半导体器件原理半导体器件原理主讲人：蒋玉龙主讲人：蒋玉龙本部微电子学楼312室，65643768Email: yljiangfudan.edu.cnhttp:/10.14.3.1211第二章 双极型晶体管2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理电流放大原理2.3 直流特性直流特性2.4 反向特性反向特性2.5 晶体管的模型晶体管的模型2.6 频率特性频率特性2.7 开关特性开关特性22.1 基本结构、制造工艺和杂质分布1 2.1.1 晶体管的基本结构n+pnEBC发射区发射区 基区基区 集电区集电区p+npEBC发射区发射区 基区基区 集电区集电区ECBnpnECBpnp32.1 基本结构、制造工艺和杂质分布2 2.1.2 制造工艺合金管平面管42.1 基本结构、制造工艺和杂质分布3 2.1.3 杂质分布均匀基区缓变基区基区内载流子传输方式自建电场扩散扩散漂移+扩散型晶体管漂移型晶体管5第二章 双极型晶体管2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理电流放大原理2.3 直流特性直流特性2.4 反向特性反向特性2.5 晶体管的模型晶体管的模型2.6 频率特性频率特性2.7 开关特性开关特性62.2 电流放大原理12.2.1 放大条件放大条件：1、Wb Lnb2、发射结正偏3、集电结反偏n+pnEBCIeIcIbRERLVbeVcb72.2.2 电流传输2.2 电流放大原理2Ine Inc82.2.3 共基极电流放大系数2.2 电流放大原理3 1 时） 1（当 Wb 1IbIeIcVbeVce10第二章 双极型晶体管2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理电流放大原理2.3 直流特性直流特性2.4 反向特性反向特性2.5 晶体管的模型晶体管的模型2.6 频率特性频率特性2.7 开关特性开关特性112.3.1 晶体管中的少子分布2.3 直流特性1 0 0x2N+PNWb0x-x1x2122.3.2 理想晶体管的电流-电压方程2.3 直流特性2假设： 突变结 一维（Aje = Ajc = A） 外加偏压全加在结上 忽略势垒区的产生-复合电流 小注入1. 少子分布(1) 基区 00Wb 基区均匀掺杂Wb Lpe We Lpc ) 00Wb-x1x2152.3.2 理想晶体管的电流-电压方程2.3 直流特性52. 电流密度 (只计算扩散电流)(1) 基区中电子电流0Wb-x1x2162.3.2 理想晶体管的电流-电压方程2.3 直流特性62. 电流密度 (只计算扩散电流)(1) 基区中电子电流0WbJnb(0)Jnb(Wb) JvbWb Lpe Wc Lpc 182.3.2 理想晶体管的电流-电压方程2.3 直流特性83. Ie、Ib、Ic 表达式(1) Ie 表达式EBCIeIbIcxJe , Jc192.3.2 理想晶体管的电流-电压方程2.3 直流特性93. Ie、Ib、Ic 表达式Wb Lnb 时，且放大偏置(1) Ie 表达式202.3.2 理想晶体管的电流-电压方程2.3 直流特性103. Ie、Ib、Ic 表达式(2) Ic 表达式EBCIeIbIcxJe , Jc212.3.2 理想晶体管的电流-电压方程2.3 直流特性113. Ie、Ib、Ic 表达式(2) Ic 表达式Wb Lnb 时，且放大偏置222.3.3 、 表达式2.3 直流特性121. 表达式 = * *(1) We 1262.3.4 理想晶体管的输入、输出特性2.3 直流特性151. 共基极IE / mAVBE / VVCB输入特性输出特性IeIbIcVbeVcb272.3.4 理想晶体管的输入、输出特性2.3 直流特性162. 共射极VCE输入特性输出特性IbIeIcVbeVce282.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性171. 发射结结面积对 的影响n+pnAje*AjeoIneIne本征基区：Wb Lnb要 则要 Ajeo/ Aje* 结面积大、结浅292.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性182. 基区宽度调制效应（Early效应）N+PNWb*WbVcb Wb* dnb/dx Ine Ic Early 电压对非均匀基区晶体管影响输出电阻影响输出电阻302.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性193. 发射结复合电流影响势垒区 ni2复合率Vbe Ic IvbIeIreIpeIne-x10312.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性203. 发射结复合电流影响增益 随电流 Ic 变化发射结复合电流影响322.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性214. 大注入效应之一 Webster 效应Dnb 2Dnb基区大注入条件：npb(0) NbEx.：Si npn晶体管：若 Nb = 1017 cm-3 , 计算当 npb(0) = 0.1Nb 时所需的发射结偏压Vbe .（答案：0.76 V）qVbe/kT qVbe/ 2kT33Webster 效应2.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性224. 大注入效应之一 Webster 效应增益 随电流 Ic 变化 Ic发射结复合电流基区复合Webster 效应342.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性235. 大注入效应之二 Kirk 效应（基区展宽效应）pnxn+E集电区大注入：nc Nc集电极电流 Jc nc q ( Nb+ nc )q ( Nc nc )饱和漂移速度352.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性24中性nc = Ncnc Nc- - - - - - - - - - - -Emax问题：计算 Jc0 , nc0 即Jc Jc0 Wb Wb + Wb 5. 大注入效应之二 Kirk 效应Kirk 效应临界 Jc0nc = nc0362.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性256. 大注入效应之三 发射极电流集边效应（基极电阻自偏压效应）Seff -发射极有效半宽SeJ (Seff) = J (0) / ezyx372.3.5 晶体管的非理想现象2.3 直流特性266. 大注入效应之三 发射极电流集边效应（基极电阻自偏压效应）发射极电流分布 V(y) Je (y) Seff = ? yyy+dy+dIBJCy0EBrbb382.3.6 实际晶体管的输入、输出特性2.3 直流特性27Webster/Kirk 效应发射结复合电流影响Si 晶体管发射结复合电流Webster/Kirkrbb自偏压Vbe (V)392.3.6 实际晶体管的输入、输出特性2.3 直流特性281. 共基极输入、输出特性EBCEarly 效应输入特性输出特性N+PNWb*WbVcb Wb* dnb/dx Ine Ic dnb/dx 402.3.6 实际晶体管的输入、输出特性2.3 直流特性292. 共射极输入、输出特性输入特性输出特性BECEarly 效应Early 效应问题：为什么Early效应对共发射极输出特性有明显影响，而共基极输出特性却无明显影响？基区复合减少41第二章 双极型晶体管2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理电流放大原理2.3 直流特性直流特性2.4 反向特性反向特性2.5 晶体管的模型晶体管的模型2.6 频率特性频率特性2.7 开关特性开关特性422.4.1 晶体管的反向电流2.4 反向特性1np ni2nppnpn漏电流（与工艺有关）产生电流扩散电流Si 管：Ig 为主Ge 管：Id 为主IR (Si) 0？因此n+pnIeboSi ：Ge：反向工作注入比442.4.1 晶体管的反向电流2.4 反向特性33. Iceo（反向穿透电流）n+pnIceo基极开路 Ib = 0问题：从物理上如何理解此关系？结论：要 Iceo 则 Icbo 不宜太高452.4.2 晶体管的反向击穿电压2.4 反向特性41. BVebon+pnAIeVebBVebo特点：1o 通常为雪崩击穿 Nb 很高时可能有齐纳2o 双扩散管击穿在表面3o 通常 BVebo 4 V 即可2. BVcbon+pnAIcVcbBVcbo特点：1o 雪崩击穿2o BVcbo 越高越好 理想 BVcbo = VBR(纯pn结)462.4.2 晶体管的反向击穿电压2.4 反向特性53. BVce BVceo BVces BVcer BVcex(1) BVceo雪崩击穿时基极开路时 Ib = 0 Ic = IeIceo 发生雪崩倍增条件：1 M = 0 M = 1/（更容易达到）BVceo BVceoIbIeIcVceRLrb(3) BVceo BVcer BVcer492.4.3 晶体管穿通电压（punch-through）2.4 反向特性81. 基区穿通n+nxcpIcVcbVptBVcboBVcbo = Vpt + BVebo 不发生穿通现象的条件：Vpt BVcbo 0结论：合金管更容易发生基区穿通，而平面管则不太可能发生。Nc 1 1Transistor = Trans + Resistor !n+pnIeIcIbRERLVcbIeVbe592.6.1 晶体管的放大作用2.6 频率特性32. 共发射极 1 1 1功率放大的是交流信号!n+pnVbeVceRLRBIbIeIc602.6.2 低频交流小信号等效电路2.6 频率特性41. y 参数等效电路vi+vo+iiio 以 vi vo 为自变量 y 参数等效电路 以 ii io 为自变量 z 参数等效电路 以 ii vo 为自变量 h 参数等效电路RIRFIFIFIRIeIcIbEBC本征晶体管的直流模型Ebers-Moll 方程：612.6.2 低频交流小信号等效电路2.6 频率特性51. y 参数等效电路-以 vi vo 为自变量 求 Ie(Veb, Vcb), Ic(Veb, Vcb)对 E-M 方程求微分 0 0 0量纲：电导622.6.2 低频交流小信号等效电路2.6 频率特性61. y 参数等效电路-以 vi vo 为自变量 共基极 y 参数等效电路ve+vc+ieicy111|y12|vc|y21|vey221EBBC放大偏置时ve+vc+ieicierc EBBC632.6.2 低频交流小信号等效电路2.6 频率特性72. h 参数等效电路 (共发射极)-以 ii vo 为自变量 vbe(ib, vce) ic(ib, vce)全微分BEC？vbe+vce+ibich 参数 以 ib vce 为自变量BCEE642.6.2 低频交流小信号等效电路2.6 频率特性82. h 参数等效电路 (共发射极)-以 ii vo 为自变量 hie 共发射极输出端交流短路时的输入电阻vbe+vce+ibicBCEEEbers-Moll方程放大偏置时，Vbe kT/q, Vbc 0 Why ?由 Ib(Vbe, Vbc) 全微分662.6.2 低频交流小信号等效电路2.6 频率特性102. h 参数等效电路 (共发射极)-以 ii vo 为自变量 0 (10 15)实际 hre 104，原因： (i) Early 效应，Wb(Vce)(ii) Early 效应，rbb(Vce)(i) Early 效应，Wb(Vce) (Vce) 104 V/cmvs = 8.5 106 cm/std = xm / vsE(x,t)假设连续性方程772.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性214.集电结势垒区输运系数 d () 和集电结渡越时间 d对势垒区积分0势垒区平均传导电流d 定义：4.1 d ()782.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性224.集电结势垒区输运系数 d () 和集电结渡越时间 d4.2 d这里792.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性235. 集电极衰减因子 c 和集电极延迟时间 c+Vcb = 常数ieicEBChib+hrbvciehob1CTeCDerbbCTcBrcsCincincc802.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性246. 放大系数的频率特性6.1 () 和 f低频共基极截止频率812.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性256. 放大系数的频率特性6.1 () 和 f (dB) 20 log (dB) 20 log f ： 3dB 频率通常 b e d cdB（分贝）定义：822.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性266. 放大系数的频率特性6.2 () 和 f=？BECCTcCTee 定义 定义定义EBCreieCTeCDerbbCTcrcsres832.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性276. 放大系数的频率特性6.2 () 和 fCTe CTc842.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性286. 放大系数的频率特性6.2 () 和 f同样考虑超相移因子 m，且 b e d cf ： 3dB 频率6.3 fT(1) fT 定义f f 时， 1. 定义共发射极截止频率0 1852.6.3 放大系数的频率特性2.6 频率特性286. 放大系数的频率特性6.3 fT当 f f e d c ) e re CTe Aje d xm Nc c rcs Nc CTc Ajc Nc f 0 时，少子分布 npb(x) 的形状。为什么不象红虚线？边界条件 0Gummel 数 cm 21022.6.5 漂移晶体管2.6 频率特性452. 直流特性2.1 少子分布与少子电流(2) JpeND NAxpn+nn+0Wb+We发射区有自建场 Ee(x) ，类似地问题：Ee 与 Eb 方向相反，相差 一个“”号，为什么？ Ee(x)有何作用？若为薄发射区，即 We 0（加速场） 21052.6.5 漂移晶体管2.6 频率特性482. 直流特性2.2 直流增益 0 0(3) 0 00 0 除了 Rsh,e / Rsh,b Ne/Nb Wb Lnb nb 还可以 1062.6.5 漂移晶体管2.6 频率特性482. 直流特性2.3 Early 效应 Jc 0 0 2o rbb fmax 3o Nb Wb 0 基区穿通效应 基区大注入效应（Webster） Early效应 4o Ne CTe fT 116第二章 双极型晶体管2.1 基本结构、制造工艺和杂质分布基本结构、制造工艺和杂质分布 2.2 电流放大原理电流放大原理2.3 直流特性直流特性2.4 反向特性反向特性2.5 晶体管的模型晶体管的模型2.5 频率特性频率特性2.7 开关特性开关特性1172.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性11. 晶体管的工作区VccRLrb1182.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性22. 截止区和饱和区的少子分布1. 截止区npb0ABVbe 0 (A) = 0 (B)Vbc 0IneIpeIpcIncIb = Iebo + Icbo IeboIcbo1192.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性32. 截止区和饱和区的少子分布2. 饱和区(1) 发生饱和现象的原因IcVccRLrbceVbbVinbIb放大区、饱和区 0 时，而流过集电结的电流却与 Vbc 极性相反？1202.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性42. 截止区和饱和区的少子分布2. 饱和区(1) 发生饱和现象的原因定义：临界饱和状态(2) 少子分布线性放大状态临界饱和状态饱和状态 （超量储存电荷）1212.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性52. 截止区和饱和区的少子分布2. 饱和区(3) 电流传输Ib = Ipe + Ivb + Ivbs + IpcsIbsIbx过驱动电流饱和时IeIvb + IvbsIpeIcsIpcsIbxIb定义：饱和深度s = 1 临界饱和状态1222.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性63. 晶体管的开关作用 K合上，CE导通， K断开，CE断开， 截止 导通开关管要求：1o Vces 越小越好，最好 02o Iceo 越小越好，最好 03o BVce 高（使用范围大）4o 开关时间短VccRLKCEVccRLrbVbbcebVccRLrb1Vbbrb2ViHViLceb1230.1Icst02.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性74. 晶体管的开关过程VccRLrb1ceVbbrb2ViHViLbVbeViLViHtIbIb1t Ib2IcstIc0.9Icst1t2t3t4t5Vcet 0延迟时间 td = t1 t0上升时间 tr = t2 t1储存时间 ts = t4 t3下降时间 tf = t5 t41242.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性84. 晶体管的开关过程上升时间 tr = t2 t1 ( B C )储存时间 ts = t4 t3 ( D C )下降时间 tf = t5 t4 ( C B )t0VbeViLViHtIbIb1t Ib2IcstIc0.9Ics0.1Icst1t2t3t4t5Vcetton = td + trtoff = ts + tf波形频率A.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.延迟时间 td = t1 t0 ( A B )1252.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性95. 晶体管开关过程中的少子分布1. 延迟过程 tdp反偏反偏n+np反偏零偏n+np反偏弱正偏n+nAB对 CTe, CTc 充电A.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.1262.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性105. 晶体管开关过程中的少子分布2. 上升过程 trp反偏正偏n+np反偏弱正偏n+nBp零偏正偏n+nCA.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.对 CTe, CDe, CTc 充电1272.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性115. 晶体管开关过程中的少子分布3. 储存过程 tsp零偏正偏n+nDp零偏正偏n+nC抽取基区、集电区超量储存电荷A.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.1282.7.1 晶体管的开关作用2.7 开关特性125. 晶体管开关过程中的少子分布4. 下降过程 tfp零偏正偏n+nCp反偏弱正偏n+nBp反偏反偏n+nAA.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.1292.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性131. 电荷控制理论交流小信号 线性放大区 （线性微分方程 线性元件等效） 开关晶体管 截止区 饱和区 大信号过程（Ebers-Moll方程 高度非线性） 电荷控制理论 少子连续性方程基区少子电荷 基区电子电荷 Qb1302.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性141. 电荷控制理论定义注入基区的净电子电流净流出的电子电流注入基区的净空穴电流（电中性条件）势垒电容充放电少子扩散 扩散电容充放电IpeIb1312.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性151. 电荷控制理论Ivb +IvbsIc / Ic / 各电流含义Ipe ：少子扩散电流截止区，Ipe 0放大、饱和区，Ivb + Ivbs ：基区复合电流截止区，Ivb 0放大区，1322.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性161. 电荷控制理论：对 CTe 充电电流：对 CTc 充电电流Ipcs ：集电区少子扩散电流截止、放大区，Ipcs = 0饱和区， Ipcs 饱和时1332.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性171. 电荷控制理论对发射结发射区侧的扩散电容 CDe(e) 充电电流对集电结集电区侧的扩散电容 CDc(c) 充电电流截止、放大区，饱和区，电荷控制方程1342.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性171. 电荷控制理论-各工作区讨论1). 截止区 Ic 0 Qb = Qpc = 02). 放大区（有源区） Vje = 0.7 V dVje 0 Qpc = 0截止区电荷控制方程135同理2.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性181. 电荷控制理论-各工作区讨论放大区电荷控制方程1362.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性191. 电荷控制理论-各工作区讨论3). 饱和区 Ic Ics dIc = 0 dVje = 0饱和区电荷控制方程137A.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.2.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性192. 开关时间1). 延迟时间 td = t1 t0pn+ntd = td1 + td2截止区放大区计算 td1（截止区） 对 CTe, CTc 充电 0.5 V= Vbb1382.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性202. 开关时间1). 延迟时间 td = t1 t0计算 td2（放大区） Ib1初始条件 Ic(0) = 0A.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.pn+n1392.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性212. 开关时间1). 延迟时间 td = t1 t0Ic(t) 从 0 0.1Icst 从 0 td2线性近似降低 td1 措施：1o CTe CTc Aje Ajc 2o Vbb 3o Ib1 （但导致 s ）降低 td2 措施：1o CTc Ajc 2o fT Wb 3o Ib1 （但导致 s ）1402.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性222. 开关时间2). 上升时间 tr = t2 t1pn+n计算 tr（放大区）Ic(t) 从 0.1Ics 0.9Icst 从 t1 t2线性近似 tr = ?降低 tr 措施 降低 td2 措施+ 4o Lnb nb A.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.1412.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性232. 开关时间3). 储存时间 ts = t4 t3初始条件pn+nA.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.饱和区放大区ts = ts1 + ts2计算 ts1（饱和区） Ib21422.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性242. 开关时间3). 储存时间 ts = t4 t3当 t = ts1 时，Qpc = 0计算 ts2（放大区）问题：用线性近似如何计算 ts1 ？ Ib2初始条件 Ic(0) = Ics1432.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性252. 开关时间3). 储存时间 ts = t4 t3当 t = ts2 时，Ic = 0.9 Ics问题：用线性近似如何计算 ts2 ？降低 ts1 措施：1o Ib1 s 2o pc 掺 Au（有效复合中心）3o Ib2 降低 ts2 措施：1o CTc Ajc 2o fT 3o Ib2 4o 1442.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性262. 开关时间4). 下降时间 tf = t5 t4pn+n计算 tf（放大区） Ib2A.延迟时间上升时间BCD储存时间下降时间.1452.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性272. 开关时间4). 下降时间 tf = t5 t4Ic(t) 从 0.9Ics 0.1Icst 从 t4 t5综合考虑降低 tf 措施 降低 ts2 措施问题：用线性近似如何计算 tf ？ton = td + trtoff = ts + tfCTe CTc fT Ib1 Vcc pc fT CTc Ib1 Ib2 Vcc 1462.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性282. 开关时间5). 提高开关速度的途径1o 掺 Au pc 2o 不掺 Au 时 c Nc pc 3o Wc Qpc 4o CTe CTc Aje Ajc 5o Wb Qb 1472.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性292. 开关时间6). 正向压降和饱和压降(1) 正向压降 VbesVcVeBCEVcesrcsVbes+resrbsIbIcEbers-Moll 方程消去 Vbc 消去 Vbe 0.7 V1482.7.2 电荷控制理论和晶体管开关时间2.7 开关特性302. 开关时间6). 正向压降和饱和压降(2) 饱和压降 Vces 合金管 rcs res 均很小s Vces (但 ts ) 一般 s 4 即可， Vces 0.1 V 平面管 rcs res用 n+ 埋层或 n/n+ 外延结构做集电极149