高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件高等半高等半导导体物理体物理与器件与器件第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件主要内容主要内容? 双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理? 少子的分布少子的分布? 低低频频共基极共基极电电流增益流增益? 非理想效非理想效应应? 等效等效电电路模型路模型? 频频率上限率上限? 大信号开关大信号开关? 小小结结第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管1高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件? 晶体管基本工作原理晶体管基本工作原理 ：在器件的两个端点之：在器件的两个端点之间间施加施加电压电压，从而控制第三端的，从而控制第三端的电电流。流。? 最基本的三种晶体管最基本的三种晶体管 ：双极晶体管、金属：双极晶体管、金属 -氧化物氧化物-半半导导体体场场效效应应晶体管、晶体管、结结型型场场效效应应晶体管。晶体管。? 双极双极晶体管：在此器件中包含晶体管：在此器件中包含电电子和空穴子和空穴 两种极性两种极性不同不同的的载载流子运流子运动动。 双极晶体管中双极晶体管中有有2个个pn结结，结电压结电压的正的正负负情况可以有多种情况可以有多种组组合，合，导导致器件有不同的工作模式。致器件有不同的工作模式。 是一种是一种电压电压控制的控制的电电流源。流源。 两种等效两种等效电电路模型，适用于不同的情况。路模型，适用于不同的情况。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管2高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件12.1 双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理? 三个三个掺杂掺杂不同的不同的扩扩散区、两个散区、两个pn结结 三端分三端分别为发别为发射极（射极（ E）、基极（）、基极（B）、集）、集电电极（极（C） 相相对对于少子于少子扩扩散散长长度，度， 基区基区宽宽度很小度很小 发发射区射区掺杂浓掺杂浓度最高度最高 ，集集电电区区掺杂浓掺杂浓度最低度最低? pn结结的的结论结论将直接将直接应应用于双极晶体管的研究用于双极晶体管的研究? 双极晶体管不是双极晶体管不是对对称器件，包括称器件，包括掺杂浓掺杂浓度度和和几几何形状何形状第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管3高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件(a)npn型型(b)pnp 型双极晶体管的型双极晶体管的简简化化结结构构图图及及电电路符号路符号(a)集成集成电电路中的常路中的常规规npn型双极晶体管型双极晶体管(b)氧化物隔离的氧化物隔离的npn型双极晶体管截面型双极晶体管截面图图第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管4高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件B-E结结正偏正偏，B-C结结反偏反偏（正向有源模式正向有源模式）-共基共基B-E结结正偏正偏：电电子从子从发发射区越射区越过发过发射射结结（1）基本工作原理）基本工作原理注入到基区；注入到基区；B-C结结反偏反偏：理想情况下：理想情况下B-C结边结边界界处处，少子少子电电子的子的浓浓度度为为零。零。图图(b)中中电电子子浓浓度梯度度梯度标标明：明：发发射区注射区注入的入的电电子会越子会越过过基区基区扩扩散到散到B-C结结的空的空间电间电荷区，那里的荷区，那里的电场电场会把会把电电子子扫扫到集到集电电区。区。为为了使尽可能多的了使尽可能多的电电子到达集子到达集电电区，而区，而不是和基区多子空穴复合；与少子不是和基区多子空穴复合；与少子电电子子扩扩散散长长度相比，度相比，基区基区宽宽度必度必须须很小很小。npn型双极晶体管的横截面型双极晶体管的横截面图图均匀均匀掺杂掺杂的的npn型双极晶体管的理想化型双极晶体管的理想化掺杂浓掺杂浓度分布度分布图图当基区当基区宽宽度很小度很小时时，少子，少子电电子子浓浓度是度是B-E结电压结电压和和B-C结电压结电压的函数的函数。图图中中显显示了正向有源模式下示了正向有源模式下电电子从子从n型型发发射区注入（因此称射区注入（因此称为为发发两个两个结结距离很近距离很近互作用互作用pn结结。射区射区）和）和电电子在集子在集电电区被收集（因此称区被收集（因此称为为集集电电区区）的截面）的截面图图(a)npn 型双极晶体管工作在正向有源区的偏置情况型双极晶体管工作在正向有源区的偏置情况(b)工作于正向有源区，工作于正向有源区，npn型型第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管双极晶体管中少子的分布双极晶体管中少子的分布(c)零偏和正向有源区零偏和正向有源区时时，npn型双极晶体管的能型双极晶体管的能带图带图5高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（2）晶体管）晶体管电电流的流的简简化表达式化表达式理理想想情情 况况下下，基基 区区 少少 子子 电电短基区短基区第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管子子 浓浓 度度 是是 基基区区 宽宽 度度 的的 线线性性 函函 数数 ， 表表明明 没没 有有 复复 合合发发 生生 。 电电 子子扩扩散散过过 基基区区，后被后被B-C结结空空间间 电电 荷荷 区区 电电场场 扫扫 入入 集集 电电区区。6高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件? 集集电电极极电电流：流：扩扩散散电电流流dn?x?nB?0? 0?iC? eDnABE? eDnABE?dx?0? xB?VBE?nB?0? nB0exp?Vt?VBEeDnABEiC? ?nB0exp?xB?Vt集集电电极极电电流流?VBE?仅考虑大小Isexp?Vt?基极和基极和发发射射极极间间的的电压电压晶体管晶体管基本工作原理基本工作原理：器件：器件一端的一端的电电流流由加到由加到另外两端的另外两端的电压电压控制控制第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管7高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件? 发发射极射极电电流：流：一部分一部分电电流是流是发发射区注入基区的射区注入基区的电电子子电电流，即流，即iC。?VBE?iC? Isexp?Vt?另一部分另一部分电电流是正偏流是正偏B-E结电结电流，即流，即iE2。iC?VBE? 常数 ?iE2? Is2exp?iE?Vt?总总的的发发射极射极电电流流为为：?VBE?iE? iC? iE2? IsEexp?Vt?称称为为共基极共基极电电流增益流增益。该该增益尽可能接近增益尽可能接近1。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管8高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件? 基极基极电电流：流：一部分一部分电电流流iBa是是B-E结电结电流，即流，即iE2。iE2?VBE? Is2exp?Vt?另一部分另一部分是基区空穴复合是基区空穴复合电电流，流，记为记为即即iBb。直接依直接依赖赖于基区中少子于基区中少子电电子的数量。子的数量。?VBE?iBb? exp?Vt?iC? 常数 ?iB总总的基极的基极电电流流为为：?VBE?iB? iE2? iBb? exp?Vt?为为共共发发射极射极电电流增益流增益，其，其值远值远大于大于1（数量（数量级为级为100或更大）。或更大）。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管9高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（3）工作模式）工作模式共射共射B-E反偏反偏，B-C反偏反偏：截止截止。B-E正偏正偏，B-C反偏反偏：正向有正向有源区源区。B-E正偏正偏，B-C正偏正偏：饱饱和和。B-E反偏反偏，B-C正偏正偏：反向有反向有源区源区。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管10高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（4）双极晶体管放大）双极晶体管放大电电路路? 双极晶体管和其他元件相双极晶体管和其他元件相连连，可可实现电压实现电压、电电流放大。流放大。? 正向有源区，正向有源区，电压电压增益，增益，电压电压放大器放大器共射共射第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管11高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件12.2 少子的分布少子的分布双极晶体管的双极晶体管的电电流是由流是由少子的少子的扩扩散散决定的。决定的。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管12高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（1）正向有源模式：）正向有源模式：B-E结结正偏，正偏，B-C结结反偏反偏? 均匀均匀掺杂掺杂npn双极晶体管。双极晶体管。? 单单独考独考虑虑每个区域每个区域时时，将起点移到空，将起点移到空间电间电荷区荷区边边界，采用正界，采用正的坐的坐标值标值。? 中性集中性集电电区区长长度度比集比集电电区内少子区内少子扩扩散散长长度大得多。度大得多。? 中性中性发发射区射区有限有限长长，假，假设设x=xE处处表面复合速率表面复合速率无限大，即此无限大，即此处过处过剩少子剩少子浓浓度度为为零。零。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管13高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件基区基区稳态稳态下，下，过过剩少子剩少子电电子子浓浓度度可通可通过过双极双极输输运方程运方程得到。得到。中性区，中性区，电场为电场为零，无零，无过过剩剩载载流子流子产产生，生，稳态稳态下下输输运方程运方程2?nB?x?nB?x?DB? 02?x?B0通解表示通解表示为为边边界条件：界条件：? x ?x?nB?x? Aexp? Bexp?LB?LB?eVBE?B-E结结正偏正偏?nB?0? nB0?exp?1?kT?B-C结结反偏反偏?nB?xB? ?nB0nB0?eVBE通通过过线线性近似性近似得：得：?nB?x?exp?xB?kT第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管?1?xB? x? x?14高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件发发射区射区同同样样，使用，使用稳态稳态下下过过剩少子的双极剩少子的双极输输运方程运方程2?pE?x?pE?x?DE? 02?x?E0通解表示通解表示为为边边界条件：界条件：? x?pE?x? Cexp?LE?x? Dexp?LE?1?1?xE? x?15?eVBEB-E结结正偏正偏?pE?0? pE0?exp?kT?x=xE处处，表面复合速度无限大，表面复合速度无限大?pE?xE?0?eVBE?exp?kT?pE0通通过过线线性近似性近似得：得：?pE?x?xE第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件集集电电区区稳态稳态下下过过剩少子剩少子输输运方程运方程2?pC?x? ?pC?x? ?DC? 02?x?C0通解表示通解表示为为边边界条件：界条件：? x? ?x? ?pC?x? ? Eexp? F exp?LC?LC?集集电电区无限区无限长长B-C结结反偏反偏?pC? 0?E ? 0?pC?0? ? pC0?x? ?集集电电区区过过剩少子剩少子浓浓度：度：?pC?x? ? ? pC0exp?LC?第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管16高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件?pC?x? ? pC?x? ? pC0?x? ? ? ? pC0exp?LC?eVBE?pE?x? pE?x? pE0?exp?kT?1?xE? x?nB0?eVBE?nB?x? nB?x? nB0?exp?1?xB? x? x?xB?kT?第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管pE0?xE17高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（2）其他工作模式）其他工作模式（a）截止截止：B-E结结，B-C结结均反偏，空均反偏，空间电间电荷荷区区边边界少子界少子浓浓度均度均为为零。零。（b）饱饱和和：B-E结结，B-C结结均正偏，空均正偏，空间电间电荷荷区区边边界存在界存在过过剩少子。剩少子。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管18高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件? 反向有源区反向有源区：B-E结结反偏，反偏，B-C结结正偏。正偏。? 与正向有源区中的与正向有源区中的发发射射极、集极、集电电极极电电流反向流反向。? 由于由于B、E区相区相对掺杂浓对掺杂浓度和度和B、C区相区相对掺杂浓对掺杂浓度不同，度不同， 非几何非几何对对称称 ，两者的特性大不相同。两者的特性大不相同。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管19高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件12.3 低低频频共基极共基极电电流增益流增益从从发发射区注入到基区中的射区注入到基区中的电电子子流流从基区注入从基区注入发发射区的空穴流射区的空穴流到达集到达集电电区的区的电电子流子流反偏反偏B-C结结空空间电间电荷区荷区产产生空穴流生空穴流B-C结结的反的反向向饱饱和和电电流流正偏正偏B-E结结空空间电间电荷区荷区复合复合电电子流子流基区复合基区复合时时需要需要补补充的空穴流充的空穴流npn型晶体管，正向有源区，粒子流密度和粒子流成分型晶体管，正向有源区，粒子流密度和粒子流成分第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管20高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件基区基区x=0处处少子少子 基区基区x=xB处处少子少子电电子子扩扩散散电电流流电电子子扩扩散散电电流流正偏正偏B-E结结中中载载流子复合流子复合电电流流发发射区射区x=0处处少少子空穴子空穴扩扩散散电电流流流入基区流入基区补补充因复充因复合而消失合而消失 的空穴流的空穴流反偏反偏B-C结结中中产产生生电电流流反偏反偏B-C结结饱饱和和电电流流第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管21高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件小信号或是正弦信号的共基极小信号或是正弦信号的共基极电电流增益流增益?JCJnC?T?JEJnE? JR? JpE?JnE?发发射极注入效率系数射极注入效率系数?J? J?pE?nE考考虑虑了了发发射区中的少子空穴射区中的少子空穴扩扩散散电电流流对电对电流增益的影响流增益的影响。? JnC?T?基区基区输输运系数运系数?JnE?考考虑虑了了基区中基区中过过剩少子剩少子电电子的复合的影响子的复合的影响。复合系数复合系数?JnE? JpEJnE? JR? JpE考考虑虑了了正偏正偏B-E结结中的复合的影响中的复合的影响。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管22高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件12.4 非理想效非理想效应应（1）基区）基区宽宽度度调调制效制效应应（厄（厄尔尔利效利效应应）? B-C结结反偏反偏电压电压增加增加B-C结结空空间电间电荷区荷区宽宽度增加度增加基区基区扩扩散区散区宽宽度减小度减小少子少子浓浓度梯度增加度梯度增加集集电电极极电电流增加流增加第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管23高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件? IC受受VBE控制，因此两者有一控制，因此两者有一对应对应关系关系? 理想情况下，理想情况下，Ic与与VBC无关（上无关（上图图中曲中曲线线斜率斜率为为零）零）? 由于存在基区由于存在基区宽宽度度调调制效制效应应，上，上图图中曲中曲线倾线倾斜斜? 厄厄尔尔利利电压电压（|VA|），描述晶体管特性一共有参数），描述晶体管特性一共有参数? 制造制造误误差引起窄基区晶体管差引起窄基区晶体管 xB变变化，化，导导致致IC变变化化第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管24高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（2）大注入效）大注入效应应? 大注入晶体管大注入晶体管发发生两种效生两种效应应B发发射极注入效率会降低射极注入效率会降低基区基区过过剩少子剩少子浓浓度和集度和集电电极极电电流随流随B-E结电压结电压增大的速度增大的速度变缓变缓? 发发射极注入效率系数射极注入效率系数JnE?JnE? JpE? 左左图为图为小注入和大注入小注入和大注入时时，实线实线为为小注入，小注入，虚虚线线为为大注入大注入基区中少子和多子基区中少子和多子浓浓度度第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管25高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件? 小小电电流流时时增益增益较较小：小：复合系数复合系数较较小小? 大大电电流流时时增益下降：增益下降：大注入效大注入效应应的影响的影响第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管26高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件 基区基区过过剩少子剩少子浓浓度和集度和集电电极极电电流随流随B-E结电压结电压增大的速度增大的速度变缓变缓小注入基区空小注入基区空间电间电荷区荷区边边界界处处?eVa?np?0? np0exp?kT?pp?0? pp0?eVa?则则np?0?pp?0? np0pp0exp?kT?大注入大注入np(0)、pp(0)基本基本处处于同一量于同一量级级?eVa?np?0? np0exp?2kT?同同pn结结二极管中的串二极管中的串联电联电阻效阻效应应近似近似第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管27高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（3）发发射区禁射区禁带变带变窄窄发发射区射区掺杂浓掺杂浓度度对对基区基区掺杂浓掺杂浓度比度比值值增加，增加，发发射极注入效率会射极注入效率会增加并接近于增加并接近于1。发发射区射区掺杂掺杂很高很高时时，由于禁，由于禁带变带变窄效窄效应应，使，使电电流增益比流增益比预预期小。期小。第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管28高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（4）电电流集流集边边效效应应? 基区基区宽宽度很小（典型度很小（典型值值1微米）微米）? 基区基区电电阻相当大阻相当大? 导导致致发发射区下存在横向射区下存在横向电势电势差差? 相相对对于中心，于中心，较较多多电电子从子从边缘边缘注入注入? 发发射极射极电电流集中在流集中在边缘边缘第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管29高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（6）击击穿穿电压电压两种两种击击穿机制：穿机制：? 穿通穿通 随着反偏随着反偏B-C结电压结电压的增加，的增加，B-C空空间电间电荷区荷区宽宽度度扩扩展展进进中性基区中，中性基区中，B-C结结耗尽区穿透基区到耗尽区穿透基区到达达B-E结结。? 雪崩雪崩击击穿穿第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管30高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件12.5 等效等效电电路模型路模型（1）E-M模型：适用于任何模式模型：适用于任何模式E-M模型中定模型中定义义的的电电流流方向、方向、电压电压极性极性基本基本E-M模型等效模型等效电电路路第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管31高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（2）G-P模型模型? 与与E-M模型相比，考模型相比，考虑虑了更多的物理特性，可用于了更多的物理特性，可用于分析分析基区基区为为非均匀非均匀掺杂掺杂 的情况。的情况。（3）H-P模型模型? 小信号，小信号，线线性放大性放大电电路，正向有源区路，正向有源区H-P等效等效电电路路第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管32高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件12.6 频频率上限率上限（1）延）延时时因子因子? 双极晶体管是一种双极晶体管是一种时间时间渡越器件渡越器件? 发发射区到集射区到集电电区的区的总时间总时间常数可由常数可由4个相互独立的个相互独立的时间时间常数常数组组成成（2）晶体管截止）晶体管截止频频率率? 电电流增益是流增益是频频率的函数率的函数? 截止截止频频率率f：共基极：共基极电电流增益幅流增益幅值变为值变为其低其低频值频值的的0.707 时时的的频频率率? 截止截止频频率率fT：共：共发发射极射极电电流增益的幅流增益的幅值为值为1时时的的频频率率? 截止截止频频率率f：共：共发发射极射极电电流增益幅流增益幅值值下降到其低下降到其低频值频值的的0.707 时时的的频频率率第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管33高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件12.7 大信号开关大信号开关（1）开关特性）开关特性（a）研究晶体管开）研究晶体管开关特性所用的关特性所用的电电路路（b）驱动驱动晶体管的基极晶体管的基极输输入入轻轻微正偏微正偏延延迟时间迟时间上升上升时间时间存存储时间储时间第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管（c）晶体管工作状）晶体管工作状态转换过态转换过程中集程中集电电极极电电流随流随时间时间的的变变化化B-C反偏，下降反偏，下降时间时间34高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件（2）肖特基）肖特基钳钳位晶体管位晶体管（b）电电路符号路符号（a）肖特）肖特基基钳钳位晶体位晶体管管? 减小存减小存储时间储时间、提高晶体管、提高晶体管转换转换速度的一种常用方法速度的一种常用方法? 一个普通一个普通npn型晶体管，加一个肖特基二极管（基极、集型晶体管，加一个肖特基二极管（基极、集电电极极间间）? 正向有源区，正向有源区，B-C结结反偏，肖特基二极管反偏，不起作用，普通晶体管反偏，肖特基二极管反偏，不起作用，普通晶体管? 饱饱和区，和区，B-C结结正偏，肖特基二极管正偏（正偏，肖特基二极管正偏（开启开启电压电压小小），），减小存减小存储时间储时间第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管35高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件小小 结结? 双极晶体管的基本工作原理，互作用双极晶体管的基本工作原理，互作用pn结结? 4种工作模式，正向有源区的少子分布情况种工作模式，正向有源区的少子分布情况? 几个非理想效几个非理想效应应： 基区基区宽宽度度调调制、大注入、制、大注入、发发射区禁射区禁带变带变窄、窄、电电流集流集边边、击击穿机制穿机制? 三种等效模型，主要适用范三种等效模型，主要适用范围围? 截止截止频频率、开关特性率、开关特性第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管36高等半高等半导导体物理与器件体物理与器件第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管