半导体器件物理

(collector，用C表示)。 图 (b) 为 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的 电
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
-B-
VCB
(a)理 想 一 维 p-n-p双 级 型 集 体 管
E +
IE VEB
+ VEC -
IC
-C
VBC
- + IB
B
(b)p-n-p双 级 型 集 体 管 的 电 路 符 号
双极型晶体管的静态特性
各区域中的载流子分布
为推导出理想晶体管的电流、电压表示式，需作下列五点 假设： （1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略； （3）载流子注入属于小注入； （4）耗尽区中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。
假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区，然后
}
IE
IE IEpIEn, IC ICpICn,
IB IE IC IE n (IE p IC ) pICn
}I EP
I En I BB
IB
空穴电流 和空穴流
晶体管中有一项重要的参数，称 为共基电流增益，定义为
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
电子电流 电子流
0
I Cp IE
因此，得到
双极型晶体管的工作原理
图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的
区域，形成两个p-n结。浓度最高的p＋区域称为发射区(emitter，以E表示)；
中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的
宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区
可见，由邻近的射基结注射过来 的空穴可在反向偏压的集基结造成大 电流，这就是晶体管的放大作用，而 且只有当此两结彼此足够接近时(基区 宽度足够窄)才会发生，因此此两结被 称为交互p-n结。相反地，如果此两p-n 结距离太远(基区宽度太大) ，所有入 射的空穴将在基区中与电子复合而无 法到达集基区，并不会产生晶体管的 放大作用，此时p-n-p的结构就只是单 纯两个背对背连接的p-n二极管。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基 区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
电子电流 电子流
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双极型晶体管及相关器件 9
双极型晶体管的工作原理
晶体管各端点的电流可由上述各 个电流成分来表示
发 射 区 (P ) 基 区 (n)
路符号，图中亦显示各电流成分和电 压极性，箭头和“十”、“一”符号 分别表示晶体管在一般工作模式(即
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++ B
VBC
IE E-
- VCE +
-I C
+C
VBE
VCB
+
+ - IB B
(c)理 想 一 维 n-p-n双 级 型 集 体 管
(d)n-p-n双 级 型 集 体 管 的 电 路 符 号
发射区 (P)
}I EP
I En
基 区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
电子电流 电子流
T
I Cp I Ep
所以 0＝T
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双极型晶体管的工作原理
对合格的晶体管，IEn远比IEp
发 射 区 (P ) 基 区 (n)
双极型晶体管工作在放大模式
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场 强度分布的情形，与热平衡状态下比 较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
I C I C p I C n 2 .9 m A 9 0 .0m 0 A 2 1 .9m 9 A
所以 I C B I C O 0 I E 2 . 9 m 9 0 . 9 A 1 3 9 . 0 m 3 1 0 . 8 A A 4 7
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IE
发
射
区
P
V EB
基
区
n
IB
集
电
区
P
V BC
IC
输
出
Dpdd2px2n－pn－ τp np0 0
其中Dp和τp分别表示少数载流子的 扩散系数和寿命。上式的一般解为
N
D
N
A
W
E
N
B
xE
E
EC EV
V EB
IE
发
射
区
P
V
EB
N
D
N
A
W
E
N
B
xE
E
x
x EC
pn(x)pnC 1ex (Lp p)C 2ex (p Lp) E V
小，且ICp与IEp非常接近， T与 I E 都趋近于1，因此0也接近于1。 集电极电流可用0表示，即
}I EP
I En
I BB
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
}
IC ICpICnTIEp＋ICn
T
IEp
＋ICn＝0IE＋ICn
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
电子电流 电子流
其中ICn是发射极断路时(即IE=0)集基极间的电流，记为ICBO，前两个下标 （CB）表示集、基极两端点，第三个下标（O）表示第三端点(发射极)断路， 所以ICBO代表当发射极断路时，集基极之间的漏电流。共基组态下的集电极 电流可表示为
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双极型晶体管的工作原理
双极型晶体管(bipolar transistor)的结构
双极型晶体管是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路 、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参 与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p-n结所组成，其结构可为 p-n-p或n-p-n的形式。
V
EB
(a)
W
B
0
W
(b)
(c)
(d)
EV
EV
图 4.3（ a） 所 有 端 点 接 地 的 p-n-p晶 体 管 （ 热 平 衡 状 态 ）
（ b） 突 变 掺 杂 晶 体 管 的 掺 杂 浓 度 分 布 （ c） 电 场 分 布（ d） 热 平 衡 状 态 下 的 能 带 图
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双极型晶体管的工作原理
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度 。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分 布情况。图(d)是晶体管的能带图， 它只是将热平衡状态下的p-n结能带 直接延伸，应用到两个相邻的耦合p ＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平 。
N
D
N
A
WE
WB
WC
x
E
x
EC
EC
EF
EF
解 （a）发射效率为
＝IEpI＋ EpIEn＝3＋30.01＝0.9967
（b）基区输运系数为
T
ICp IEp
2.990.9967 3
（c）共基电流增益为 0 ＝ T 0 .99 0 .6 97 9 0 6 .97 93
（d）共基电流增益为 IEIEp＋ IEn＝ 3m A0.0m 1 A 3.01m
IC 0IE＋ICBO
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双极型晶体管的工作原理
例 1 ： 已 知 在 一 理 想 晶 体 管 中 ， 各 电 流 成 分 为 ： IEp=3mA 、 IEn=0.01mA 、 ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。试求出下列各值：(a)发射效率；(b)基区输运 系数T；(c)共基电流增益0；(d)ICBO。
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
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双极型晶体管的工作原理
在理想的二极管中，耗尽区 将不会有产生-复合电流，所以由 发射区到基区的空穴与由基区到 发射区的电子组成了发射极电流。 而集基结是处在反向偏压的状态， 因此将有一反向饱和电流流过此 结。当基区宽度足够小时，由发 射区注入基区的空穴便能够扩散 通过基区而到达集基结的耗尽区 边缘，并在集基偏压的作用下通 过集电区。此种输运机制便是注 射载流子的“发射极“以及收集 邻近结注射过来的载流子的“集 电极”名称的由来。
如 图 为 一 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。
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Physics of Modern Semiconductor Devices
双极型晶体管及相关器件
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2019,7,30
双极型晶体管及相关器件 1
本章内容
双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管的静态特性 双极型晶体管的频率响应与开关特性 异质结双极型晶体管 可控硅器件及相关功率器件
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
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双极型晶体管的工作原理
如果大部分入射的空穴都没有与 基区中的电子复合而到达集电极，则 集电极的空穴电流将非常地接近发射 极空穴电流：IEp≈ICp。
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0＝ IEpI＋ CpIEn＝ IEpI＋ EpIEnIIC Ep p
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双极型晶体管的工作原理
上式等号右边第一项称为发射
效率，是入射空穴电流与总发
IE
射极电流的比，即：
IEp IE
IEp IEp＋IEn
第二项称为基区输运系数，是到 达集电极的空穴电流量与由发射 极入射的空穴电流量的比，即
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
Biblioteka Baidu
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
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双极型晶体管的工作原理
电流增益
下图中显示出一理想的p-n-p晶体管在放大模式下的各电流成分。 设耗尽区中无产生-复合电流，则由发射区注入的空穴将构成最大的 电流成分IEp 。
这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦确定了 少数载流子的分布(n区域中的空穴)，就可以由少数载流子的 浓度梯度得出电流。
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双极型晶体管的静态特性
一、基区区域：
图(c)显示结上的电场强度分布，在基区中性区域中的少数载流子分布
可由无电场的稳态连续方程式表示：
大部分的入射空穴将会到达集
电极而形成ICp。基极的电流有 I E 三 个 ， 即 IBB 、 IEn 、 ICn 。 其 中 IBB代表由基极所供应、与入射 空穴复合的电子电流(即
IBB=IEp-ICp) ； IEn 代 表 由 基 区 注 入发射区的电子电流，是不希
望有的电流成分；ICn代表集电 结附近因热所产生、由集电区
B
(b)p-n-p双 级 型 集 体 管 的 电 路 符 号
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++
B
VBC
IE E-
- VCE + I C
+C
VBE
VCB
+ - IB
B
(c)理 想 一 维 n-p-n双 级 型 集 体 管
(d)n-p-n双 级 型 集 体 管 的 电 路 符 号
图 4.2
图 4.2
放大模式)下各电流的方向和电压的 极性，该模式下，射基结为正向偏压 (VEB＞0)，而集基结为反向偏压(VCB ＜0)。
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
VCB
-B-
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IE E
+
+ VEC -
IC
-C
VEB
VBC
- + IB
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双极型晶体管的工作原理
双极型晶体管(pnp型)工作在放大模式 发 射 区 基 区 集 电 区
P
n
P
图(a)是一热平衡状态下的理想pn-p双极型晶体管，即其三端点接在 一起，或者三端点都接地，阴影区域 分别表示两个p-n结的耗尽区。图(b) 显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射