半导体器件与工艺(3).ppt

双极型晶体管 哈尔滨工程大学微电子学 半导体器件与工艺 双极型晶体管 晶体管的基本结构和分类 双极型晶体管 晶体管的制造工艺和杂质分布 双极型晶体管 晶体管的制造工艺和杂质分布 双极型晶体管 晶体管的制造工艺和杂质分布 双极型晶体管 晶体管的制造工艺和杂质分布 双极型晶体管 均匀基区晶体管和缓变基区晶体管均匀基区晶体管的基区杂质是均匀分布的 载流子在基区内的传输主要靠扩散机理进行 又称扩散型晶体管 缓变基区晶体管的基区杂质是缓变的 载流子在基区内的传输除了靠扩散运动外 还存在漂移运动且往往以漂移运动为主 又称漂移型晶体管 双极型晶体管 晶体管的电流放大原理假设条件 发射区与集电区宽度远大于少子扩散长度 基区宽度远小于少子扩散长度 发射区与集电区电阻率足够低 外加电压全部降落在势垒区 势垒区外无电场 发射结和集电结空间电荷区宽度远小于少子扩散长度 且不存在载流子的产生与复合 各区杂质均匀分布 不考虑表面的影响 且载流子仅做一维传输 小注入 即注入的非平衡少子浓度远小于多子浓度 发射结和集电结为理想突变结 且面积相等 双极型晶体管 平衡晶体管的能带和载流子的分布 双极型晶体管 非平衡晶体管的能带和载流子的分布 双极型晶体管 晶体管载流子的传输 双极型晶体管 晶体管载流子的传输 发射结正向偏置 发射电子 载流子在基区的传输与复合 集射结反向偏置 收集电子 晶体管的直流电流放大系数 晶体管电流放大系数和电流放大能力 1 共基极直流电流放大系数表征从发射极输入的电流中有多大比例传输到集电极成为输出电流 或者说由发射极发射的电子有多大比例传输到了集电极 共基极接法的晶体管不能放大电流 但由于集电极允许接入阻抗较大的负载 所以仍能够获得电压放大和功率放大 晶体管电流放大系数和电流放大能力 2 共射极直流电流放大系数共发射极电路是用去控制以实现电流放大的 晶体管的直流电流放大系数 晶体管电流放大系数和电流放大能力 3 与的关系 晶体管的直流电流放大系数 晶体管电流放大系数和电流放大能力 4 晶体管具有放大能力所满足的条件 以NPN管为例 发射区高掺杂 能发射大量电子 基区低掺杂且基区宽度窄 减少电子的复合损失 发射结正向偏置 发射电子 集射结反向偏置 收集电子 晶体管的直流电流放大系数 晶体管的直流电流放大系数 均匀基区晶体管电流放大系数 晶体管的直流电流放大系数 均匀基区晶体管电流放大系数为什么总是小于 主要原因在于发射极发射的电子在传输到集电极的过程中 有两个阶段电子会损失 一是发射区的电于与来自基区的少子空穴的复合损失 该复合形成了空穴电流 一是电子在穿越基区往集电结扩散的过程中 与基区中空穴的复合损失 形成体内复合电流 晶体管的直流电流放大系数 均匀基区晶体管电流放大系数为了表征两个阶段电子损失的比例大小 再定义两个参量 发射效率 基区输运系数 晶体管的直流电流放大系数 缓变基区晶体管电流放大系数发射效率 基区输运系数 晶体管的直流电流放大系数 1 在N型硅片上经硼扩散后 得到集电结结深 有源基区方块电阻 再经磷扩散后 得发射结结深 发射区方块电阻 设基区少子寿命 基区少子扩散系数扩散系数 基区自建场因子 试求该晶体管的电流放大系数与分别为多少 晶体管的直流电流放大系数 2 在基区掺杂浓度随距离按指数式变化的缓变基区晶体管中 基区自建电场强度为常数 如果基区宽度为0 3的晶体管中存在500的均匀基区自建电场 基区中靠近发射结一侧的掺杂浓度是 试问基区中靠近集电结一侧的掺杂浓度为多少 提高发射区掺杂浓度 增大正向注入电流 减小基区宽度 减少复合电流 提高基区杂质分布梯度 以提高电场因子 提高基区载流子寿命和迁移率 以增大载流子的扩散长度 晶体管的直流电流放大系数 晶体管基区宽变效应 晶体管的直流电流放大系数 习题1在材料种类相同 掺杂浓度分布相同 基区宽度相同的条件下 PNP晶体管和NPN晶体管相比 哪种晶体管的发射结注入效率较大 哪种晶体管的基区输运系数较大 影响晶体管的直流电流放大系数的因素 发射结空间电荷区复合对电流放大系数的影响 影响晶体管的直流电流放大系数的因素 发射区重掺杂对电流放大系数的影响 影响晶体管的直流电流放大系数的因素 基区宽变效应对电流放大系数的影响 影响晶体管的直流电流放大系数的因素 温度对电流放大系数的影响 晶体管的直流伏安特性曲线 共基极 晶体管的直流伏安特性曲线 共射极 两种组态输出特性曲线比较 电流放大系数的差别增大对电流放大系数的影响减小对输出电流的影响 晶体管的穿通电压 基区穿通 晶体管的穿通电压 外延层穿通 外延层穿通所决定的击穿电压外延层厚度 3 已知某硅NPN均匀基区晶体管的基区宽度 基区掺杂浓度 集电区掺杂浓度 试求当 时电流放大系数如何变化并计算厄尔利电压 晶体管的直流电流放大系数 4 某厂在试制晶体管时 由于不注意清洁卫生 在高温扩散时引入了金 镍等杂质 结果得到如图所示的晶体管输出特性曲线 你能否说明这个输出特性曲线与标准输出特性曲线的差别在哪里 原因是什么 晶体管的直流电流放大系数 5 某厂在试制NPN平面管时 发现所得到的输出特性曲线为 靠背椅 式 如图所示 你能否用基区表面形成反省层 即所谓 沟道 来解释这种输出特性曲线 晶体管的直流电流放大系数 6 某厂在试制某种晶体管时 发现输出特性曲线 过度倾斜 如图所示 你能否用制造过程不当 使基区过薄来解释此种现象 晶体管的直流电流放大系数 7 某厂在试制某种晶体管时 发现输出特性曲线如图所示 你能否用集电极有较大的串联电阻 如欧姆接触电阻之类 来解释此种现象 如何改进工艺条件来避免此种现象 晶体管的直流电流放大系数 8 某厂在试制某种晶体管时 发现输出特性曲线如图所示 你能否用集电结在表面处有很大的漏电流来解释此种现象 晶体管的频率特性 晶体管的频率特性 晶体管的频率特性曲线和极限频率参数 晶体管的频率特性曲线和极限频率参数 提高特征频率的途径 1 减小基区宽度 并采用扩散基区 2 尽量减小发射极面积 3 基区扩散的薄层电阻大些 即基区杂质浓度稍低些 也有利于提高特征频率 4 减小集电结面积 适当降低集电区电阻率 晶体管的噪声 噪声系数采用信号噪声比 即信号功率与噪声功率之比 简称信噪比 来衡量噪声的大小 常用晶体管的输入信号噪声比同输出信号噪声比的比值来标志晶体管的噪声特性 这个比值就叫噪声系数 晶体管的噪声 噪声来源 1 热噪声杂乱无章的热运动叠加在载流子的有规则的运动之上 就会引起电流的起伏 成为噪声 2 散粒噪声半导体中载流子的产生 复合过程有涨有落 参加导电的载流于数目将在其平均值附近起伏 这种由载流子数目起伏而引起的噪声 3 噪声在半导体中还存在着一种影响很大的噪声 叫做噪声 这种噪声同频率有关 频率越低 噪声越大 晶体管的功率特性 基区大注入效应 1 大注入基区电大调制效应和自建电场 2 大注入基区少子分布 晶体管的功率特性 基区扩展效应 晶体管的功率特性 基区扩展效应 晶体管的功率特性 基区扩展效应 晶体管的功率特性 基区纵向扩展效应 晶体管的功率特性 基区横向扩展效应 晶体管的功率特性 基区扩展效应对电特性的影响 晶体管的功率特性 发射极电流集边效应 晶体管的功率特性 发射极电流集边效应 晶体管的功率特性 发射极电流集边效应 晶体管的功率特性 发射极电流集边效应 晶体管的功率特性 发射极电流集边效应 晶体管的功率特性 发射极电流集边效应 晶体管的功率特性 集电结最大耗散功率 集电结最大耗散功率是晶体管参数的变化不超过规定值时的最大集电结耗散功率 晶体管的功率特性 集电结最大耗散功率相关因素 在晶体管的散热情况和环境温度一定时 消耗的功率越大 管芯的结温就越高 由于管芯结温不能超过晶体管的最高结温 因此晶体管的耗散功率也不允许任意大 显然与最高结温对应的耗散功率就是晶体管的最大允许耗散功率 即晶体管的最高结温是指晶体管能正常地 长期可靠工作的最高PN结温度 晶体管的功率特性 晶体管热阻 晶体管工作时 集电结产生的热量要散发到周围空间中去 会遇到一种阻力 把这种阻力叫 热阻 晶体管的热阻是表征晶体管工作时所产生的热量向外散发的能力 它表示晶体管散热能力的大小 晶体管的功率特性 晶体管热阻 晶体管的功率特性 降低晶体管热阻 降低内热阻 通过适当减薄硅片和铝片厚度 增大集电结面积或周界长度来减小内热阻 降低外热阻 可以通过减小接触热阻 增大散热面积来实现 减少接触热阻的措施 尽量使管座与散热器的接触面平整 光滑 清洁且不氧化 在接触界面处涂覆硅脂 在安装晶体管时 接触面应尽量压紧 晶体管的功率特性 晶体管的二次击穿 当集电极反向偏压增大到某一值时 集电极电流急剧增加 出现击穿现象 这个首先出现的击穿现象称为一次击穿 当集电极反向偏压进一步增大 增大到某一临界值时 晶体管上的压降突然降低 而电流继续增长 这个现象称为二次击穿 晶体管的功率特性 晶体管的二次击穿 晶体管的功率特性 二次击穿机理 电流集中二次击穿 在晶体管内部出现电流局部集中 形成过热点 导致该处发生局部热击穿的结果 晶体管的功率特性 镇流电阻 晶体管的功率特性 二次击穿机理 雪崩注入二次击穿 晶体管的功率特性 集电极最大工作电流共发射极电流放大系数下降到最大值的一半时所对应的集电极电流 晶体管的功率特性 不使晶体管损坏和老化 而且工作可靠性又较高的区域叫做安全工作区 晶体管的安全工作区 晶体管的开关特性 晶体管的开关作用 开关电路中的晶体管多采用共发射极接法 晶体管的开关作用是通过基极输入脉冲控制集电极回路的通断来实现的 晶体管的开关特性 晶体管的开关工作区域 晶体管做开关运用时 它的 开 与 关 两种工作状态分别对应子输出特性曲线中的饱和区和截止区 晶体管的开关特性 饱和区 在饱和状态时 晶体管的发射结处于正向偏置 发射结偏压约为0 7V 而C E间的压降约为0 3V 这表明C极电位低于B极 即集电结也处于正向偏置 这是晶体管饱和的重要特点之一 使晶体管由放大区进入饱和区的临界基极电流称为临界饱和基极电流 晶体管的开关特性 截止区 晶体管的发射结加上反向偏压 或零偏压 集电结也加上反向偏压 晶体管就处于截止区 这时晶体管内只有反向漏电流流过 其数值极小 晶体管的开关特性 理想晶体管的开关波形 晶体管的开关特性 实际晶体管的开关波形 晶体管的开关特性 延迟过程 在晶体管开启以前 晶体管处于截止态 发射结和集电结都处于反向偏置 因此它们的势垒区是比较宽的 势垒区中有比较多的空间电荷 在输入电压刚刚变正时 发射结的势垒区还保持在原来的状态 即势垒区有比较多的空间电荷 势垒区还很宽 由于发射结势垒电容电压不能突变 也就是发射结仍然保持在负偏压或零偏压的状态 所以没有析从发射区注入到基区 晶体管的开关特性 上升过程 在延迟过程结束后 晶体管的发射结偏压将继续上升 从0 5V变到0 7V左右 于是发射区就向基区注人较多的电子 电子在基区中积累 形成一定的浓度梯度 其中一部分在基区中复合掉 其余的输运到集电结 形成集电极电流 随着发射结偏压的上升 注入到基区的电子增多 电子的浓度梯度增大 集电极电流也随着增大 这就是上升过程 晶体管的开关特性 在上升过程结束以后 由于晶体管处于过驱动状态 集电结从零偏变为正偏 集电区除了要向基区注入电子外 基区也要向集电区注入空穴 所以在集电区中也有一部分空穴电荷累量 超量贮存电荷 贮存电荷 晶体管的开关特性 下降过程 在贮存过程结束后 晶体管中的电荷分布又回到和上升过程结束时相同的情况 在下降过程中 集电结从零偏压降到负偏压 发射结的正向偏压从0 7V开始下降 晶体管的开关特性 提高晶体管开关速度的途径 掺金可有效地减小集电区少子 空穴 寿命 进而减少饱和时超量贮存电荷 同时加速超量贮存电荷的复合 减小结面积 这可有效地缩短 结面积最小尺寸受集电极最大电流及工艺水平的限制 减小基区宽度 可使和时间大大降低 在保证集电结耐压的情况下 尽量减薄外延层厚度 降低外延层电阻率 这样既可以减小集电区少子寿命 晶体管的开关