双极型晶体管及相关器件
第5章双极型晶体管及相关器件
晶体管(transistor，是转换电阻transfer resistor的缩写)是一个多重结的半导体器件。通常晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、电流或是信号功率增益。双极型晶体管(bipolar transistor)，或称双极型结晶体管(bipolar junction transistor，BJT)，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，与只由一种载流子参与传导的场效应器件不同，场效应器件将在第5、6两章讨论。
双极型晶体管是由贝尔实验室（Bell Laboratory）的一个研究团队在1947年发明的，第一个晶体管是将两条具有尖锐端点的金属线与锗衬底(germanium substrate)形成点接触（point contact），请参阅第1章图1.3，以今天的水准来看，此第一个晶体管虽非常简陋但它却改变了整个电子工业及人类的生活方式。
现代的双极型晶体管，锗衬底已由硅(silicon)取代，点接触亦由两个相邻的耦合p-n结(coupled p-n junction)所取代，其结构可为p-n-p或n-p-n的形式。在本章中我们将讨论耦合结的作用原理，并由耦合结各区域的少数载流子分布，推导出晶体管静态的特性。我们也将讨论晶体管的频率响应和开关行为，简单地介绍异质结双极型晶体管。
在本章最后将介绍一与双极型器件相关，名为可控硅(thyristor)的器件。基本的可控硅器件具有三个相邻的耦合结，其结构为p-n-p-n，此器件具有双稳态(bistable)的特性，且可在高阻抗“关”与低阻抗“开”的两状态间转换。可控硅器件的名称是由具有类似双稳态的气体闸流管（gas thyratron）而来；而由于双稳态及在此两种稳态下的低消耗功率特性，使得可控硅器件适合很多的应用，我们将讨论可控硅器件以及一些关于器件的工作原理，而各种可控硅器件的形式及其应用也将有简单的介绍。
具体而言，本章将涵盖下列主题：
●双极型晶体管的电流增益和工作模式
●双极型晶体管的截至频率（cutoff frequency）与开关时间（switching time）
●异质结晶体管的优点
●可控硅器件与相关双边极型器件的功率处理能力
5.3晶体管的工作原理
图4.1为单一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。详细的晶体管工艺将在后面的章节中讨论。
图4.1 p-n-P双极型硅晶体管透视图
图4.2(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 ，在图4.2中以E 定义）；中间较窄的n 型区域，其杂质浓度中等，称为基区（base ，定义为B ），基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度（diffusion length ）；浓度最小的p 型区域称为集电区（collector ，定义为C ）。
各区域内的浓度假设均匀分布，p-n 结的概念可直接应用在晶体管内的结上。
图4.2(b)是一个p-n-p 双极型晶体管的电路符号，图中亦显示各电流成分和电压极性，箭头表示晶体管在一般工作模式(或称放大模式，active mode)下各电流的方向，而“十”、“一”符号表示电压的极性，我们亦可用双下标的方式，来表示电压的极性。在放大模式下，射基结必须为正向偏压（EB V ＞o ），而集基结为反向偏压（CB V ＜0）。根据克西荷夫电路定律(Kirchhoff ’s circuit law)，对此三端点器件，只有两独立电流；若任两电流为已知，第三端点电流即可求得。
n-p-n 双极型晶体管的结构与p-n-p 双极型晶体管是互补的，图4.2（c ）与图4.2（d ）分别是理想p-n-p 晶体管的结构与电路符号。将p-n-p 双极型晶体管结构中的p 换成n 、n 换成p ，即为n-p-n 双极型晶体管的结构，因此电流方向与电压极性也都相反。在下一小节中，我们将仔细讨论p-n-p 双极型晶体管，因为其少数载流子(空穴)的流动方向与电流方向相同，可更直观地了解电荷运动的机制，只要了解了p-n-p 晶体管，我们只要将极性和掺杂类型调换，即可描述n-p-n 晶体管。
4..1 工作在放大模式
图4.3(a)是一热平衡状态（thermal equilibrium ）下的理想p-n-p 双极型晶体管，即其三端点接在一起，或者三端点都接地，阴影区域表示靠近结的耗尽区。图4.3（b ）显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射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4.3（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。在第3章中得到的p-n
结结果可以直接用在射基结与集
C
+
-EC
V
(a)理想一维p-n-p双级型集体管C
+-CE
V (c)理想一维n-p-n双级型集体管
B
E
C
E
I C
I
(b)p-n-p双级型集体管的电路符号
B
E
C
E
I C
I (d)n-p-n双级型集体管的电路符号
图 4.2
基结上。当热平衡时，净电流值为零，各区域中的费米能级维持水平。
图4.4是当图4.3所示的晶体管工作在放大模式下相对应的各子图。图4.4（a ）将晶体管连接成共基组态(common —base configuration)放大器，即基极被输入与输出电路所共用，图4.4（b ）与图4.4（c ）表示出偏压状态下电荷密度与电场强度分布的情形，与图4.3的热平衡状态下比较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集基结耗尽区变宽。
图4.4（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。在理想的二极管中，耗尽区将不会有产生-复合(generation －recombination)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，然后“浮上”发射区（类似气泡的效果）。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于的“集电极”名称的由来。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。
由上述现象可知，由邻近的射基结注射过来的电子可在反向偏压的集基结造成大电流，这就是晶体营的放大作用（transistor action ），而且只有当此两结彼此足够接近时才会发生，因此此两结被称为交互p-n 结（interacting p-n junction ）。相反地，如果此两p-n 结距离太远，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。
-+-
N N C E F E V
E C E F
E V
E 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
4..2 电流增益
图4.5中显示出一理想的p-n-p 晶体管偏压在放大模式(active mode)下的各电流成分。 假设此时耗尽区中并无产生-复合电流，则对设计良好的晶体管而言，由发射区注入的空穴将构成最大的电流成分Ep I 。大部分的入射空穴将会到达集电极而形成Cp I 。基极的电流有三个，分别以BB I 、n E I 以及n C I 表示。其中BB I 代表必须由基极所供应、与入射空穴复合的电子电流（即Cp Ep BB I I I -=；n E I 代表由基区注入发射区的电子电流，是属于不希望
集电区
-+
(a)E E C V
F
(d)图4.4
发射区)
(+
P 基区)(n 集电区)
(P 空穴电流和空穴流
电子电流电子流
图4.5
有的电流成分，在稍后章节将会详述其理由，n E I 可利用发射区重掺杂（4.2节）或异质结（4.4节）来减少；n C I 代表集电结附近因热所产生、由集电区流往基区的电子电流，如图中箭头所示，电子流的方向与电流方向相反。 晶体管各端点的电流可由上述各个电流成分来表示
,En Ep E I I I += （1） ,Cn Cp C I I I += （2） Cn Cp Ep En C E B I I I I I I I --+=-=)( （3）
晶体管中有一项重要的参数，称为共基电流增益(common base current gain)0α，其定义为
E
C I I p 0≡
α （4）
将式（1）代入式（4）可得
???
? ??????
??p p n
p p
n p p
0E C E E E E E C I I I I I I I I ＋＝＋＝
α （5） 式(5)等号右边第一项称为发射效率(emitter efficiency)γ，是入射空穴电流与总发射极电
流的比。
n
p p p E E E E
E I I I I I ＋=
≡
γ （6）
第二项称为基区输运系数(base transport factor)T α，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，
p
p E C T I I ≡
α （7）
所以式(5)可以写成
T γαα＝0 （8）
对设计良好的晶体管，n E I 远比Ep I 小，且p C I 与Ep I 非常接近，T α与γ都趋近于1，因此0α也接近于1。
集电极电流可用0α表示，将式(5)、(6)代入式(2)，
Cn E Cn E T
Cn E T Cn Cp C I I I I I I I I I ＋＝＋＝＋0p
p αγ
γαα=+= （9）
其中n C I 是发射极断路时(即E I ＝o)集基极间的电流，记为CBO I ，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CBO I 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
CBO E C I I I ＋0α= （10）
【例1】已知在一理想晶体管中，各电流成分为：Ep I ＝3mA 、n E I ＝0.01mA 、p C I ＝2.99mA 、n C I ＝0.001mA 。试求出下列各值：（a ）发射效率γ；（b ）基区输运系数T α；（c ）共基电流增益60；（d ）CBO I 。
解 （a ）由式（6），发射效率为 9967
.001
.033
n p p ＝＋＝
＋＝
E E E I I I γ （b ）基区输运系数可以由式（7）得到
9967.03
99
.2p
p ==
=
E C T I I α （c ）根据式（8），共基电流增益为
9934.09967.09967.00=?=T γαα＝
（d ） 3.01mA,mA 01.0m 3n p =+=A I I I E E E ＝＋
A A A I I C C m 991.2m 001.0m 99.2I n p C =+=+=
由式（10）可得
A mA mA I I I E C CBO μα87.001.39934.0991.20=?-=-=
5.2 双极型晶体管的静态特性
在本节中，我们将探讨理想晶体管的静态电流、电压特性，推导各端点电流方程式。电流方程式与各区域的少数载流子浓度有关，因此用掺杂浓度、少数载流子寿命(minority carrier lifetime ，又译少数载流子活期)等半导体参数表示。
4.2.1 各区域中的载流于分布
为了推导出理想晶体管的电流、电压表示式，我们做了下列五点假设：
（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(low-1evel injection)； （4）耗尽区中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。
基本上，假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦我们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(minority carrier gradient)得出电流。
一、基区区域
图4.4（c ）显示结上的电场强度分布，在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(steady-state continuity equation)表示：
p 0n n 2
n
2p p p d p d τ
－－＝???
? ??x D （11） 其中p D 和p τ分别表示少数载流子的扩散系数(diffusion constant)和寿命。式(11)的一般解为
)exp(C )exp(C p )(p 21n n p
p L x
L x x -++= （12）
其中p L ＝p
p D τ为空穴的扩散长度(diffusion length)，常数和1C 和2C 可由放大模式下的边
界条件
）（）＝（kT
q exp p 0
p 0n n EB
V （13a ） 和
0p n =）
（W （13b ） 决定。其中0n p 是热平衡状态下基区中的少数载流子浓度，可由夕B N /n p 2i 0n ＝决定，B N 表示基区中均匀的施主(donor)浓度。第一个边界条件式[（13a ）]表示在正向偏压的状态下，射基结的耗尽区边缘（x ＝0）的少数载流子浓度是热平衡状态下的值乘上）（
kT
q exp EB
V 。第二个边界条件[式（13b ）]表示在反向偏压的状态下，集基结耗区边缘（x ＝W ）的少数载流子浓度为零。
将式(13)代人式(12)可得
?????
???????-+??
???????
?
??-??????-=)sinh()sinh(1p )sinh()sinh(1kT q exp p )(p 0n 0n n P P P P EB L W L x L W L x W V x ）（ （14） 当Λ<<1时，sinh(Λ)将会近似于Λ。所以当W/p L <<1时，方程式可简化为
??
? ????? ??=W x W x V x EB －＝－）（
1p 1kT q exp p )(p 0n 0n n （15）
亦即少数载流子分布趋近于一直线。此近似是合理的，因为在晶体管的设计中，基极区域的宽度远小于少数载流子的扩散长度。图4.6显示，工作在放大模式下，一典型晶体管的线性少数载流子分布情况。由上可见，由线性少数载流子分布的合理假设，可简化电流-电压特性的推导过程，在以下章节我们都利用此假设导出电流-电压特性的方程式。
二、发射极和集电极区域
发射区和集电区中的少数载流子分布可以用类似上述基区情况的方法求得。在图中，发射区与集电区中性区域的边界条件为
)exp(
)(n kT
qV n x x EB
EO E E =-= （16） 和
0)exp()(n =-
=-=kT
V q n x x CB CO C C （17）
其中EO n 和CO n 分别为发射区和集电区中热平衡状态下的电子浓度。我们假设发射区和集电区的宽度分别远大于扩散长度E L 和C L ，将边界条件代入与式(12)类似的表示式中可以得出
E E
E EB EO EO E x x L x x kT qV n n x -≤+???
???-+=,exp 1)exp()(n ）（ （18）
C C
C
CO CO C x x L x x n n x ≥--
-=),exp()(n （19）
4.2.2 放大模式下理想晶体管的电流
只要知道少数载流子分布，即可计算出图4.5中的各项电流成分。在x ＝0处，由发射区注入基区的空穴电流p E I 与少数载流子浓度分布的梯度成正比，因此当W/p L <<1时，空穴电流p E I ，可以由式（15）表示为
发射区
基区集电区
+
c
E 图 4.6
放大模式下p-n-p晶体管中各区域得少数载流子分布
A I E ＝p （x D d dp q n
p
－ 0=x ）)exp(0kT
qV W p qAD EB n p ≈ （20） 同理，在t ＝W 处由集电极所收集到的空穴电流为
A I C ＝p （x D d dp q n
p
－W x =）)exp(0kT
qV W p qAD EB n p ≈ （21） 当W/p L <<1时，p E I 等于p C I 。而En I 是由基区流向发射区的电子流形成的，Cn I 是由集电区流向基区的电子流形成的，分别为
A =En I （dx dn qD E E
- E x x -=）??
?
???-=1)exp(kT qV L n qAD EB E EO
E （22）
A I Cn =（dx dn qD C C
- C x x =）C
CO
C L n qA
D = （23） 其中
E D 和C D 分别为电子在发射区和集电区中的扩散系数。
各端点的电流可由以上各方程式得出。发射极电流为式（20）、（22）的和：
12111)exp(a kT qV a I EB E +??
?
???-= （24）
其中
)(
011E
EO
E n p L n D W
p D qA a +
= （25） W
p qAD a n p 0
12=
（26）
集电极电流是式（21）和式（23）的和：
22211)exp(a kT qV a I EB C +??
?
???-= （27）
其中
W
p qAD a n p 0
21≡
（28）
)(
022C
CO
C n p L n
D W
p D qA a +
= （29） 请注意，2112a a =。理想晶体管的基极电流是发射极电流（E I ）与集电极电流（C I ）的差，所以将式（24）与式（27）相减可以得出基极电流为
)(1)exp()(22122111a a kT qV a a I EB B -+??
?
???--= （30）
由以上讨论我们可知，晶体管三端点的电流主要是由基极中的少数载流子分布来决定，一旦我们推导出了各电流成分，即可由式（6）式～（8）得出共基电流增益0α。 【例2】一个理想的p +-n-p 晶体管，其发射区、基区和集电区的掺杂浓度分别为1019cm -3、1017cm -3和5×1015cm -3，而寿命分别为10－8s 、10－7s 和10－
6s ，假设有效横截面面积A 为0.05mm 2，且射基结正向偏压在0.6V ，请求出晶体管的共基电流增益。其他晶体管的参数为
E D ＝1cm 2/s 、p D ＝10cm 2／s 、C D ＝2cm 2／s 、W ＝0.5m μ。
解 在基极区域中 cm cm D L p P p 37101010--=?==
τ ，
3
2317
29201013.910
)1065.9(--?=?==cm cm N n p B i n 同理，在发射极区域中， cm D L E E E 410-==τ
32i 13.9n -==cm N n E
EO
因为W/p L ＝0.05<<1，各电流成分为 A A e I Ep
440259.0/6.04
2419107137.11010
5.01031.91010510
6.1-----?=?????????= A I Cp 4
107137.1-?= A A e I En
80259.0/6.04
419105687.8)1(10
31.91105106.1----?=-?????= 共基电流增益0α为
995.010
5687.8107137.1107137.1844
0=?+??=+=
---En
Ep Cp I I I α 在W/p L <<1的情况下，由式（20）、（22）可将发射效率简化为
E
no EO E
EO
n n En
Ep Ep L W p N D D L n D W
p D W p D I I I p E E 0p 0
p 11
+
=
+≈+≡
γ （31）
或
E
E B L W N D p E 11
+
=
γ （31a ）
其中)/(02n i B p n N =是基区的掺杂浓度，)/(2EO i E n n N =是发射区的掺杂浓度。由此方程式 知，欲改善γ，必须减少E B N N /，也就是发射区的掺杂浓度必须远大于基区，这也是发射区用p ＋
重珍杂的原因。
4.2.3 工作模式
双极型晶体管有四种工作模式，视射基结(emitter-base junction)与集基结上(collector-base junction)的偏压而定。图4.7显示了一p-n-p 晶体管的四种工作模式与EB V 、CB V 的关系，每一种工作模式的少数载流子分布也显示在图4.7中。到目前为止，在本章中已提到过放大模式，在放大模式下，射基结是正向偏压，集基结是反向偏压。
在饱和模式(saturation mode)下，晶体管中的两个结都是正向偏压，导致两个结的耗尽区中少数载流子分布并非为零，因此在t ＝W 处的边界条件变为)exp(
)(0n kT
qV p W p CB
n =，而不是式（13b ）。在饱和模式下，极小的电压就产生了极大的输出电流，晶体管处于导通状态，类似于开关短路（亦即导通）的状态。
在截止模式(cutoff mode)下，晶体管的两个结皆为反向偏压，边界条件变为0)()0(==W p p n n ，截止模式下的晶体管可视为开关断路（或是关闭）
。
CB
图4.7四种晶体管工作模式下得结极性与少数载流子分布
晶体管的第四种工作模式称为反转模式(inverted mode)，有时也称为反放大模式。在此模式下，射基结是反向偏压，集基结是正向偏压；在反转模式下晶体管的集电极用作发射极，而发射极用作集电极，相当于晶体管被倒过来用，但是在反转模式下的电流增益通常较放大模式小，这是因为集电区掺杂浓度较基区浓度小，造成低的“发射效率”所致[式(31)]。 其他模式的电流、电压关系皆可以用类似放大模式下的步骤得出，但要适当地更改式(13)的边界条件，各模式下的一般表示式可写为 ??
????-??? ??-???
???-???
??=1exp 1exp 1211kT qV a kT qV a I CB EB E （32a ）
以及
??
????-??? ??-???
???-???
??=1exp 1exp 2221kT qV a kT qV a I CB EB C （32b ）
其中系数11a 、12a 、21a 和22a 可各由式(25)、(26)、(28)和(29)分别得出。注意在式(32a)和式(32b)中，各结的偏压视晶体管的工作模式可为正或负。
4.2.4 共基与共射组态下的电流-电压特性
由式(32)可得出一共基组态晶体管的电流-电压特性，在此需注意，EB V 和BC V 分别是输入与输出电压，而E I 和C I 分别为输入与输出电流。
在电路的应用中，共射组态是最常被用到的，其中发射极为输入端与输出端所共用。式(32)的电流一般表示式也可用于共射组态，此时EB V 和B I 是输人参数，而EC V 和C I 是输出 参数。
一、共基组态
图4.8(a)是一个共基组态下的p-n-p 晶体管，图4.8(b)显示共基组态下输出电流-电压特性的测量结果，图中也标示出不同工作模式的区域。请注意集电极与发射极电流几乎相同(10≈α)，而且几乎与BC V 不相关，这与式(10)和式(27)中理想晶体管的行为非常符合。即使
BC V 降到零伏，空穴依然被集电极所吸引，因此集电极电流仍维持一固定值。图4.9(a)中的
空穴分布也显示出这种情形，W x =处的空穴梯度在从BC V ＞o 变为BC V ＝o 后，只改变了少许，使得集电极电流在整个放大模式范围下几乎相同。若要将集电极电流降为零，必须加一电压在集基结上，使其正向偏压(饱和模式)，对硅材料而言，约需加1V 左右，如图5.9(b)所示，正向偏压造成W x =处的空穴浓度大增，与0=x 处相等[图 4.9(b)中的水平线]，此时在W x =处的空穴度也就是集电极电流将会降为零。
二、共射组态
图4.10(a)是一个共射组态下的p-n-p 晶体管，将式(3)代人式(10)中可得出共射组态下的集电极电流
CBO C B C I I I I ++=)(0α （33）
解出C I ，可得
0011ααα-+-=
CBO B C I
I I （34） 定义0β为共射电流增益(common-emitter current gain)，是C I 对B I 的微分。由式(34)可得出
01ααβ-=??B C I I ＝
（35） 亦可定义CEO I 为
（b）其输出电流－电压特性
图 4.8
(a)p-n-p晶体管的共基状态
4
2
0(n P n P (a)放大模式0=BC V 0
>BC V
n P (b)饱和模式中两结皆为正向偏压
图 4.9 p-n-p晶体管基极中的少数载流子分布
1α-=
CBO
CEO I I （36） 此电流是当0=B I 时，集电极与发射极间的漏电流。式(34)变为
CEO B C I I I +=0β （37）
因为0α一般非常接近于1，使得0β远大于1。例如，99.00＝α，0β是99；
若是998.00＝α，0β将变为499，所以基极电流的微小变化将造成集电极电流的剧烈变化。图4.10(b)是不同
的基极电流下，输出电流-电压特性的测量结果。可看出当0=B I 时，集电极和发射极间还存在一不为零的CEO I 。
【例3】参考例1，求出共射电流增益0β，并以0β和CBO I 表示CEO I ，并求出CEO I 的值。 解 例1中的共基电流增益0α是0.9934，因此可得出0β为
5.1509934
.019934
.00＝－＝β
式(36)可表示为
CBO CBO CEO I I I )1()11(
00
+=+-=βαα 所以 A A I CEO 4
6
1032.11087.0)15.150(--?=??+=
在一共射组态的理想晶体管中，当B I 固定且0>EC V 时，集电极电流与EC V 不相关。当
E
C
(a)p-n-p晶体管的共射组态
E
8
6
4
（b）其输出电流－电压特性
Ic/m A
图4.10
我们假设中性的基极区域(W)为定值时，上述特性始终成立。然而延伸到基极中的空间电荷区域会随着集电极和基极的电压改变，使得基区的宽度是集基偏压的函数，因此集电极电流将与V5L 相关．当集电极和基极间的反向偏压增加时，基区的宽度将会减少，导致基区中的少数载流子浓度梯度增加，亦即使得扩散电流增加，因此0 也会增加。图4.11显示出C I 随着EC V 的增加而增加，这种电流变化称为厄雷效应(Early effect)，或称为基区宽度调制效应(base width modulation)，将集电极电流往左方延伸，与EC V 轴相交，可得到交点A V ，称为厄雷电压(Early voltage)。
5.3 双极型晶体管的频率响应与开关特性
在4.2节中，我们讨论了与射基结和集基结偏压状况相关的四种晶体管工作模式，一般来说，在模拟电路或线性电路中的晶体管只会被工作在放大模式下，但在数字电路中四种工作模式都会被用到，在这一节我们将讨论双极型晶体管的频率响应与开关特性。
4.3.1 频率响应
一、高频等效电路
在先前的讨论中，我们只提到晶体管的静态特性(直流特性)，现在要讨论它的交流特性，也就是当一小信号重叠在直流值上的情况。小信号意指交流电压和电流的峰值小于直流的电压、电流值。图 4.12(a)是以共射组态晶体管所构成的放大器电路，在固定的直流输入电压EB V 下，将会有直流基极电流B I 和直流集电极电流C I 流过晶体管，这些电流代表图4.12(b)中的工作点，由供应电压CC V 以及负载电阻L R 所决定出的负载线(load line)，将以一1／L R 的斜率与EC V 轴相交于CC V 。当一小信号附加在输入电压上时，基极电流B i 将会随时
图4.11
A
A V V 电极电流相交于－，不同基极电流下的集厄雷效应与厄雷电压
间变动，而成为一时间函数，如图4.12(b)所示。基极电流的变动使得输出电流C i 跟着变动，而C i 的变动是B i 变动的0β倍，因此晶体管放大器将输入信号放大了。
图 4.13(a)是此放大器的低频等效电路，在更高频率的状况下，我们必须在等效电路中加上适当的电容。与正向偏压的p-n 结类似，在正向偏压的射基结中，会有一势垒电容EB
C (a)基本晶体管等效电路
(b)基本等效电路加上势垒和扩散电容
(c)基本等效电路加上电阻和电导
图 4.13
(a)连接成共射组态的双极晶体管
m A
I （b）晶体管电路的小信号工作状态
图4.12
CC
V V
V EC /
和一扩散电容d C ，而在反向偏压的集基结中只存在势垒电容CB C ，如图4.13(b)所示，即为加上这三个电容后的高频等效电路。
图中)~
/~(EB C m v i g ≡称为跨导(transconductance)，
而)~/~(EB B EB v i g ≡称为输入电导(input conductance)。而基区宽度调制效应，将产生一个有限的输出电导EC C EC v i g ~/~≡。另外，基
极电阻B r 和集电极电阻C r 也都列入考虑。图4.13(c)是加入上述各器件后的高频等效电路。
二、截止频率
在图 4.13(c)中，跨导m g 和输入电导EB g 与晶体管的共基电流增益有关。在低频时，共基电流增益是一固定值，不会因工作频率而改变，然而当频率升高至一关键点后，共基电流增益将会降低。图4.14是一典型的共基电流增益相对于工作频率的示意图。加入频率的参量后，共基电流增益为
)
/(10
αααf f j ＋＝
（38）
其中0α是低频(或直流)共基电流增益，αf 是共基截止频率(common-base cutoff requency)，当工作频率αf f =时，α的值为0.7070α(下降3dB)。 图4.14中也显示了共射电流增益β，由式(38)可得
)
/(110
ββ
ααβf f j ＋＝－≡
（39） 其中βf 称为共射截止频率(common-emitter cutoff frequency)
10
1010101010α图 4.14 电流增益与频率的关系
频率Hz
/
αβαf f )1(0-= （40）
由于10≈α，所以βf 小于αf 。另外，一截止频率T f (又称特征频率)定义为β变为1时的
频率，将式(39)等号右边的值定为1，可得出
ααβααββf f f f T 00020)1(1≈-≈-= （41）
因此T f 很接近但稍小于αf 。
特征频率T f 也可以表示为1)2(-T πτ，其中T τ代表载流子从发射极传输到集电极所需的时间．T τ包含了发射区延迟时间(emitter delaytime) E τ、基区渡超时间(base transit time) B
τ以及集电区渡越时间(collector transit time)
C τ。其中声主要的延迟时间是B τ。少数载流子
在dt 时段中所走的距离为dt ＝v(x)dt ，其中v(x)是基区中的少数载流子的有效速度，此速度与电流的关系为
A x p x qv I P )()(= （42）
其中A 是器件的截面积，)(x p 是少数载流于的分布，空穴经过基区所需的时间B τ为
B τ=dx I A x qp x v dx W
P W ??=00
)()( （43）
以式(15)中的直线空穴分布为例，将式(43)对式(21)的P I 积分，得出
B τ=
P
D W 22
（44） 要改善频率响应，必须缩短少数载流子穿越基区所需的时间，所以高频晶体管都设计成短基区宽度。由于在硅材料中电子的扩散系数是空穴的三倍，所有的高频硅晶体管都是n-p-n 的形式(基区中的少数载流子是电子)．另一个降低基区波越时间的方法是利用有内建电场的缓变掺杂基区，掺杂浓度变化(基区靠近发射极端掺杂浓度高，靠近集电极端掺杂浓度低)产生的内建电场将有助于载流子往集电极移动，因而缩短基区渡越时间。
4.3.2 开关暂态过程
在数字电路中晶体管的主要作用是当作开关，我们利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流由关(off)的状态成为开(on)的状态(反之亦然)。关是高电压低电流的状态，开是低电压高电流的状态。图4.15(a)是一个基本的开关电路，其中射基电压EB V 瞬间由负值变为正值。图 4.15(b)是晶体管的输出电流，起初因为射基结与集基结都是反向偏压，集电极电流非常低，但射基电压由负变正后，集电极电流沿着负载线，经过放大区最后到达高电流
状态的饱和区，此时射基结与集基结都变为正向偏压因此晶体管在关的状态下，亦即工作于截止模式时，发射极与集电极间为断路(不导通)；而在开的状态下，亦即工作、在饱和模式时，发射极与集电极间为短路(导通)．因此晶体管可近似于一理想的开关。
开关时间是指晶体管状态从关变为开或从开变为关所需的时间，图 4.16(a)显示一输入电流脉冲在t ＝0时加在射基端点上，晶体管导通在t ＝t 2时，电流瞬间转换到零，晶体管关闭。集电极电流的暂态行为可由储存在基区申的超量少数载流子电荷)(t Q B 来决定，图4.16(b)是)(t Q B 与时间的关系图。在导通的过程中，基区储存电荷将由零增加到)(2t Q B 在关闭的过程中，基区储存电荷由减少到零。当)(t Q B ＜s Q 时，晶体管工作于放大模式下其中s Q 是CB V =0时基区中的电荷量[如图4.16(d)所示，在饱和区的边缘]。
L (a)晶体管开关电路
EC
V I c
(b)晶体管由截止模式切换到饱和模式
图 4.15
图 4.16 晶体管开关特性.(a)基极输入电流脉冲;(b)基极储存电荷随时间的变化;
(c)集电极电流随时间的变化; (d)基极在不同时间的少数载流子分布
C
I 0
2
t （a）
（b）
t
0)
(2t Q B B
Q S
Q 1
t 3
t a
t 2t t
（d）
C I 对时间的变化显示在图4.16(c)中。在导通的过程中，基区存储电荷量达到s Q ，电荷
量在1t t ＝时达到饱和区边缘。当B Q >s Q 时晶体管进入饱和模式，而发射极和集电极电流大致维持定值。图显示在1t t >时，空穴分布）（x p n 与1t t ＝时平行，所以在x ＝0和x ＝W 处的空穴浓度密度相同。在关闭的过程中，器件起初时在饱和模式下，集电极的电流大约维持不变，至到B Q 降至s Q [见图4.16（d ）]。由2t 到B Q ＝s Q 时的3t 这段时间称为存储延迟时间（storage time delay ）s t 。当B Q >s Q ，器件在时进入放大模式，在这个时间点之后，集电极电流将以指数形式衰减到零。
导通的时间取决于我们能如何迅速地将空穴(p-n-p 晶体管中的少数载流子)加入基极区域，而关闭的时间则取决于能如何迅速地通过复合将空穴移除。晶体管开关时最重要的一个参数是少数载流子的寿命p τ，一个有效降低p τ、使转换变快的方法是加入接近禁带中点 的产生-复合中心。
5.4 异质结双极型晶体管
在3.8节中，我们已讨论过异质结，异质结双极型晶体管(HBT)是指晶体管中的一或 两个结由不同的半导体材料所构成。HBT 主要的优点是发射效率(γ)较高，HBT 的应用基本上与双极型晶体管相同，但HBT 具有较高的速度，可以工作在更高的频率。因为其具有这些特性，HBT 在光电、微波和数字应用上非常受欢迎。例如，在微波应用方面，HBT 常被用来制造固态微波及毫米波功率放大器、震荡器和混频器。
3.4.1 HBT 的电流增益
假设HBT 的发射区材料是半导体1，基区材料是半导体2，那么就必须考虑不同半导体材料的禁带宽度差对HBT 电流增益所造成的影响。
当基区输运系数T α非常接近1时，共射电流增益由式(8)和式(35)可以表示为
1,111000=-=-≡-≡
T T T αγ
γ
γαγαααβ （45）
将式(31)的γ代人式(45)，可得(n －p －n 晶体管)
EO po E
po EO E p n L W n D D ≈
p 1
n 0＝
β （46）
NPN型双极晶体管(半导体器件课程设计)
微电子器件课程设计报告 题目： NPN型双极晶体管 班级：微电0802班 学号： 080803206 姓名：李子忠 指导老师：刘剑霜 2011 年6月6日
一、目标结构 NPN 型双极晶体管 二、目标参数 最终从IV曲线中提取出包括fT和 Gain在内的设计参数. 三、在该例中将使用: （1）多晶硅发射双极器件的工艺模拟； （2）在DEVEDIT中对结构网格重新划分； （3）提取fT和peak gain. ATLAS中的解过程: 1. 设置集电极偏压为2V. 2. 用 log语句用来定义Gummel plot数据集文件. 3.用extract语句提取BJT的最大增益"maxgain"以及最大ft,"maxft". Gummel plot:晶体管的集电极电流Ic、基极电流 Ib与基极-发射极电压 Vbe关系图(以半对数坐标的形式). 四、制造工艺设计 4.1.首先在ATHENA中定义0.8um*1.0um的硅区域作为基底，掺杂为均匀的砷杂质，浓度为2.0e16/cm3,然后在基底上注入能量为18ev，浓度为4.5e15/cm3的掺杂杂质硼，退火，淀积一层厚度为0.3um的多晶硅，淀积过后，马上进行多晶硅掺杂，掺杂为能量50ev，浓度7.5e15/cm3的砷杂质，接着进行多晶硅栅的刻蚀（刻蚀位置在0.2um 处）此时形成N++型杂质（发射区）。刻蚀后进行多晶氧化，由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，所以使
用的模型将会是fermi以及compress，进行氧化工艺步骤时分别在干氧和氮的气氛下进行退火，接着进行离子注入，注入能量18ev，浓度2.5e13/cm3的杂质硼，随后进行侧墙氧化层淀积并进行刻蚀，再一次注入硼，能量30ev，浓度1.0e15/cm3，形成P+杂质（基区）并作一次镜像处理即可形成完整NPN结构,最后淀积铝电极。 4.2.三次注入硼的目的： 第一次硼注入形成本征基区;第二次硼注入自对准(self-aligned)于多晶硅发射区以形成一个连接本征基区和p+ 基极接触的connection.多晶发射极旁的侧墙(spacer-like)结构用来隔开 p+ 基极接触和提供自对准.在模拟过程中,relax 语句是用来减小结构深处的网格密度,从而只需模拟器件的一半；第三次硼注入,形成p+基区。 4.3.遇到的问题 经常遇到这样一种情况:一个网格可用于工艺模拟,但如果用于器件模拟效果却不甚理想.在这种情况下,可以用网格产生工具DEVEDIT 用来重建网格,从而以实现整个半导体区域内无钝角三角形. 五、原胞版图和工艺仿真结果： 用工艺软件ATHENA制作的NPN基本结构：
PNP双极型晶体管的设计
目录 1.课程设计目的与任务 (2) 2.设计的内容 (2) 3.设计的要求与数据 (2) 4.物理参数设计 (3) 4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3) 4.2 集电区厚度Wc的选择 (6) 4.3 基区宽度WB (6) 4.4 扩散结深 (10) 4.5 芯片厚度和质量 (10) 4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择 (10) 5.工艺参数设计 (11) 5.1 工艺部分杂质参数 (11) 5.2 基区相关参数的计算过程 (11) 5.3 发射区相关参数的计算过程 (13) 5.4 氧化时间的计算 (14) 6.设计参数总结 (16) 7.工艺流程图 (17) 8.生产工艺流程 (19) 9.版图 (28) 10.心得体会 (29) 11.参考文献 (30)
PNP 双极型晶体管的设计 1、课程设计目的与任务 《微电子器件与工艺课程设计》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用的课程，使我们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。 目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设计方法。要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完成晶体管的纵向结构参数设计→晶体管的图形结构设计→材料参数的选取和设计→制定实施工艺方案→晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练，为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。 2、设计的内容 设计一个均匀掺杂的pnp 型双极晶体管，使T=300K 时，β=120，V CEO =15V,V CBO =80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为I C =5mA 。设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。 3、设计的要求与数据 （1）了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。 （2）根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度N E , N B , 和N C ,根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命 等。 （3）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，包括集电区厚度W c ， 基本宽度W b ，发射区宽度W e 和扩散结深X jc ,发射结结深X je 等。 （4）根据扩散结深X jc ,发射结结深X je 等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩 散温度和扩散时间；由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化 时间。 （5）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、 发射区和金属接触孔的光刻版图。
双极型晶体管介绍
双极型晶体管 晶体管的极限参数 双极型晶体管（Bipolar Transistor） 由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。 晶体管：用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管. 晶体管分类：NPN型管和PNP型管 输入特性曲线：描述了在管压降UCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V，锗管的开启电压约为0.3V。 输出特性曲线：描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。可表示为： 双击型晶体管输出特性可分为三个区 ★截止区：发射结和集电结均为反向偏置。IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。 ★饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，U CE@0，IC=EC／RC，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。 ★放大区：发射结正偏，集电结反偏。 放大区的特点是： ◆IC受IB的控制，与UCE的大小几乎无关。因此三极管是一个受电流IB控制的电流源。 ◆特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB对集电极电流IC控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b越大。 ◆伏安特性最低的那条线为IB=0，表示基极开路，IC很小，此时的IC就是穿透电流ICEO。 ◆在放大区电流电压关系为：UCE=EC-ICRC, IC=βIB ◆在放大区管子可等效为一个可变直流电阻。 极间反向电流：是少数载流子漂移运动的结果。
双极型晶体管参数符号及其意义
双极型晶体管参数符号及其意义 Cc---集电极电容 Ccb---集电极与基极间电容 Cce---发射极接地输出电容 Ci---输入电容 Cib---共基极输入电容 Cie---共发射极输入电容 Cies---共发射极短路输入电容 Cieo---共发射极开路输入电容 Cn---中和电容（外电路参数） Co---输出电容 Cob---共基极输出电容。在基极电路中，集电极与基极间输出电容 Coe---共发射极输出电容 Coeo---共发射极开路输出电容 Cre---共发射极反馈电容 Cic---集电结势垒电容 CL---负载电容（外电路参数） Cp---并联电容（外电路参数） BVcbo---发射极开路，集电极与基极间击穿电压 BVceo---基极开路，CE结击穿电压 BVebo--- 集电极开路EB结击穿电压 BVces---基极与发射极短路CE结击穿电压 BV cer---基极与发射极串接一电阻，CE结击穿电压 D---占空比 fT---特征频率 fmax---最高振荡频率。当三极管功率增益等于1时的工作频率
hFE---共发射极静态电流放大系数 hIE---共发射极静态输入阻抗 hOE---共发射极静态输出电导 h RE---共发射极静态电压反馈系数 hie---共发射极小信号短路输入阻抗 hre---共发射极小信号开路电压反馈系数 hfe---共发射极小信号短路电压放大系数 hoe---共发射极小信号开路输出导纳 IB---基极直流电流或交流电流的平均值 Ic---集电极直流电流或交流电流的平均值 IE---发射极直流电流或交流电流的平均值 Icbo---基极接地，发射极对地开路，在规定的VCB反向电压条件下的集电极与基极之间的反向截止电流 Iceo---发射极接地，基极对地开路，在规定的反向电压VCE条件下，集电极与发射极之间的反向截止电流 Iebo---基极接地，集电极对地开路，在规定的反向电压VEB条件下，发射极与基极之间的反向截止电流 Icer---基极与发射极间串联电阻R，集电极与发射极间的电压VCE为规定值时，集电极与发射极之间的反向截止电流Ices---发射极接地，基极对地短路，在规定的反向电压VCE条件下，集电极与发射极之间的反向截止电流 Icex---发射极接地，基极与发射极间加指定偏压，在规定的反向偏压VCE下，集电极与发射极之间的反向截止电流ICM---集电极最大允许电流或交流电流的最大平均值。 IBM---在集电极允许耗散功率的范围内，能连续地通过基极的直流电流的最大值，或交流电流的最大平均值 ICMP---集电极最大允许脉冲电流 ISB---二次击穿电流 IAGC---正向自动控制电流 Pc---集电极耗散功率 PCM---集电极最大允许耗散功率 Pi---输入功率 Po---输出功率 Posc---振荡功率 Pn---噪声功率 Ptot---总耗散功率
PNP双极型晶体管课程设计
pnp双极型晶体管课程设计学生姓名馥语甄心
目录 1.设计任务及目标......................................................................P1 2.概述－发展现状......................................................................P1 3.设计思路.................................................................................P2 4.各材料参数和结构参数的设计...............................................P2 4.1原材料的选择....................................................................................P2 4.2各区掺杂浓度和相关参数的计算....................................................P4 4.3集电区厚度Wc的选择.....................................................................P5 4.4基区宽度WB的选择........................................................................P7 4.5扩散结深及发射区面积、基区面积的确定....................................P7 5.工艺参数设计.........................................................................P8 5.1硅片氧化相关参数............................................................................P8 5.2基区扩散相关参数............................................................................P9 5.3发射区扩散相关参数......................................................................P10 6.刻画掩模板.............................................................................P12 6.1基区掩模板........................................................................................P12 6.2发射区掩模板....................................................................................P12 6.3金属引线掩模板................................................................................P13 6.4设计参数总结....................................................................................P14 7.工艺步骤.................................................................................P14 7.1清洗....................................................................................................P15 7.2氧化工艺............................................................................................P15
双极型晶体管及其在生活中的应用
双极型三极管及其在生活中的应用 一、双极型三极管的介绍 1、 类型与结构 双极型三极管（Bipolar Junction Transistor, BJT ）称为半导体三极管、晶体半导体等，是一种重要的三端子电子器件。它是由贝尔实验室（Bell Laboratory ）的一个研究团队在1947年发明的。虽然如今MOSFET 已经成为应用最广泛的电子器件，但是BJT 仍然在汽车电子仪器、无线系统频射电路等领域具有一定的优越性。 双极型三极管（BJT ）是一种电流控制器件。它由两个背 靠背PN 结构成，是具有电流放大作用的晶体三极管，。它有三 个电极，每个电极伸出一个引脚，由电子和空穴同时参与导电。 BJT 常见的晶体管外形如右图所示。 在一个硅片或锗片上生成三个半导体区域：一个P 区夹在两个N 区中间的称为NPN 型管；一个N 区夹在两个P 区之间的称为PNP 型管。它们的电路符号和结构图如下图所示。 （NPN 型管的结构模型图） （A 为NPN 晶体管、B 为PNP 晶体管）
三个杂质半导体区域分别为：基区、发射区、集电区。它们的特点是：基区很薄，空穴浓度较小；发射区与基区的接触面较小，高掺杂；集电区与基区的接触面较大。从三个区域中分别引出三个电极：基极（B ）、发射极（E ）、集电极（C ）。三个杂志半导体区域之间两两形成了PN 结。其中发射区和基区间形成发射结，集电区和基区间形成集电结。上图所示是NPN 型管的结构模型图。 2、 工作原理 BJT 的工作模式有三：共射极放大、共基极放大、共集极放大。其中最常见的是共发射极工作模式。 当 BJT 中两个PN 结偏置条件不同时，BJT 将呈现不同 的工作状态【1】： （1）放大区：发射结正偏且大于开启电压，集电结反偏。 （2）截止区：发射结和集电结均为反向偏置。其实只要 发射结反偏或零偏置,三极管就已处于截止状态.在数字 电路中,这个条件还要弱一些,只要加在发射结上的电压 小于导通电压,三极管就可以截止。 （3）饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。 （4）倒置态【2】：发射结加反向偏置电压,集电结加正向偏置电压。与BJT 的放大状态相比,相当于把集电极与发射极相互交换。 工作原理描述：当晶体管工作在有源放大区时，管内载流子运 动如右图所示。由于发射结的外加正向电压，发射区的电子向基区 扩散,形成发射极电流I E 。部分电子继续向集电结方向扩散，另一部 分电子与基区的空穴符合形成基区复合电流I BN 。由于集电结的外 加反向电压，从基区扩散来的电子很快漂移过集电结并被集电区收 集，形成集电极电流I C 。与此同时，基区自身的电子和集电区的空 穴也在反偏电压作用下产生漂移运动，形成集电结反向饱和电流 I CBO 。 3、 电学特性 （1） 电流增益 集电极电流I C 和发射极电流I E 之间的关系可以用系数来说明，定义: 通常通过改善决定发射极注入效率（?）和基区传输因子（αT ）的结构参数使电流参数得到优化。 其中，发射极注入效率（?）定义为： （N B 是基区的掺杂浓度，N E 是发射区的掺杂浓度；D PE 是电子在发射区中的扩散系数，D NB 是少子在基区的扩散系数；W B 和W E 分别基区和发射区的宽度） （a 为放大状态、b 为倒置状态） （BJT 工作原理图）
单极型晶体管与双极型晶体管
单极型晶体管与双极型晶体管 单极型晶体管与双极型晶体管2011-10-3012:22 —、单极型晶体管 单极型晶体管也称场效应管，简称FET(FieldEffectTra nsistor) 。它是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制输出电流的大小。它工作时只有一种载流子(多数载流子)参与导电，故称为单极型晶体管。 特点： 输入电阻高，可达107~1015Q，绝缘栅型场效应管(IGFET)可高达1015Q 噪声低，热稳定性好，工艺简单，易集成，器件特性便于控制，功耗小，体积小，成本低。 根据材料的不同可分为结型场效应管 JFET(Ju nctio nFieldEffectTra nsistor) 和绝缘栅型场效应管 IGFET(InsulatedGateFET)。 二、双极型晶体管 双极型晶体管也称晶体三极管，它是一种电流控制型器件，由输入电流控制输出电流，其本身具有电流放大作用。它工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。 特点： 三极管可用来对微弱信号进行放大和作无触点开关。它具有结构牢固、寿命长、体积小、耗电省等一系列独特优点，故在各个领域得到广泛应用。 根据材料的不同晶体三极管可分为硅管(Si)与锗管(Ge)。 硅三极管的反向漏电流小，耐压高，温度漂移小，且能在较高的温度下工作和承受较大的功率损耗。锗三极管的增益大，频率响应好，尤其适用于低压线路。
场效应管与双极型三极管的比较： 1、普通三极管参与导电的，既有多数载流子，又有少数载流子，故称为双极型三极管；而在场效应管中只是多子参与导电，故又称为单极型三极管。因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数很小。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。 2、三极管是电流控制器件，通过控制基极电流到达控制输出电流的目的。因此，基极总有一定的电流，故三极管的输人电阻较低；场效应管是电压控制器件，其输出电流决定于栅源极之间的电压，栅极基本上不取电流，因此，它的输入电阻很高，可达109T014Q。高输入电阻是场效应管的突出优点。 3、场效应管的漏极和源极可以互换，耗尽型绝缘栅管的栅极电压可正可负， 灵活性比三极管强。但要注意，分立的场效应管，有时已经将衬底和源极在管内短接，源极和漏极就不能互换使用了。 4、场效应管和三极管都可以用于放大或作可控开关。但场效应管还可以作 为压控电阻使用，可以在微电流、低电压条件下工作，具有功耗低，热稳定性好，容易解决散热问题，工作电源电压范围宽等优点，且制作工艺简单，易于集成化生产，因此在目前的大规模、超大规模集成电路中，MOS管占主要地位 5、M OS管具有很低的级间反馈电容，一般为5-10pF，而三极管的集电结电容一般为20pF左右。 6场效应管组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数。 7、由于MOS观的栅源极之间的绝缘层很薄，极间电容很小，而栅源极之间电阻又很大，带电物体靠近栅极时，栅极上感应少量电荷产生很高的电压，就很难放掉，以至于栅源极之间的绝缘层击穿，造成永久性损坏。因此管子存放 时，应使栅极与源极短接，避免栅极悬空。尤其是焊接MOS管时，电烙铁外壳 要良好接地。
PNP双极型晶体管的设计之欧阳家百创编
目录 欧阳家百（2021.03.07） 1.课程设计目的与任务 (2) 2.设计的内容 (2) 3.设计的要求与数据 (2) 4.物理参数设计 (3) 4.1各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3) 4.2 集电区厚度Wc的选择 (6) 4.3 基区宽度WB (6) 4.4 扩散结深 (10) 4.5 芯片厚度和质量 (10) 4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选
择 (10) 5.工艺参数设计 (11) 5.1 工艺部分杂质参数 (11) 5.2 基区相关参数的计算过程 (11) 5.3发射区相关参数的计算过程 (13) 5.4氧化时间的计算 (14) 6.设计参数总结 (16) 7.工艺流程图 (17) 8.生产工艺流程 (19) 9.版图 (28) 10.心得体会 (29)
11.参考文献 (30) PNP双极型晶体管的设计 1、课程设计目的与任务 《微电子器件与工艺课程设计》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用的课程，使我们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。 目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设计方法。要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完成晶体管的纵向结构参数设计→晶体管的图形结构设计→材料参数的选取和设计→制定实施工艺方案→晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练，为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。 2、设计的内容 设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T=300K时，β=120，V CEO=15V,V CBO=80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为I C=5mA。设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。 3、设计的要求与数据
PNP双极型晶体管的设计
目录 １、课程设计目得与任务 (2) ２、设计得内容 (2) 3.设计得要求与数据 (2) 4、物理参数设计 (3) ４、1 各区掺杂浓度及相关参数得计算 (3) 4、2 集电区厚度Wc得选择 (6) 4、3 基区宽度WB (6) ４、4 扩散结深...........................................................................１0 4、5 芯片厚度与质量 (10) 4、6 晶体管得横向设计、结构参数得选择…………………………………1０ 5、工艺参数设计 (11) 5、１工艺部分杂质参数 (11) ５、2 基区相关参数得计算过程......................................................１1 5、3 发射区相关参数得计算过程 (13) ５、4 氧化时间得计算 (1) ４ 6、设计参数总结…………………………………………………………………１６ 7、工艺流程图 (17) 8、生产工艺流程…………………………………………………………………1９ 9、版图 (28) 1０、心得体会..............................................................................2９11、参考文献 (30) PNＰ双极型晶体管得设计 1、课程设计目得与任务 《微电子器件与工艺课程设计》就是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》与《半导体物理》理论课之后开出得有关微电子器件与工艺知识得综合应
用得课程，使我们系统得掌握半导体器件,集成电路，半导体材料及工艺得有关知识得必不可少得重要环节。 目得就是使我们在熟悉晶体管基本理论与制造工艺得基础上,掌握晶体管得设计方法。要求我们根据给定得晶体管电学参数得设计指标,完成晶体管得纵向结构参数设计→晶体管得图形结构设计→材料参数得选取与设计→制定实施工艺方案→晶体管各参数得检测方法等设计过程得训练,为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要得基础。 2、设计得内容 设计一个均匀掺杂得pnp型双极晶体管,使T=300K时,β=120,Ｖ CEO ＝1５ Ｖ,V CBO =80V、晶体管工作于小注入条件下,最大集电极电流为Ｉ C =5mA。设计时应 尽量减小基区宽度调制效应得影响。 ３、设计得要求与数据 （1)了解晶体管设计得一般步骤与设计原则。 (2)根据设计指标设计材料参数,包括发射区、基区与集电区掺杂浓度N E , N B , 与N C ，根据各区得掺杂浓度确定少子得扩散系数,迁移率,扩散长度与寿命 等。 （3）根据主要参数得设计指标确定器件得纵向结构参数，包括集电区厚度Ｗ c ， 基本宽度Ｗ b ,发射区宽度Ｗ e 与扩散结深X ｊc ，发射结结深Ｘ je 等。 （4）根据扩散结深X jc ，发射结结深Ｘ je 等确定基区与发射区预扩散与再扩散得 扩 散温度与扩散时间；由扩散时间确定氧化层得氧化温度、氧化厚度与氧化时间。 （5）根据设计指标确定器件得图形结构,设计器件得图形尺寸，绘制出基区、发射区与金属接触孔得光刻版图。 (6)根据现有工艺条件,制定详细得工艺实施方案。 4、物理参数设计
PNP双极型晶体管课程设计
pnp双极型晶体管课程设计 学生馥语甄心
目录 1.设计任务及目标......................................................................P1 2.概述－发展现状......................................................................P1 3.设计思路.................................................................................P2 4.各材料参数和结构参数的设计...............................................P2 4.1原材料的选择....................................................................................P2 4.2各区掺杂浓度和相关参数的计算....................................................P4 4.3集电区厚度Wc的选择.....................................................................P5 4.4基区宽度WB的选择........................................................................P7 4.5扩散结深及发射区面积、基区面积的确定....................................P7 5.工艺参数设计.........................................................................P8 5.1硅片氧化相关参数............................................................................P8 5.2基区扩散相关参数............................................................................P9 5.3发射区扩散相关参数......................................................................P10 6.刻画掩模板.............................................................................P12 6.1基区掩模板........................................................................................P12 6.2发射区掩模板....................................................................................P12 6.3金属引线掩模板................................................................................P13 6.4设计参数总
实验一双极型晶体管特性参数测量
实验一、双极型晶体管(BJT)特性参数测量 一、实验设备 (1)半导体管特性图示仪(XJ4810A 型),(2)BJT 晶体管(S9014、S8050、S8550), (3)二极管(1N4001) 二、实验目的 1、熟悉 BJT 晶体管特性参数测试原理; 2、掌握使用半导体管特性图示仪测量 BJT 晶体管特性参数的方法; 3、学会利用手册的特性参数计算 BJT 晶体管的混合π型EM1 模型参数的方 法。 三、实验仪器介绍: XJ4810型/XJ4810A型半导体管特性图示仪采用示波管显示半导体器件的各种特性曲线,并测量其静态参数。本仪器具有二簇曲线显示,双向集电极扫描电路,可以对被测半导体器件的特司长进行对比分析,便于对管或配件配对。本仪器IR测量达200nA/div,配备扩展装置后,VC可达3KV;可测试CMOS及TTL 门电路传输特性;可对场效应管进行配对或对管测试;可测试三端稳压管特性。 图1为XJ4810A型晶体管测试仪图片 四、BJT 晶体管特性参数测试原理 晶体管的输出特性曲线如图1所示,这就是一组曲线族,对于其中任一条曲线,相当于Ib =常数(即基极电流Ib不变)。曲线显示出集电极与发射极之间的电压Vcc增加时,集电极电流Ic的变化。因此,为了显示一条特性曲线,可以采用如图2所示的方法,既固定基极电流Ib为: Ib=(Eb-Vbe)/Rb
在集电极到发射极的回路中,接入一个锯齿波电压发生器Ec与一个小的电阻Rc,晶体管发射极接地。由于电阻R很小,锯齿波电压实际上可以瞧成就是加在晶体管的集电极与发射极之间。晶体管的集电极电流从电阻Rc上流过,电阻Rc上的电压降就正比于Ic。如果把晶体管的c、e两点接到示波管的x偏转板上,把电阻Rc两端接到示波管的y偏转板上,示波器便显示出晶体管的Ic随Vcc变化的曲线。(为了保证测量的准确性,电阻Rc应该很小)。用这种方法只能显示出一条特性曲线,因为此时晶体管的基极电流Ib就是固定不变的。如果要测量整个特性曲线族,则要求基极电流Ib改变。基极电流Ib的改变采用阶梯变化,每一个阶梯维持的时间正好等于作用在集电极的锯齿波电压的周期,如图3所示。阶梯电压每跳一级,电流Ib 便增加一级。(每一级阶梯的增幅可根据不同的晶体管的做相应的调整)。 晶体管特性图示仪便就是按照上述原理设计的,它包括阶梯电压发生器(供基极或发射极阶梯波)、锯齿波电压发生器(供集电极扫描电压)、x轴放大器、y轴放大器、示波管系统等组成,其单元作用如图4所示。作用在垂直偏转板上的除Ic(实际上就是IcRc)外,还可以就是基极电压、基极电流、外接或校正电压。由于x轴与y轴作用选择的不同,在示波器荧光屏上显示出的特性就完全不同。例如:若x轴作用为集电极电压,y轴作用选择集电极电流,得到晶体管的输出特性曲线;若x轴作用为基极电流,y轴作用选择集电极电流,得到晶体管的电流增益特性(即β特性);若y轴作用为基极电流,x轴作用就是基极电流,得到晶体管的输入特性曲线。 五、BJT 晶体管特性参数测试过程 为了不使被测晶体管与仪器损坏,在测试前必须充分了解仪器的使用方法与晶体管的规格,测试中,在调整仪器的各个选择开关与转换量时,必须注意使加于被测晶体管的电压、电流(并配合功耗电阻)从低量程漫漫提高,直到满足测量要求。(不然会烧) 以XJ4810A型晶体管特性曲线图示仪为例,仪器操作程序如下: 1、开启电源,预热5分钟。 2、调整示波器: (1)拉—电源开。 (2)调整辉度到适中的亮度; (3)调整聚焦与辅助聚焦,使线迹清晰。 (4)调整x、y移位,使光点停留在适于观察的位置。 3、基极控制面板调节(阶梯调零与极性选择) 首先根据被测晶体管的类型(npn或pnp)及接地方式(共基极或共发射极)选取阶梯极性npn pnp 发射极接地 + —基极接地然后进行阶梯调零(即调整阶梯信号的起始级在零电位的位置):先将y轴作用置于“基极电流或基极电源电压”,阶梯选择置于0、01V/级,阶梯作用为“重复”,x轴作用置于集电极电压(V/度)。调峰值电压为10V,这时荧光屏上出现阶梯信号。 将y轴放大器校正置于“零点”位置,调y轴移位,使基线位于零线上;再将校正复位,使阶梯信号零位
npn双极型晶体管的设计器件物理课程设计
课程设计 课程名称微电子器件与工艺课程设计题目名称npn双极型晶体管的设计
目录 1．设计任务书 (2) 1.1内容 (2) 1.2要求与数据 (2) 1.3应完成的工作 (2) 1.4主要参考文献 (3) 2．物理参数计算 (3) 2.1. 各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3) 2.2少子的迁移率 (3) 2.3少子的扩散系数 (4) 2.4少数载流子的扩散长度 (5) 2.5各区的厚度 (5) 2.5.1集电区厚度Wc (5) 2.5.2基区宽度WB (6) 2.6扩散结深 (9) 2.7电阻率 (9) 3．实际器件设计 (10) 3.1硅片选择 (10) 3.2图形结构 (10) 3.3各区面积 (11) 4.工艺参数计算 (11) 4.1基区硼扩散 (11) 4.1.1预扩散 (11) 4.1.2再扩散 (12) 4.1.3氧化层厚度 (13) 4.2发射区磷扩散 (13) 4.2.1预扩散 (13) 4.2.2再扩散 (14) 4.2.3氧化层厚度 (15) 4.3氧化时间 (15) 4.3.1基区氧化 (15) 4.3.2发射区氧化 (16) 5、设计参数总结 (17) 6、工艺流程 (18) 6.1主要流程 (18) 6.2清洗工艺 (22) 6.3氧化工艺 (23) 6.4光刻工艺 (25) 6.5硼扩散工艺(基区扩散) (27) 6.6磷扩散工艺(发射区扩散） (29) 7.版图设计 (31) 7.2发射区掩膜板 (31) 7.3接触孔掩膜版 (32) 8.总结与体会 (32)
1．设计任务书 题目名称npn双极型晶体管的设计 学生学院材料与能源学院 专业班级 姓名 学号 1.1内容 设计一个均匀掺杂的npn型双极晶体管，使T=300K时，h fe =120,BV CBO =80V. 晶体管工作于小注入条件下，设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。 1.2要求与数据 1．了解晶体管设计的一般步骤和设计原则 2．根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度N E, N B,和N C, 根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命等。 3．根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，包括集电区厚度W c，基本宽度W b，发射区宽度W e和扩散结深X jc, 发射结结深X je等。 4．根据扩散结深X jc, 发射结结深X je等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间；由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化时间。 5．根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、发射区和金属接触孔的光刻版图。 6. 根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。 7．撰写设计报告 1.3应完成的工作 1. 材料参数设计 2.晶体管纵向结构设计
NPN型双极晶体管(半导体器件课程设计)
微电子器件课程设计报告 题目：NPN型双极晶体管 班级：微电0802班 学号：080803206 姓名：李子忠 指导老师：刘剑霜 2011 年6月6日 页脚内容1
一、目标结构 NPN 型双极晶体管 二、目标参数 最终从IV曲线中提取出包括fT和Gain在内的设计参数. 三、在该例中将使用: （1）多晶硅发射双极器件的工艺模拟； （2）在DEVEDIT中对结构网格重新划分； （3）提取fT和peak gain. ATLAS中的解过程: 1. 设置集电极偏压为2V. 2. 用log语句用来定义Gummel plot数据集文件. 3.用extract语句提取BJT的最大增益"maxgain"以及最大ft,"maxft". Gummel plot:晶体管的集电极电流Ic、基极电流Ib与基极-发射极电压Vbe关系图(以半对数坐标的形式). 四、制造工艺设计 4.1.首先在ATHENA中定义0.8um*1.0um的硅区域作为基底，掺杂为均匀的砷杂质，浓度为2.0e16/cm3,然后在基底上注入能量为18ev，浓度为4.5e15/cm3的掺杂杂质硼，退火，淀积一层厚度为0.3um的多晶硅，淀积过后，马上进行多晶硅掺杂， 页脚内容2
掺杂为能量50ev，浓度7.5e15/cm3的砷杂质，接着进行多晶硅栅的刻蚀（刻蚀位置在0.2um处）此时形成N++型杂质（发射区）。刻蚀后进行多晶氧化，由于氧化是在一个图形化（即非平面）以及没有损伤的多晶上进行的，所以使用的模型将会是fermi以及compress，进行氧化工艺步骤时分别在干氧和氮的气氛下进行退火，接着进行离子注入，注入能量18ev，浓度2.5e13/cm3的杂质硼，随后进行侧墙氧化层淀积并进行刻蚀，再一次注入硼，能量30ev，浓度1.0e15/cm3，形成P+杂质（基区）并作一次镜像处理即可形成完整NPN结构,最后淀积铝电极。 4.2.三次注入硼的目的： 第一次硼注入形成本征基区;第二次硼注入自对准(self-aligned)于多晶硅发射区以形成一个连接本征基区和p+ 基极接触的connection.多晶发射极旁的侧墙(spacer-like)结构用来隔开p+ 基极接触和提供自对准.在模拟过程中,relax 语句是用来减小结构深处的网格密度,从而只需模拟器件的一半；第三次硼注入,形成p+基区。 4.3.遇到的问题 经常遇到这样一种情况:一个网格可用于工艺模拟,但如果用于器件模拟效果却不甚理想.在这种情况下,可以用网格产生工具DEVEDIT用来重建网格,从而以实现整个半导体区域内无钝角三角形. 五、原胞版图和工艺仿真结果： 用工艺软件ATHENA制作的NPN基本结构： 页脚内容3