集成电路设计-常用半导体器.ppt

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1、1,集成电路设计基础,2,常用半导体器件,4.1 半导体基础知识,能带,1、孤立原子能级原子中电子分层绕核运动，从能量观点看，在各层轨道上运动的电子具有一定的能量，这些能量是不连续的，只能取某些确定的数值，称为能级，可以用电子的能级来描述这些材料；2、共有化运动原子的电子壳层交叠；子壳层间电子相互转移运动。3、能带形成每个孤立原子某子壳层电子可能取的能量状态（能级）完全相同，但原子彼此靠近时，共有化运动使得电子就不仅受到原来所属原子的作用，还要受到其他原子的作用，这使得电子能量发生微小变化，孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带。孤立原子的每个能级都有一个能带与之对应，所有这些能

2、带称为允许带，相邻两个允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态，称为禁带。,4,导带、价带(满带)和禁带 a、导带激发态形成的能带；电子未填满或空带；电子在电场作用下形成电流。b、价带价电子所填充的能带；如价带中所有量子态均被电子占满，称为满带，满带不具有导电作用。无任何电子占据的能带称为空带。c、禁带导带与价带间的能量间隔。,5,1 价带为未满带能导电2 价带为满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠,电子遵循费米-狄拉克（Fermi-Dirac）统计分布规律。能量为E的一个独立的量子态被一个电子占据的几率为：,费米分布函数,晶体中电子的能量状态呈能带分布，那么晶体中电子本身又是如何按

3、照能量分布的呢？,空穴分布几率,7,费米能级物理意义,T=0K时：E EF,f(E)0费米能级以下能级完全被电子填满，费米能级以上的能级全空，没有一个电子T0K时：E 1/2 E=EF,f(E)=1/2 E EF,f(E)费米分布函数以EF点向两边对称伸展。物理意义：晶体中费米能级在能带中的位置反映了各能级电子占据的情况,F(E),当E-EFk0T时,对导带或价带中所有量子态，电子或空穴都可以用玻耳兹曼统计分布描述。由于分布几率随能量呈指数衰减，因此导带绝大部分电子（浓度）分布在导带底附近，价带绝大部分空穴 分布在价带顶附近，起作用的载流子都在能带极值附近。,载流子浓度与温度和费米能级 的位置

4、有关。,价带顶附近,导带底附近,能带中的能级,电子,空穴,10,*材料性质取决于其短程序:同一材料的非晶、多晶性质与单晶相同。,11,12,金刚石结构 Si Ge,闪锌矿结构 GaAs 6H-SiC GaN,纤锌矿结构 GaN 4H-SiC,本征半导体(Intrinsic semiconductor),本征半导体：完全纯净的无杂质的且具有晶体结构的半导体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。,“本征”本身特征，即本色(Intrinsic)也！,Silicon,Germaniun,本征半导体的原子结构为共价键结构：相邻原子

5、间的距离很小，因此相邻两个原子的一对最外层电子（价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，这样的组合称为共价键结构,本征半导体的晶格结构,原子在一定条件下因失去一个价电子而带正电。自由电子和空穴总是成对出现，即数目相等。当本征半导体加电后，自由电子逆着电场方向移动，而因为空穴的存在，价电子将按照一定的方向依次填补空穴，也就是说空穴也产生定向移动，形成空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，运动方向相反，电流为两电流之和。运载电荷的粒子统称为载流子(Carrier).与导体导电只有自由电子相区别，为半导体导电的特殊性质。,本征半导体中的两种载流子,

6、若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。导电粒子产生,当温度 T=0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。无导电粒子,1.半导体在热激发下产生自由电子和空穴对，这一现象称为本征激发，与温度密切相关也称 热激发。2.复合：自由电子在运动过程中与空穴相遇就会填补空穴，使得两者同时消失的现象。,本征半导体载流子浓度,动态平衡：在一定温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，称为动态平衡。换而言之，在一定温度下，本征半导体中载流子浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等，环境温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键附属的自由电子增

7、多，空穴也随之增多，即载流子浓度升高，因此导电性能增强。载流子浓度与环境温度，热力学零度时需要破坏共价键需要的能量又称禁带宽度有关。,本征半导体的能带用能量关系表达本征激发,室温下，Si的禁带宽度，Ge的禁带宽度，,产生(Upward)本征激发,反之(Downward)复合(湮灭),动态平衡,-273 C,Recombination,本征半导体载流子浓度与费米能级,本征费米能级基本位于禁带中线处，,平衡态非简并半导体的本征激发成对地产生电子-空穴对，,本征载流子浓度,导带电子浓度,价带空穴浓度,导带底,价带顶,约 0.5eV,本征费米能级,有效状态密度,质量作用定律（热平衡条件的半导体都满足）

8、,杂质半导体(Impurity semiconductor),杂质(Impurity)半导体一般有两种,N 型半导体(Negative type),P 型半导体(Positive type),因本征提供不足，故需掺杂(Doped)。,Lithium atom and ions,N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷P、锑Sb、砷As等，即 构成N型半导体(或称电子型半导体)。,通过杂质电离增加了导电电子数量，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 掺杂目的！电子称为多数载流子(简称多子Majority carriers)；空穴称为少数载流子(简称少子Minority ca

9、rrier)。,5 价杂质原子称为施主(Donor)原子，作用是 提供导电电子。,价带,导带,施主能级,电离能,杂质（多子）,自由态（导电子）,束缚态,N 型半导体,约 0.044eV,按能带图(Energy band diagram)的意义如何理解？,靠近导带容易脱离,多数载流子(多子)富裕的载流子少数载流子(少子)稀少的载流子,以 N 型半导体为例,杂质电离,本征激发,少子,多子,杂质的贡献很大,+,施主电离,浓度决定于掺杂原子的浓度,浓度决定于温度,成对出现,在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼B、镓Ga、铟In等，即 构成P型半导体(或称空穴型半导体)。,3 价杂质原子称为受主

10、(Acceptor)原子，作用是 提供导电空穴。,P 型半导体,受主电离,P 型半导体,杂质（多子）,束缚态,自由态（导电空穴）,受主能级,价带,导带,电离能,注意：能带图是按电子的能量标注的,电子,空穴,空穴浓度多于电子浓度，即 pn。空穴(Holes)为多数载流子，电子(Electrons)为少数载流子。,说 明：,掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3.杂质半导体总体上保持电中性。,2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,T=300K(27)室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n0=p0=1.51010/cm3,掺杂后 N型半导体中

11、的自由电子浓度:n=51016/cm3,本征硅的原子浓度:5.01022/cm3,以上三个浓度基本上依次相差 106/cm3，本征激发较少。,Three parameters,应该满足：,负电荷：,正电荷：,N型半导体的载流子浓度,电中性条件：,施主能级被占据几率为：,受主能级被空穴占据几率为：,杂质半导体载流子浓度与费米能级,杂质能级与能带中能级的区别：能带中能级可以容纳两个自旋相反的电子，而杂质能级只能容纳一个任意自旋的电子；所以杂质能级被占据的几率不能用标准的费米分布函数。,电离受主浓度,受主能级上的空穴浓度,电离施主浓度,施主能级上的电子浓度,施主能级上的电子浓度就是没有电离的施主杂质

12、浓度；受主能级上的空穴浓度就是没有电离的受主杂质浓度。杂质有多少电离，显然取决于杂质能级与费米能级的相对位置。以施主为例：当ED-EFk0T时，杂质几乎全部电离，反之当EF-EDk0T时，施主杂质几乎没有电离。当EF=Ed时，杂质1/3电离。,29,非简并半导体:掺入杂质原子的浓度与晶体或者半导体原子浓度相比很小，这些少量杂质原子的扩散速度足够快，因此施主电子间不存在相互作用，杂质会在半导体中引入分立的、无相互作用的杂质能级简并半导体：当杂质浓度增加，杂质原子间距缩小，施主电子开始相互作用，单一的分立的杂质能级将分裂为一个能带，随着杂质浓度升高，杂质能带宽度增加，当掺入杂质原子浓度与有效状态密

13、度可比拟，杂质能带可能与导带底相交叠,杂质的补偿作用工艺的需要，因器件很小,补偿：在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，施主杂质提供的自由电子和受主杂质具有相互抵消的作用。,用 和 表示施主和受主浓度,受主能级,施主能级,导带中的电子浓度：,N 型半导体基体,有效施主浓度,掺磷,掺硼,高浓度扩散,高浓度扩散,转型,再转型,补偿型本征半导体材料：半导体杂质的存在会影响半导体中载流子的迁移率、寿命等，因此补偿型本征半导体材料的性质比本征半导体材料差。,同时含一种施主杂质和一种受主杂质,同时含若干种施主杂志和若干种受主杂质,一般情况的电中性条件-杂质补偿,32,第四章 常用半导体器件,4.2 P

14、N结,33,结面,基体,衬底（外延层）,PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们交界面就形成PN结，PN结具有单向导电性,平衡 PN 结,在P型半导体与N型半导体的紧密接触交界处，会形成一个具有特殊电学性能过渡区域；,平衡PN结就是指没有外加电压、光照和辐射等的PN结。,结面,基体,衬底（外延层）,35,平衡pn结空间电荷区与自建电场形成 1）相互接触时，在交界面处存在着电子和空穴的浓度差，p区和n区多子分别向对方扩散2）界面p区侧留下固定离化受主负电荷，n区侧留下固定的离化施主正电荷；该正负电荷称为空间电荷，存在正负空间电荷的区域称为空间电荷区或者耗尽层

15、。3）正-负电荷间产生电场，该电场称为空间电荷区自建电场；4）自建电场使空间电荷区内的电子和空穴产生与其扩散运动方向相反的漂移运动；,36,空间电荷区与自建电场形成5）随扩散运动的进行，空间电荷区正、负电荷量逐渐增加，空间电荷区逐渐变宽，自建电场也随之逐渐增强，同时电子和空穴的漂移运动也不断加强;6）电子和空穴各自的扩散（扩散流）与漂移（漂移流）相抵消时，正、负空间电荷量、正、负空间电荷区宽度、自建电场、空间电荷区内电子和空穴分布达到动态平衡，两个相反的运动大小相等、方向相反；形成稳定分布。7）电中性决定了空间电荷区内正、负空间电荷量相等。,PN结=空间电荷区=耗尽层=内电场=电阻,漂移运动

16、电场力 少子,扩散运动 浓度差 多子,37,接触电位差（扩散势，内建电场）(以突变结为例)自建电场的存在，在pn结空间电荷区内产生了由 p区侧负电荷区到n区侧正电荷区逐渐上升的电位分布，使中性n区形成了一个相对于中性p区为正的电位差，该电位差称为pn结接触电位差，用bi表示。在空间电荷区边界，多子和少子浓度与相应中性区相等，对电场表达式积分即可得到接触电位差,38,能带结构 孤立p区和n区能带结构如下图 空间电荷区自建电场的存在，形成从中性p区到中性n区逐渐上升的电位。使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到n区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为(x)，那么(x)

17、、能带结构如图示,平衡pn结费米能级处处相等,空间电荷区,少子,少子,多子,多子,扩散区,分布按指数规律变化,耗尽区或耗尽层空间电荷区的载流子已基本被耗尽；,n:电子,p:空穴,Depletion layer,空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子;,自建电场,平衡PN结两侧载流子浓度分布,40,非平衡pn结,定 义：施加偏压的np结。此时pn结处于非平衡状态，称非平衡pn结。正向偏置：偏置电压为p区电位高于n区电位 反向偏置：偏置电压为n区电位高于p区电位 特 征-与平衡pn结相比：空间电荷区内电场发生变化-破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡 空间电荷区宽度变化；载流子分布变化；产生新的物理现象-

18、形成电流：,41,正 偏-电场被削弱外电场将多数载流子推向空间电荷区，空间电荷区变窄，空间电荷区内建电场被削弱；载流子扩散运动大于漂移运动，发生非平衡少子注入：电子向p区扩散，空穴向n区扩散。破坏了载流子扩散、漂移的动态平衡；载流子浓度在空间电荷区及边界高于其平衡值；边界处非平衡少数载流子向体内扩散；非平衡少子边扩散边与多子复合，并在扩散长度处基本被全部复合。#少子扩散区：非平衡少子扩散并被复合的区域称为非平衡少子扩散区。被复合多子从外电极提供，构成-正向（扩散）电流。正向注入,PN结的P区接电源正极为正向偏置(称正偏 forward biased),空间电荷区内电场发生变化-破坏了载流子扩散

19、、漂移的动态平衡；空间电荷区宽度变化；载流子分布变化；产生新的物理现象-形成电流,42,反 偏-电场被加强,1.外电场与内建电场方向相同，排斥多数载流子的扩散，使得空间电荷区加宽，内电场加强；2.内电场加强了少数载流子的漂移运动载流子漂移运动，空间电荷区及其边界少子浓度低于平衡值；3.扩散长度内产生电子-空穴对；产生的多子漂移向电极；产生的少子向 xm内扩散，并在电场作用下漂移进对方及漂移向电极-形成反向（漂移）电流。因为少子数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，反向抽取认为PN结处于截止状态。#载流子的产生区也称为少子扩散区。,空间电荷区内电场发生变化-破坏了载流子扩散、

20、漂移的动态平衡；空间电荷区宽度变化；载流子分布变化；产生新的物理现象-形成电流,多子被阻挡无大电流少子做贡献微电流作用电阻很大,正向电流转换和传输,Forward-active regime,PN结伏安特性方程：,PN结的正、反向V-A特性,将PN结的正向特性和反向特性组合起来,正向电流很小,导通电压UTH（称门槛电压）正向电流达到某一明显数值时 所需外加的正向电压正常工作区的边界；,急剧增大,室温时，锗PN结的导通电压约为0.25 V，硅PN结为0.5 V。,反向饱和电流,正向电压正向导通；正向注入使边界少数载流子浓度增加很大，成指数规律增加，电流随着电压的增加快速增大；,反向电压反向截止；

21、反向抽取使边界少数载流子浓度减少，很快趋向于零，电压增加时电流趋于“饱和”；,正向电阻小,反向电阻大,leakage,正向导通，多数载流子扩散电流；反向截止，少数载流子漂移电流；,单向导电性,46,能带结构 孤立p区和n区能带结构如下图 空间电荷区自建电场的存在，形成从中性p区到中性n区逐渐上升的电位。使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到n区边界逐渐下降。设空间电荷区内电位分布为(x)，那么(x)、能带结构如图示,平衡pn结费米能级处处相等,47,准费米能级：空间电荷区内费米能级不再连续,电子和空穴没有统一费米能级。通常分别用准费米能级EnF和EpF表示。,正 偏

22、,反 偏,EnF=EpF+qVA,非平衡少子浓度随着距离的增加而按指数规律衰减。,48,pn结电容和等效电路,1）势垒电容（耗尽层电容）空间电荷区内正、负空间电荷量随外加偏压变化而变化，这种现象与电容器的充放电过程相同-体现为电容效应，称为pn结势垒电容。pn结单位面积势垒电容用CT表示。,2）扩散电容,扩散区积累的非平衡少子电荷随外加偏置电压的变化而变化，体现为电容效应，该电容发生在扩散区-称为扩散电容，用表示。,由于电中性要求，扩散区非平衡少子变化同时有同样浓度及分布的非平衡多子随之变化，即等效于该区的非平衡少子变化，因此扩散电容是二个扩散区扩散电容的并联。,反 偏：非平衡少子随反偏变化量

23、很小，扩散电容也极小，一般可以不考虑。,a.非平衡pn结空间电荷区及其边界电子与空穴 浓度的积相等，且是偏置电压的e指数函数。b.非平衡pn结空间电荷区边界少子浓度为平衡 少子浓度与偏置电压e指数函数的积。,49,等效电路,势垒电容和扩散电容同是偏置电压的函数；势垒电容与扩散电容相并联；中性区及与外电极接触处存在电阻。,势垒电容和扩散电容，使得以pn结为基本单元的半导体 器件，其交流电学特性参数呈现为工作频率的函数。g:增量电阻（扩散电阻）随着偏置电流的增加而减小,50,pn结击穿,定义：反向电压增大到某一值时，电流急剧上升。这种现象称为pn结的击穿。相应反偏电压称为pn结击穿电压。击穿是pn

24、的本征现象，本身不具有破坏性，但是如果没有恰当的限流保护措施，pn结则会因功耗过大而被热损坏。,51,1）热击穿pn结反向电流有反向扩散流和产生流二个分量；扩散流正比于ni：,反向电流密切依赖于本征载流子浓度。,产生电流正比于ni,2）隧道击穿(Zener breakdown)（齐纳击穿或场致击穿）量子贯穿，可逆,势垒区水平距离d 变窄，发生量子隧道效应；,硅PN结，击穿电压小于4 V的是隧道击穿；,当PN结两边掺入高浓度的杂质时,其耗尽层宽度很小,即使外加反向电压不太高(一般为几伏),在PN结内就可形成很强的电场(可达2106 V/cm),p区价带顶可以高于n区导带低，那么p区价带电子可以借

25、助隧道效应穿过禁带到达n区。当反偏压达到时，隧穿电子密度相当高，形成的隧道电流相当大，这种现象通常称作隧道击穿，又称齐纳击穿。,隧道贯穿,变窄,强电场,产生原因：,53,3）雪崩击穿 碰撞电离-反偏空间电荷区电场较强，构成反向电流的电子和空穴可以获得较大的动能。若电子和空穴获得的动能在与晶格原子碰撞时足以将价带电子激发到导带，产生电子-空穴对，称为碰撞电离。雪崩倍增效应-产生的电子-空穴对从电场获取足够能量，与原子撞碰又产生第二代电子-空穴对。如此继续下去，使构成反向电流的载流子数量剧增，这种现象称为雪崩倍增效应。雪崩击穿-由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。,54,VB 6

26、g/q，通常为雪崩击穿；VB 4g/q，通常为隧道击穿；4g/q VB 6g/q 二种击穿机制共存。常见击穿为雪崩击穿。击穿电压与器件结构和工艺技术水平等密切相关。,55,pn结二极管 介绍若干有代表性的pn结二极管。1、整流二极管 2、变容二极管 3、开关二极管 4、pin二极管 5、江崎二级管 6、异质结二极管,56,1、整流二极管,定义:允许电流从一个方向通过，而另一个方向呈现高阻阻断状态的器件。这种器件应用了pn最基本的正反向电流-电压特性，即正向动态电阻小的特性。,对偏压微分，得pn结电导:,pn结的电流-电压方程:,57,正偏pn结电导gF和动态电阻rF:,反偏pn电导gR和动态电

27、阻rR:,正反向动态电阻之比:,电阻之比极高-整流特性。,58,2、变容二极管(可变电抗器),定义：利用pn结势垒电容随外加偏置电压非线性变化特性而工作的器件。一般工作于反偏。,应用：VCO，希望dC/dV大,59,2）基本特性:pn结单位面势垒电容为（解泊松方程）,电容随偏压的变化-超突变结最大;突变结次之;缓变结最小。,60,4、pin二级管（常用于开关集成电路设计）,1).基本结构 pin是在高掺杂p区和n区之间有一本征层（i区）的二极管。本征层很难实现，通常用高阻p-型层或高阻n-型层代替：pp-n-pn;pn-n-pn图(b)-杂质分布;(c)-空间电荷分布;(d)-电场分布。,61

28、,5、江崎二级管,定义：简并p型半导体与简并n 型半导体构成的pn结,伏安特性(经验公式)：,Ip：峰值电流；Iv：谷值电流；Vp:峰值电压；Vn:谷值电压。,62,6、异质结二极管异质结：两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。类 型：异型异质结-导电类型不同的两种材料形成的结(异质pn结)；同型异质结-导电类型相同的两种材料形成的结(n-n结)(p-p结)。异质pn结应用：微电子器件-提高增益、频率特性、线性度，减小噪声等。光电子器件-提高器件效率等。主要异质结材料：关注的主要有aAs基材料，如AlxGa1xAs/GaAs、InxGa1xAs/GaAs；Si1xGex/Si，等。式中x表示该

29、元素的百分比组分。改变x可实现禁带宽度的调控。本节介绍异型异质结（异质pn结，简称异质结）主要物理特性和电学特性。,63,应 用,1、变容二极管（VCO）2、分压器,64,第四章 常用半导体器件,4.3 双极晶体管,“双极”Bi-polar,有两个P-N结两个彼此十分靠近的背靠背的P-N结 两个结之间就会相互作用而发生载流子交换；参加工作的 不仅有少数载流子，也有多数载流子；,晶体管的基本结构、分类和符号,Collector,Base,Emitter,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,集电区：面积最大,发射结电流方向,发射结电流方向,66,1.基本工作原理,a.基本原理,载流子输

30、运过程:a.n区电子注入p区，边扩散边复合-IVB；b.n区注入p的电子扩散 至反偏结空间电荷区 边界被反偏电场抽至 n区，形成电流-InC；c.p空穴注入n区，边扩散边复合-Ip；d.反偏结反向电流-IR。,发射结正向偏置-发射电子,发射结正向偏置，外加电场有利于载流子的扩散运动，高掺杂发射区的多数载流子（电子）将向基区扩散（或注入）；同时，基区的多数载流子（空穴）也 向发射区扩散并与发射区中的部分电子复合。,载流子在基区的传输与复合,到达基区的一部分电子将与P型基区的多数载流子（空穴）复合，由于低掺杂的基区空穴浓度比较低，且基区很薄，所以到达基区的电子与空穴复合的机会很少，大多数电子在基区

31、中继续传输，到达靠近集电结的一侧。,集电结反向偏置-收集电子,由于集电结反向偏置，外电场的 方向将阻止集电区的多数载流子（电子）向基区运动，但有利于将基区中扩散过来的电子，扫向集电区被集电极收集。,以上就是载流子三个主要的传输过程，由于发射区的高掺杂，多数载流子电子浓度很高，所以晶体管载流子的传输主要是以电子的传输为主：简单的总结为：发射极发射电子：电子穿越发射结进入基区-发射区向基区 注入电子。电子穿越基区：基区传输电子电子穿越集电结，被集电结收集：集电极收集电子,69,若：IVB In，Ip In 则：I2 I3 若：I2 作为输入，I3作为输出，则：实现电流放大,b.实现电流放大条件,a

32、.实现上述载流子输运：一个结反偏 一个结正偏b.实现 IVB Np,70,2.电流关系,IE=InE+IpE IB=IpE+IVB ICBO IVB=InE-InC IC=InC+ICBO IE=IB+IC,一只良好的晶体管，IC 与IE 十分接近，而 IB 很小（例如，只有IC 的1%2%）。,3.晶体管的能带及其载流子的浓度分布,平衡状态时，即 不加外电压，有统一的费米能级。,宽度,杂质均匀分布,重掺杂,A,V,多子,少子,Thermal equilibrium,Carrier distribution,非平衡状态，加外电压，发射结正偏(Forward bias)，集电结反偏(Revers

33、e bias)，没有统一的费米能级。,相对抬高,相对压低,发射区向基区注入电子（少子）,基区向发射区注入空穴（少子）,集电区少子浓度分布,少子分布,ACTIVE MODE,*比较前页,4.晶体管的直流电流放大系数,晶体管只有三个极,不同接法的晶体管，其放大能力是不同的；,74,电流放大能力分析 用电流放大系数(电流增益)表征。通常有共基极和共射极电流放大系数。,1)共基极电流放大系数-0表示,a.发射效率-：,b.基区输运系数-*：,1,IpE/InE,NBNE,WbLnb,NB小,75,2)共射极电流放大系数-0表示,or,1,IE=InE+IpE IB=IpE+IVB ICBO IVB=I

34、nE-InC IC=InC+ICBO IE=IB+IC,76,A.晶体管具有电流放大能力，须具备三个条件：E(x)B(x)-使发射效率尽可能接近于；wb Lnb-使基区输运系数*接近于；发射结正偏，集电结反偏-使载流子从发射区渡越至收集区B.晶体管共基极电流放大系数0（可以）接近于;C.共射极电流放大系数0一般远大于；,#小结,ex:1.试讲述晶体管具有放大能力的结构与偏置条件及其机理？2.画出不同偏置下晶体管载流子分布，简述饱和态 0IB IC 机理。,6、共发射极连接的直流特性曲线(Gummel Figure),IC,V,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,实验线路,直流工作点（静

35、态工作点）,T,作用：使发射结正偏，并提供适当的静态工作点。,反向饱和电流,呈指数增大,输入特性曲线,Non-linear voltage-current,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V,工作压降：硅管UBE 0.60.7V,锗管UBE 0.20.3V。,注意：电流的单位；,死 区,输出特性曲线可分为三个区,有源放大区,饱和区,截止区,特性曲线的疏密可看出电流放大系数的大小,曲线微微向上倾斜,输出电流受输入电流控制电流控制器件。,输出等效电阻,注意：两个电流的单位；,Current gain,ICM,80,a.发射结反偏或者发射结电压小于开启电压Uon，集电结反偏UBEUBE.截止状态b

36、.发射结正偏，集电结反偏 iC几乎仅仅决定于IB，而与uCE无关，表现出IB对iC的控制作用。放大区 c.发射结正偏，集电极正偏饱和状态0IB IC(IB=IpE+IVB+IpC)(IC=InC IpC)实际电路中，UBE增加时，IB随之增加，但是IC增大不多或者增大不多，因为iC不仅与IB有关，而且明显随UCE增大而增大。d.发射结正偏，集电结零偏 临界饱和状态 0 IB=ICe.发射结反偏，集电结正偏-反向放大状态。？,载流子分布？放大能力？,IE=InE+IpE IB=IpE+IVB ICBO IVB=InE-InC IC=InC+ICBO IE=IB+IC,81,输出特性曲线二个特征:

37、IE与IB较小或较大时，0和0较小，而且IC越大或越小0和0越小;随VCB或VCE的增大，输出电流IC略有增大，反映出0和0增大。,6.电流放大系数与电流关系：,IB=Ii,复合的影响,大注入效应的影响,7、晶体管的反向电流与击穿特性(Breakdown Effect),反向电流与击穿电压标志着性能的优劣与使用的电压范围,反向电流对放大作用没有贡献，甚至影响工作的稳定性；,击穿电压决定了外加电压的上限。,7.1晶体管的反向电流(isolated p-n junction),集电结反向电流（发射极开路）ICBO,发射结反向电流（集电极开路）IEBO,IE=0,IC=0,两电流随着温度的升高而呈指

38、数增大,温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于锗管。,Open,集电极-发射极间的穿透电流（基极开路）ICEO,IB=0,流过管子的电流，它不受基极电流控制,正偏,反偏,空穴流,电子注入,和晶体管正常工作情况一样，,复合,复合,in a positive feedback loop,ICEO受温度的影响大，,三极管的温度特性较差。,一般来讲，ICEO 比 ICBO 大不了太多。,7.2 晶体管的反向击穿电压,集电极基极反向击穿电压（发射极开路）BUCBO,反偏,UB,软击穿,硬击穿,规定的反向电流,Breakdown,Open,基区,集电区,集电极发射极反向击穿电压（基极开路）BUCEO

39、,它是共射极用时，集电极发射极间所能承受的最大反向电压。,BUCBO,反向击穿特性,负阻现象,集电结反向偏压减小而电流却增大,雪崩效应,BUCEO,有问题吗？思考！,正偏,反偏,当基极有各种不同的偏置情况：,BUCEO 与BUCES，BUCER，BUCEX，BUCEZ 的关系,基极开路,短路,反偏,正偏,各种偏置时，C-E击穿电压的大小关系,手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压 BUCEO,发射极基极反向击穿电压（集电极开路）BUEBO,反偏,1.合金晶体管或扩散晶体管的发射区均为重掺杂区，BUEBO通常由基区净杂质浓度决定。合金晶体管的BUEBO较高，而且与BUCBO相近；2.扩散

40、晶体管的基区表面杂质浓度较高，而BUEBO基本上由基区表面杂质浓度决定，所以BUEBO较小。,基区,IC=0,7.3 穿通电压,反偏,基区穿通(Base punchthrough)在发生雪崩倍增效应之前，集电结空间电荷区在反向偏压的作用下，往基区一侧扩展，而与发射结空间电荷区连通在一起的现象。,基区穿通电压UPT,雪崩,线性增加,基区穿通电压,反向特性,穿通区具有电阻的性质，所以外加反向偏压增大，电流成线性地增加；,基区,+,-,-,（1）材料缺陷和工艺不良等发射结结面会出现“尖峰”，而在“尖峰”处的基区宽度较薄，就有可能发生局部穿通。,（2）外延层穿通电压集电结发生雪崩击穿之前，集电结势垒区已扩展到衬底N+层。,衬底,外延层,为防止外延层穿通,d,尖峰注入控制不利,集电结,（两个结宽）,发射结,