电区宽度远大于少子扩散长度，基区宽度远小于少 子扩散长度。
晶体管的直流电流放大系数
① 提高发射区掺杂浓度，增大正向注入电流； ② 减小基区宽度，减少复合电流； ③ 提高基区杂质分布梯度，以提高电场因子； ④ 提高基区载流子寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长
度。
晶体管基区宽变效应
晶体管的直流电流放大系数
习题1 在材料种类相同、掺杂浓度分布相 同、基区宽度相同的条件下、PNP晶体管 和NPN晶体管相比，哪种晶体管的发射结 注入效率较大？哪种晶体管的基区输运系 数较大？
电流放大系数如何变化并计算厄尔利电压。
晶体管的直流电流放大系数
4.某厂在试制晶体管时，由于不注意清洁卫生，在高温扩散 时引入了金、镍等杂质，结果得到如图所示的晶体管输出特 性曲线。你能否说明这个输出特性曲线与标准输出特性曲线 的差别在哪里，原因是什么？
晶体管的直流电流放大系数
5.某厂在试制NPN平面管时，发现所得到的输出特性曲线为 “靠背椅”式，如图所示。你能否用基区表面形成反省层 （即所谓“沟道” ）来解释这种输出特性曲线？
U (Seff
)

kT q

Seff 0
dU (x)

(e 1)
jB (0)RSb 6
Seff
2

1 2
RSb
jB (0)Seff 2

(e
2)
jB (0)RSb 6
Seff
2
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
Seff


e
6
2
1/
2

kT / RSb jB
q (0)
晶体管的功率特性
集电结最大耗散功率
集电结最大耗散功率是晶体管参数的变化不超过 规定值时的最大集电结耗散功率。
晶体管的功率特性
集电结最大耗散功率相关因素
在晶体管的散热情况和环境温度一定时，消耗的 功率越大，管芯的结温就越高。由于管芯结温不能超 过晶体管的最高结温，因此晶体管的耗散功率也不允 许任意大。显然与最高结温对应的耗散功率就是晶体 管的最大允许耗散功率，即
稍低些，也有利于提高特征频率。 4、减小集电结面积，适当降低集电区电阻率。
晶体管的噪声
噪声系数
采用信号噪声比（即信号功率与噪声功率之比， 简称信噪比）来衡量噪声的大小。常用晶体管的输入 信号噪声比同输出信号噪声比的比值来标志晶体管的 噪声特性，这个比值就叫噪声系数。
晶体管的噪声
（1）热噪声 杂乱无章的热运动叠加在载流子的有规则的运动之上，就会引
半导体器件与工艺
双极型晶体管
哈尔滨工程大学 微电子学
双极型晶体管
晶体管的基本结构和分类
双极型晶体管
晶体管的制造工艺和杂质分布
双极型晶体管
晶体管的制造工艺和杂质分布
双极型晶体管
晶体管的制造工艺和杂质分布
双极型晶体管
晶体管的制造工艺和杂质分布
双极型晶体管
均匀基区晶体管和缓变基区晶体管
2
Wc X mc

外延层厚度
d X jc X mc
3. 已 知 某 硅 NPN 均 匀 基 区 晶 体 管 的 基 区 宽
度 WB 2.5m ，基区掺杂浓度NB ，集电区 1017cm3
掺杂浓度 ，试求当 、 时 NC 1016cm3
VCB 0V VCE 10V
b Lpe
0

1
1
eWb
bWe
基区输运系数：
0*
1
1

Wb 2 Lnb 2
晶体管的直流电流放大系数
1.在N型硅片上经硼扩散后，得到集电结结深 x jc 2.1，m 有源基区方块电阻RSB 800 / sq ，再经 磷扩散后，得发射结结深 x je 1.3m ，发射区 方块电阻 RSE 10 / sq 。设基区少子寿命 B 10 7 s ，基区少子扩散系数扩散系数 DB 15cm2s1，基区 自建场因子 8 ，试求该晶体管的电流放大系
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
jB (x) jB (0) (e 1) jB (0)
x
Seff
jB (x)

(e 1) jB (0) Seff
x
jB (0)
dIB (x)
jB (x)ldx
PCM K (TjM Ta )
晶体管的最高结温是指晶体管能正常地、长期可 靠工作的最高PN结温度。
晶体管的功率特性
晶体管热阻
晶体管工作时，集电结产生的热量要散发到 周围空间中去，会遇到一种阻力，把这种阻力叫 “热阻”。晶体管的热阻是表征晶体管工作时所产 生的热量向外散发的能力，它表示晶体管散热能力 的大小。
双极型晶体管
平衡晶体管的能带和载流子的分布
双极型晶体管
非平衡晶体管的能带和载流子的分布
双极型晶体管
晶体管载流子的传输
双极型晶体管
晶体管载流子的传输 ⑴ 发射结正向偏置—发射电子 ⑵ 载流子在基区的传输与复合 ⑶ 集射结反向偏置—收集电子
IE IC IB
晶体管的直流电流放大系数
二次击穿机理—电流集中二次击穿
在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的结果。
晶体管的功率特性
镇流电阻
晶体管的功率特性
二次击穿机理—雪崩注入二次击穿
② 发射区与集电区电阻率足够低，外加电压全部降落在势垒区， 势垒区外无电场。
③ 发射结和集电结空间电荷区宽度远小于少子扩散长度，且不存 在载流子的产生与复合。
④ 各区杂质均匀分布，不考虑表面的影响，且载流子仅做一维传 输。
⑤ 小注入，即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度。 ⑥ 发射结和集电结为理想突变结，且面积相等。
RT

TjM Ta PCM
晶体管的功率特性
晶体管热阻
晶体管的功率特性
降低晶体管热阻
降低内热阻：通过适当减薄硅片和铝片厚度，增大 集电结面积或周界长度来减小内热阻。
降低外热阻：可以通过减小接触热阻，增大散热面 积来实现。
减少接触热阻的措施： ① 尽量使管座与散热器的接触面平整、光滑、清
洁且不氧化。 ② 在接触界面处涂覆硅脂。 ③ 在安装晶体管时，接触面应尽量压紧。
晶体管的功率特性
晶体管的二次击穿
当集电极反向偏压增大 到某一值时，集电极电流急 剧增加，出现击穿现象，这 个首先出现的击穿现象称为 一次击穿。当集电极反向偏 压进一步增大，增大到某一 临界值时，晶体管上的压降 突然降低，而电流继续增长， 这个现象称为二次击穿。
晶体管的功率特性
晶体管的二次击穿
晶体管的功率特性
为了表征两个阶段电子损失的比例大小，再定义两个参量：
发射效率：
0

In(X2) IE
1
1
eWb
b Lpe
基区输运系数：
0*

In(X3) In(X2)

IC In(X2)
1
1 2
Wb 2 Lnb 2
晶体管的直流电流放大系数
缓变基区晶体管电流放大系数
发射效率：
0

1
1
eWb
晶体管的直流电流放大系数
6. 某 厂 在 试 制 某 种 晶 体 管 时 ， 发 现 输 出 特 性 曲 线 “ 过 度 倾 斜”，如图所示。你能否用制造过程不当，使基区过薄来解 释此种现象？
晶体管的直流电流放大系数
7.某厂在试制某种晶体管时，发现输出特性曲线如图所示。 你能否用集电极有较大的串联电阻（如欧姆接触电阻之类） 来解释此种现象？如何改进工艺条件来避免此种现象？
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
发射结空间电荷区复合对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
发射区重掺杂对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
基区宽变效应对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
温度对电流放大系数的影响
晶体管的直流伏安特性曲线（共基极）
晶体管的功率特性
基区扩展效应
晶体管的功率特性
基区扩展效应
晶体管的功率特性
基区扩展效应
晶体管的功率特性
基区纵向扩展效应
晶体管的功率特性
基区横向扩展效应
晶体管的功率特性
基区扩展效应对电特性的影响
1 eWb Wb2 0 b Lpe 2L2nb
fT

0 f

1
2 b
晶体管的功率特性
晶体管电流放大系数和电流放大能力
（1）共基极直流电流放大系数 表征从发射极输入的电流中有多大比例传输到集电极成为输
出电流，或者说由发射极发射的电子有多大比例传输到了集电 极。共基极接法的晶体管不能放大电流，但由于集电极允许接入 阻抗较大的负载，所以仍能够获得电压放大和功率放大。
0

IC IE
晶体管的直流电流放大系数
起电流的起伏，成为噪声。 （2）散粒噪声
半导体中载流子的产生、复合过程有涨有落，参加导电的载流
于数目将在其平均值 附近起伏，这种由载流子数目起伏而引起的噪
声（。3）1 噪声 f
在半导体中还存在着一种影响很大的噪声，叫做噪声，这种噪
声同频率有关，频率越低，噪声越大。
晶体管的功率特性
基区大注入效应 （1）大注入基区电大调制效应和自建电场 （2）大注入基区少子分布
晶体管电流放大系数和电流放大能力
（2）共射极直流电流放大系数
共发射极电路是用 IB 去控制 IC 以实现电流放大的。
0

IC IB
晶体管的直流电流放大系数
晶体管电流放大系数和电流放大能力
（3） 0与 0 的关系
0

0 10
晶体管的直流电流放大系数
晶体管电流放大系数和电流放大能力

(e

1)
jB
(0)
x

Seff
jB (0) ldx

晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
IB (x) ຫໍສະໝຸດ Baidu
x

(e

1)
jB
(0)
0
Seff
x
jB (0)ldx


(e 1) jB (0)x2 2Seff

jB (0)lx
dU
(x)

IB
(x)b
dx Wbl
（4）晶体管具有放大能力所满足的条件（以NPN管为例）
① 发射区高掺杂，能发射大量电子； ② 基区低掺杂且基区宽度窄，减少电子的复合损失； ③ 发射结正向偏置，发射电子； ④ 集射结反向偏置，收集电子。
晶体管的直流电流放大系数
均匀基区晶体管电流放大系数
晶体管的直流电流放大系数
均匀基区晶体管电流放大系数
数 与 分别为多少？
晶体管的直流电流放大系数
2.在基区掺杂浓度随距离按指数式变化的缓 变基区晶体管中，基区自建电场强度为常
数。如果基区宽度为0.3 m的晶体管中存在
500V cm1 的均匀基区自建电场，基区中靠
近发射结一侧的掺杂浓度是1017 cm3 ，试问
基区中靠近集电结一侧的掺杂浓度为多少？