微电子器件(3-1)

微电子器件分析的典型过程
平衡态
DC响应
AC响应
瞬态响应
1. 分区、近似求解 泊松方程得到平 衡态的参数 2. 平衡态载流子电 流密度等于零出 发推导出内建电 场的大小
1. 在边界条件下求 解中性区少子连 续性方程（扩散 方程）得到少子 浓度分布 2. 由电流密度方程 得到各电流密度 成分
求少子电荷 控制方程


P区
np0
N区
pn0
x
反偏二极管的反向电流有哪些可能的产生机制？


反偏二极管可以得到大电流输出吗？ 怎样得到大电流输出？
P区
np0
N区
pn0
x


法1：使耗尽区产生电子－空穴对
P区
N区
np0
pn0
x
典型器件：光电二极管


光电二极管是将光信号转换为电信号的半 导体器件，器件核心是反向偏置的pn结
在没有光照时，由于pn结处于反向偏 置，只有微弱的反向电流流过
当有光照时，反向电流急剧增加（携带能 量的光子进入PN结后，把能量传给共价键 上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键， 从而产生电子---空穴对，称为光生载流 子 ）。

为了增加光照，pn结面积较大。

法2：使靠近耗尽区边界的中性区有更多的少子
P区
N区
np0
pn0
x


时间维度上，可以采用从开态（正偏）瞬时变为关态（反偏）实现
E1 0 -E2
E t
I
E1 RL
− E2 RL
ts
tf t I0


空间维度上，可以将正偏与反偏pn结背靠背放在一起来实现 利用正偏pn结提供载流子
P
N N
P


两个近距离地背靠背PN结构成的一种新的器件——双极 结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT)
• 双极含义是电子与空穴两种极性不同的载流子均参与了器件 的导通过程 • BJT是电压控制的电流源 • BJT与其它器件连接可实现放大电流、放大电压和放大功率 • Transistor 是 Transfer resistor的缩写 • /transistor/


William Shockley
John Bardeen
Wakter Brattain
1947


npn 和pnp 晶体管
=+++=CE BC EB C
B E V V V I I I 1、BJT 类型与工艺
制备工艺与特性
均匀基区BJT （扩散晶体管）
特点：
1.三个区内杂质均匀分布
2.发射结、集电结为突变结
3.载流子在基区中以扩散运动为主
合金工艺
缓变基区或双扩散
BJT
（漂移晶体管）
特点：1.
基区为缓变杂质分布，发射区杂质分布也缓变。

2. 载流子在基区中以漂移为主
平面工艺
电路用法
放大状态，用于模拟电路
3. 能带图与少子分布
a.耗尽区
b.能带图
c.电势
d.电场
e.电荷密度
注：
假设晶体管的各个
区域是均匀掺杂
的，并且
N
AE >>N
DB
>N
AC
平衡pnp BJT 平衡pn结
课堂练习
画出平衡条件下npn晶体管的能带图
PN 结能带图P
N
qV
E E Fp Fn =−
均匀基区pnp 晶体管能带图放大状态：
饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：
平衡态
qV
E E Fp Fn =−
NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图： 放大状态：
饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：


课堂练习 写出小注入pn结非平衡态时的势垒区边界的少子分布
⎛ qV ⎞ p n ( x n ) = p no exp⎜ ⎟, ⎝ kT ⎠ ⎛ qV ⎞ ( ) n p − x p = n po exp⎜ ⎟, ⎝ kT ⎠
⎡ ⎛ qV Δp n ( x n ) = p no ⎢exp ⎜ ⎝ kT ⎣
pn np
x →∞
= pno = n po
x →−∞
⎞ ⎤ ⎟ − 1⎥, ⎠ ⎦
Δp n
Δn p
x→∞
=0
=0
⎡ ⎛ qV ⎞ ⎤ Δn p (− x p ) = n po ⎢exp⎜ ⎟ − 1⎥, ⎣ ⎝ kT ⎠ ⎦
x→−∞


均匀基区pnp晶体管的各边界上少子浓度
⎛ qV ⎞ pB = pB0 exp ⎜ EB ⎟ ⎝ kT ⎠
E
Emitter P
⎛ qV ⎞ nE = nE0 exp ⎜ EB ⎟ ⎝ kT ⎠
Base N
Collector P
⎛ qV ⎞ nC = nC0 exp ⎜ CB ⎟ ⎝ kT ⎠
C
nE = nE0
nC = nC0
B
⎛ qV ⎞ pB = pB0 exp ⎜ CB ⎟ ⎝ kT ⎠


均匀基区pnp晶体管的少子分布图： 放大状态：
饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：


4、放大作用
处于放大模式偏置下的 pnpBJT中载流子的输运 BJT中载流子的输运过程： 1. 在正偏E-B结附近载流子的运动表现为多数载流子扩散过发射 结注入到另一边的准中性区（中性基区） 2. 由于基区宽度比少子扩散长度小得多，大多数的注入空穴通过 扩散穿越准中性基区并且进入C-B耗尽区，然后C-B耗尽区内的加 速电场（漂移）迅速把这些载流子扫进集电区。

课堂练习 画出PN结中的正向电流和反向电流的构成与载流子运动 情况
J=
Jdp + Jdn + Jr
P区
Jdp
N 区
Jdn
Jr
J= Jdp +Jdn +Jg
P区
J dp
N 区
−xp
0
xn
J dn
V
Jg
− xp
0
xn
V


放大模式偏置下pnpBJT中的扩散电流（忽略耗尽区内的R-G电流）
I pE
I pC
I pr
Inc
I nE
I n
I nr
NE>>NB，减少InE
I E = I pE + I nE
I c = I nc + I pc ≈ I pc = I pE − I pr = I E − I nE − I nr
I B = I n E + I nr − I nc ≈ I nE + I nr
WB<<LB,减少Inr


电流放大系数的定义
共基极
定义1：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IE 之比，称为 共基极直流短路电流放大系数，记为α，即：
IC α= IE
VEB > 0 , VCB = 0
定义2：发射结正偏，集电结反偏时的 IC 与 IE 之比，称为 共基极静态电流放大系数，记为hFB，即：
hFB = IC IE
V EB > 0 ,VCB < 0


共发射极 定义3：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IB 之比，称为 共发射极直流短路电流放大系数，记为β，即：
IC β= IB
VEB >0,VCB =0
定义4：发射结正偏，集电结反偏时的 IC 与 IB 之比，称为 共发射极静态电流放大系数，记为hFE，即：
IC IB
hFE =
VEB >0,VCB <0


IC 根据 I B = I E − IC ，及 α = 的关系，可得β与α之间有 IE 如下关系： IC IC I E α β= = = I B (I E − I C ) I E 1 − α
α=
β
1+ β
对于一般的晶体管，α= 0.950～0.995，β = 20～200 。

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