1、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第1页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第2页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 晶体管（半导体三极管）是由两个晶体管（半导体三极管）是由两个P-N结构成的结构成的三端器件。由于两个三端器件。由于两个P-N结靠得很近，其结靠得很近，其具有放大电信具有放大电信号的能力号的能力，因此在电子电路中获得了比半导体二极管更，因此在电子电路中获得了比半导体二极管更广广泛的应用泛的应用。（半导体二极管由
2、一个。（半导体二极管由一个P-N结构成，利用结构成，利用P-N结的单向导电性，二极管在整流、检波等方面获得了广结的单向导电性，二极管在整流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在泛应用。）本章将在P-N结理论的基础上，讨论晶体管结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构、放大作用以及其他一些特性，如反向电流、的基本结构、放大作用以及其他一些特性，如反向电流、击穿电压、基极电阻等。击穿电压、基极电阻等。第3页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理3.1 概述概述 晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频
3、管低频管和和高频管高频管，小功率管小功率管和和大功率管大功率管，高反压管高反压管和和开关管开关管等等。等等。但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为发发射结射结和和集电结集电结的的P-N结组成。结组成。两个两个P-N结将晶体管划分为三个区：结将晶体管划分为三个区：发射区发射区、基区基区和和集集电区电区。由三个区引出的电极分别称为。由三个区引出的电极分别称为发射极发射极、基极基极和和集电集电极极，用符号，用符号E、B、C（e、b、c）表示。）表示。晶体管的基本形式可分为晶体管的基本形式可分为PNP型型和和NPN型型两种。两种。第4页，共
4、88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理N型硅型硅二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BECN+P型硅型硅（a）平面型平面型双极型晶体管双极型晶体管内部有电子和空穴两种载流子参与导电的晶体管内部有电子和空穴两种载流子参与导电的晶体管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极基极基极发射极发射极N NN NP P晶体管的晶体管的示意图示意图第5页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶体管的图形晶体管的图形浓度小、很薄浓度小、很薄。浓度大，发射电子。浓度大，发射电子。尺
5、寸大，收集电子，浓度低。尺寸大，收集电子，浓度低。集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极C基极基极B发射极发射极EN NN NP P晶体管的晶体管的示意图示意图第6页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理N型锗型锗ECB铟铟球球铟球铟球PP+（b）合金型）合金型晶体管的晶体管的示意图示意图按半导体材料的不同分为锗管和硅管，按半导体材料的不同分为锗管和硅管，晶体管多为晶体管多为，锗锗晶体管多为晶体管多为PNP型。型。PNP型晶体管的图形符号型晶体管的图形符号第7页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体
6、器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第8页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第9页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第10页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第11页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在N型锗片上，一型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟
7、球，加热形成液态合金后，再边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成型半导体，从而形成PNP结构，如图所示。图中结构，如图所示。图中Wb为基区宽度，为基区宽度，Xje和和Xjc分别为分别为发射结和集电结的结深。发射结和集电结的结深。合金结的杂质分布特点是：合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似为均匀分三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个布，基区的杂
8、质浓度最低，且两个P-N结都是突变结。结都是突变结。合金结的主要缺点是合金结的主要缺点是基区较宽基区较宽，一般只能做到，一般只能做到10微米微米左右。因此左右。因此频率特性较差频率特性较差，只能用于，只能用于低频区低频区。第12页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第13页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第14页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 在高浓度的在高浓度的N+衬底衬底上，生长一层上，生长一层N型的外
9、型的外延延层，再在外延层上用层，再在外延层上用硼硼扩散制作扩散制作P区区，后在，后在P区上区上用用磷扩散形成一个磷扩散形成一个N+区区。其结构是一个其结构是一个NPN型型的的三层式结构三层式结构，上面的，上面的N+区是发射区，中间的区是发射区，中间的P区区是基区，底下的是基区，底下的N区是集电区是集电区。区。第15页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 晶体管的基区杂质分布有两种形式：晶体管的基区杂质分布有两种形式：均匀分布（如合金管），称为均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管均匀基区晶体管。均匀基。均匀基区晶体管中，载流子在基区
10、内的传输主要靠扩散进行，故又称区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，故又称为为扩散型晶体管扩散型晶体管。基区杂质是缓变的（如平面管），称为基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶体管缓变基区晶体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主。所以运动外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主。所以又称为又称为漂移型晶体管漂移型晶体管。第16页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶体管中载流子浓度分布及传输晶体管中载
11、流子浓度分布及传输 设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，分别用设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，分别用NE、NB、NC表示，且表示，且NE远大于远大于 NB大于大于NC。第17页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理VDE 发射结的接触电势差发射结的接触电势差VDC 集电结的接触电势差集电结的接触电势差由于平衡时费米能级处处相等，因而基区相对于由于平衡时费米能级处处相等，因而基区相对于发射区和集电区分别上移发射区和集电区分别上移qVDE和和qVDC。第18页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物
12、理半导体器件物理半导体器件物理第19页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理当晶体管作为放大运用时当晶体管作为放大运用时发射结加正向偏压发射结加正向偏压VE集电结加反向偏压集电结加反向偏压VC第20页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理发射结势垒由原来的发射结势垒由原来的qVDE下降下降为为q(VDE-VE)集电结势垒由集电结势垒由qVDC升高升高到到q(VDC+VC)第21页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理NPN
13、晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图第22页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 发射结正偏发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子。注，发射区将向基区注入非平衡少子。注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边扩散，入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边扩散，便复合，最后形成一稳定分布，记作便复合，最后形成一稳定分布，记作nB(x)。同样，基区也。同样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，记作向发射区注入空穴，并形成一定的分布，记作pE(x)。集电结反偏集电结反偏
14、，集电结势垒区对载流子起抽取作用。当反，集电结势垒区对载流子起抽取作用。当反向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到集电结势向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到集电结势垒区垒区XmC的电子，都被势垒区电场拉向集电区。因此，势垒区的电子，都被势垒区电场拉向集电区。因此，势垒区边界边界X3处少子浓度下降为零；同样，在集电区一边，凡处少子浓度下降为零；同样，在集电区一边，凡是能够扩散到是能够扩散到XmC的空穴，也被电场拉向基区，在的空穴，也被电场拉向基区，在X4处少子浓处少子浓度也下降为零，其少子浓度分布为度也下降为零，其少子浓度分布为pC(x)。第23页，共88页。半导体器件物理半导体器件
15、物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶体管中的载流子传输示意图晶体管中的载流子传输示意图第24页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 因发射结正偏，大量电子从发射区注入到基区，因发射结正偏，大量电子从发射区注入到基区，形成电子电流形成电子电流InE。如基区很薄，大部分电子都能通过扩散到。如基区很薄，大部分电子都能通过扩散到达集电结边界，并被集电极收集，形成集电极电子电流达集电结边界，并被集电极收集，形成集电极电子电流InC。由。由于通过基区的电子是非平衡载流子，因此在基区中，电子将一于通过基区的电子是非平衡载流
16、子，因此在基区中，电子将一边扩散，一边和基区中的空穴复合，形成体复合电流边扩散，一边和基区中的空穴复合，形成体复合电流IVR。显然，。显然，体复合电流是垂直于电子电流流动方向的多数载流子电流。体复合电流是垂直于电子电流流动方向的多数载流子电流。同时，基区也向发射区注入空穴，形成发射结的反注入空穴同时，基区也向发射区注入空穴，形成发射结的反注入空穴电流电流IpE。这股空穴电流在发射区内边扩散边复合，经过扩散长。这股空穴电流在发射区内边扩散边复合，经过扩散长度度LpE后基本复合消失，转换成电子电流。另外，在集电后基本复合消失，转换成电子电流。另外，在集电结处还有一股反向饱和电流结处还有一股反向饱和
17、电流ICB0。第25页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 综上所述可知，通过发射结有两股电流，综上所述可知，通过发射结有两股电流，即即InE和和IPe，所以，所以，发射极电流发射极电流 IE=InE+IpE 通过集电结也有两股电流通过集电结也有两股电流InC和和ICB0，集电结电流集电结电流 IC=InC+ICB0 通过基极有三股电流，即通过基极有三股电流，即IpE、IVR和和ICB0，因，因而而 基极电流基极电流 IB=IpE+IVR-ICB0 根据电流的连续性，应有根据电流的连续性，应有 IE=IB+IC第26页，共88页。半导
18、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 对于对于NPN晶体管，电子电流是主要成分晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通过发射区到达发射结，电子从发射极出发，通过发射区到达发射结，由由发射结发射发射结发射到基区，再由基区运到集电结边界，到基区，再由基区运到集电结边界，然后由然后由集电结收集集电结收集，流过集电区到达集电极，成为，流过集电区到达集电极，成为集电极电流。集电极电流。电子电流在传输过程中有电子电流在传输过程中有两次损失两次损失：在发射区，与从基区注入过来的空穴复合损失；在发射区，与从基区注入过来的空穴复合损失；在基区体内的复合损失。因
19、此，在基区体内的复合损失。因此，InCInEIE晶体管内部载流子的传输过程晶体管内部载流子的传输过程第27页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。IBE进入进入P区的电子少区的电子少部分与基区的空穴部分与基区的空穴复合，形成电流复合，形成电流IBE ，多数扩散到，多数扩散到集电结。集电结。发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。第28页，共88页。半导体器件
20、物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理BECNNPEBRBECIE集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE从基区扩散从基区扩散来的电子作来的电子作为集电结的为集电结的少子，漂移少子，漂移进入集电结进入集电结而被收集，而被收集，形成形成ICE。第29页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理IB=IBE-ICBO IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE第30页，共88页。半
21、导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII第31页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理直流电流放大系数直流电流放大系数共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 集电极输出电流与发射极输入电流之比集电极输出电流与发射极输入电流之比第32页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半
22、导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第33页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第34页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理基区输运系数基区输运系数*晶体管的发射效率晶体管的发射效率注入基区的电子电流注入基区的电子电流与发射极电流的比值与发射极电流的比值到达集电结的电子电流到达集电结的电子电流与进入基区的电子电流之比与进入基区的电子电流之比如电子在基区输运过程中如电子在基区输运过程中复合损失很少，则复合损失很少，则InCInE，*1。nEVRnEVRnEnEnC*II1I
23、IIII第35页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 减小基区体内复合电流减小基区体内复合电流IVR是提高是提高*的有效途径，而减小的有效途径，而减小IVR的主要措施是减薄基区宽度的主要措施是减薄基区宽度WB，使基区宽度远小于少子在，使基区宽度远小于少子在基区的扩散长度基区的扩散长度LnB，即，即WB远小于远小于LnB。所以，所以，在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度，从而，从而得到合适的电流放大系数。若基区太宽，甚至比基区少子扩得到合适的电流放大系数。若基区太宽，甚至比基区少子扩散长度大得多，则晶
24、体管相当于两个背靠背的二极管。发射散长度大得多，则晶体管相当于两个背靠背的二极管。发射结相当于一只正向偏压二极管，集电结相当于一只反向偏压结相当于一只正向偏压二极管，集电结相当于一只反向偏压二极管，互不相干。这样，晶体管就失去放大电流、电压的二极管，互不相干。这样，晶体管就失去放大电流、电压的能力。能力。nEVRnEVRnEnEnC*II1IIIII第36页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数因为因为IE=IB+IC 当当=20时，由上式可以算得时，由上式可以算得=0.95；=200时，
25、时，=0.995。所以，一般晶体管。所以，一般晶体管的的很接近于很接近于1。第37页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶体管的放大作用晶体管的放大作用 晶体管在晶体管在共射极共射极运用时，运用时，IC=IB。由于。由于远大于远大于1，输入端电流，输入端电流IB的微小变化，将引起输出端电流的微小变化，将引起输出端电流IC较较大的变化，因此具有大的变化，因此具有放大电流放大电流的能力。的能力。在在共基极共基极运用时，运用时，IC=IE。由于。由于接近于接近于1，当输，当输入端电流入端电流IE变化变化IE时，引起输出端电流时，引起输出端电
26、流IC的变化的变化量量IC小于等于小于等于IE。所以起不到电流放大作用。但。所以起不到电流放大作用。但是可以进行是可以进行电压和功率的放大电压和功率的放大。第38页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶体管具有放大能力，必须具有下面条件晶体管具有放大能力，必须具有下面条件（1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，即即NE远大于远大于NB，以保证发射效率，以保证发射效率1；（2）基区宽度）基区宽度WB远小于远小于LnB，保证基区输运系数保证基区输运系数*1；（3）发射结必须正偏，使）发射结必须正偏，
27、使re很小；很小；集电结反偏，使集电结反偏，使rc很大，很大，rc远大于远大于re。第39页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线 晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管各晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管各电极电流与电压间的关系，反映晶体管内部所电极电流与电压间的关系，反映晶体管内部所发生的物理过程，以及晶体管各直流参数的优发生的物理过程，以及晶体管各直流参数的优劣。劣。所以，在生产过程中常用特性曲线来判断晶所以，在生产过程中常用特性曲线来判断晶体管的质量好坏。体管的质量好坏。晶体管的接法不同，其特性曲线也
28、各不相晶体管的接法不同，其特性曲线也各不相同。同。第40页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理共基极输入特性曲线共基极输入特性曲线 输出电压输出电压VCB一定一定时，输入电流与输入时，输入电流与输入电压的关系曲线，即电压的关系曲线，即IEVBE关系曲线关系曲线第41页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第42页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 由于发射结正向偏置，所以，由于发射结正向偏置，所以，IEVBE输入特性
29、实际输入特性实际上就是上就是正向正向P-N结的特性结的特性，因而，因而IE随随VBE指数增大。指数增大。但它与单独但它与单独P-N结间存在结间存在差别差别，这是由于集电结反，这是由于集电结反向偏置向偏置VCB影响的结果。若影响的结果。若VCB增大，则集电结的势垒变宽，增大，则集电结的势垒变宽，势垒区向基区扩展，这样就使有效基区宽度随势垒区向基区扩展，这样就使有效基区宽度随VCB增加而增加而减小（这种现象称为基区宽变效应）。由于减小（这种现象称为基区宽变效应）。由于WB减小，使减小，使少子在基区的浓度梯度增加，从而引起发射区向基区注入的少子在基区的浓度梯度增加，从而引起发射区向基区注入的电子电流
30、电子电流InE增加，因而发射极电流增加，因而发射极电流IE就增大。就增大。所以，所以，输入特性曲线随输入特性曲线随VCB增大而左移增大而左移。第43页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理共射极输入特性曲线共射极输入特性曲线 在输出电压在输出电压VCE一定时，输入一定时，输入端电流端电流IB与输入与输入端电压端电压VBE的关系的关系曲线，即曲线，即IBVBE曲线。曲线。第44页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第45页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导
31、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第46页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 综上所述可知，通过发射结有两股电流，综上所述可知，通过发射结有两股电流，即即InE和和IPe，所以，所以，发射极电流发射极电流 IE=InE+IpE 通过集电结也有两股电流通过集电结也有两股电流InC和和ICB0，集电结电流集电结电流 IC=InC+ICB0 通过基极有三股电流，即通过基极有三股电流，即IpE、IVR和和ICB0，因而因而 基极电流基极电流 IB=IpE+IVR-ICB0 根据电流的连续性，应有根据电流的连续性，应有 IE=IB+IC第
32、47页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 由于发射结正偏，如将输出端短路，由于发射结正偏，如将输出端短路，VCE=0时，就相时，就相当于将发射结与集电结两个正向当于将发射结与集电结两个正向P-N结并联。结并联。所以，输入特性曲线与正向所以，输入特性曲线与正向P-N结伏安特性相结伏安特性相似。似。当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，区内载流子的复合损失减少，IB也就减少。所以，也就减少。所以，特特性曲线随性曲线随VCE的增加而右移的增加而右移。而且，当而且，当VBE
33、=0时，时，IpE和和IVR都等于零，故都等于零，故IB=-ICBO。因而。因而在在VBE=0处，特性曲线下移至处，特性曲线下移至ICBO。第48页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理共基极输出特性曲线共基极输出特性曲线输出端电流随输输出端电流随输出电压变化的关出电压变化的关系曲线，即系曲线，即ICVCB关系曲线。关系曲线。第49页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 当当IE=0，即发射结不发射载流子时，输出电流，即发射结不发射载流子时，输出电流IC=ICBO，这时的输出特
34、性就是集电结的反向特性，即图中最靠近水平这时的输出特性就是集电结的反向特性，即图中最靠近水平坐标而且基本上平行于坐标轴的曲线。坐标而且基本上平行于坐标轴的曲线。当当IE0时，随着时，随着IE的增加，的增加，IC按按IE的规律增大。若的规律增大。若IE取不同的数值，就得到一组基本上互相平行的取不同的数值，就得到一组基本上互相平行的ICVCB关关系曲线，这就是共基极输出特性曲线。系曲线，这就是共基极输出特性曲线。第50页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理共射极输出特性曲线共射极输出特性曲线ICVCE关系曲线关系曲线第51页，共88页。半
35、导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 当当IB=0（基极开路）时，（基极开路）时，IC=ICEO。这是因为共射极电路。这是因为共射极电路的输出电压为的输出电压为VCE，这个电压虽然主要降落在集电结上，使集，这个电压虽然主要降落在集电结上，使集电结反偏，但也有一小部分电压降落在发射结上，使发射结电结反偏，但也有一小部分电压降落在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当正偏。因此共射极电路中，当IB=0时，时，IE并不为零，这部分并不为零，这部分发射极电流输运到集电极上，使输出电流发射极电流输运到集电极上，使输出电流ICE0比比ICB0大，大，这就
36、是图中下面的第一条曲线。这就是图中下面的第一条曲线。当当IB0时，随着时，随着IB的增加，的增加，IC就按就按IB的规律增加。的规律增加。IB取不同的数值，取不同的数值，IBVCE关系就得到一组曲线。关系就得到一组曲线。第52页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理3.平面晶体管的电流放大系数及影响电流放大系数的因素平面晶体管的电流放大系数及影响电流放大系数的因素平面晶体管的自建电场平面晶体管的自建电场 dxxdNxN1qTkEbb0 基区中某一处的自基区中某一处的自建电场的大小与该处的建电场的大小与该处的杂质浓度梯度成正比，杂质浓度梯
37、度成正比，与该处的杂质浓度成反与该处的杂质浓度成反比。比。第53页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理平面晶体管的电流密度平面晶体管的电流密度平面晶体管的发射效率平面晶体管的发射效率jebbebexW11RR11第54页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 R 发射区方块电阻；发射区方块电阻；R基区方块电阻基区方块电阻方块电阻：正方形片状材料的一边到对边所测得的欧姆方块电阻：正方形片状材料的一边到对边所测得的欧姆电阻，可由四探针直接测得。电阻，可由四探针直接测得。bbbbbW
38、WxRjeejeeneexxNq1R第55页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理平面晶体管的基区输运系数平面晶体管的基区输运系数2nb2bnbnb2b*4LW1D4W1第56页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理平面晶体管的电流放大系数平面晶体管的电流放大系数2nb2bjebbe*4LW1xW111第57页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理影响电流放大系数的因素影响电流放大系数的因素（1）发射结势垒复合对电流放大系
39、数的影响）发射结势垒复合对电流放大系数的影响 当考虑发射结势垒复合电流当考虑发射结势垒复合电流Irg以后，发射极电以后，发射极电 流就由流就由三部分组成，三部分组成，Ie=Ine+Ipe+Irg。显然，。显然，Irg的存在会导致发射效率的存在会导致发射效率的降低，注入较小时此现象尤为显著。可以通过的降低，注入较小时此现象尤为显著。可以通过适当减小基区适当减小基区杂质浓度和基区宽度杂质浓度和基区宽度的方法来减小的方法来减小Irg的影响。的影响。（2）基区表面复合对电流放大系数的影响）基区表面复合对电流放大系数的影响 当考虑当考虑基区表面复合基区表面复合电流电流Isb时，时，会导致基区输运会导致基
40、区输运系数的降低系数的降低。第58页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第59页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理3.3 晶体管的反向电流晶体管的反向电流 晶体管的反向电流是晶体管的重要参数晶体管的反向电流是晶体管的重要参数之一，它包括之一，它包括ICB0，IEB0和和ICE0。反向电流过大的反向电流过大的危害危害：降低成品率降低成品率（反向电流不受输入电（反向电流不受输入电流控制，对放大作用无贡献，而且消耗流控制，对放大作用无贡献，而且消耗电源功率使晶体管发热，影响晶体管
41、工电源功率使晶体管发热，影响晶体管工作的稳定性，甚至烧毁作的稳定性，甚至烧毁）所以，希望所以，希望反向电流越小越好反向电流越小越好。第60页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 ICB0当当发射极开路（发射极开路（IE=0）时，时，集电极集电极-基极的反向电流基极的反向电流第61页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理反向电流反向电流少子电流少子电流多子电流多子电流 集电结加反偏集电结加反偏势垒区两边的少子密度势垒区两边的少子密度平衡时的少子密度平衡时的少子密度基区中的少子基区
42、中的少子（电子）及集电区中的少子（空穴）都（电子）及集电区中的少子（空穴）都向结区扩散向结区扩散少子电流少子电流体内复合中心和界面态复合中心体内复合中心和界面态复合中心多子多子电流电流第62页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理锗锗晶体管的反向电流：反向扩散电流晶体管的反向电流：反向扩散电流（少子电流）（少子电流）硅硅晶体管的反向电流：势垒区的产生电流（因为势垒区的产生电晶体管的反向电流：势垒区的产生电流（因为势垒区的产生电流是由势垒区中的复合中心提供的）流是由势垒区中的复合中心提供的）多子电流多子电流mCiCB0 x2nAqIXmC
43、：集电结势垒区宽度：集电结势垒区宽度：晶体管的发：晶体管的发射效率射效率 pc0ncpcb0pbnbCB0LpqD1WnqDAI第63页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 IEB0 集电极开路（集电极开路（IC=0）时，时，发射极发射极-基极的反向电流基极的反向电流 第64页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理锗锗晶体管晶体管 硅硅晶体管的晶体管的IEB0完全与完全与ICB0类似类似 pe0nepeIb0pbnbEB0LpqD1WnqDAImEiEB0 x2nAqII：晶体
44、管反向工作时的发射效率：晶体管反向工作时的发射效率XmE:发射结势垒区宽度发射结势垒区宽度第65页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理注意注意 晶体管的反向扩散电流和势垒区的产生晶体管的反向扩散电流和势垒区的产生电流是很小的。电流是很小的。引起反向电流过大的原因往往是引起反向电流过大的原因往往是表面漏电流表面漏电流太大。太大。因此，在生产过程中，搞好因此，在生产过程中，搞好表面清洁处理表面清洁处理及及工艺规范工艺规范是减小反向电流的关键。是减小反向电流的关键。第66页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理
45、半导体器件物理半导体器件物理ICE0基极开路（基极开路（IB=0）时，时，集电极集电极-发射极之间反向电流发射极之间反向电流第67页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 ：共射极电流放大系数：共射极电流放大系数 说明说明 要减小要减小ICE0，必须减小，必须减小ICB0。电流放大系数电流放大系数不要追求过高不要追求过高 （因为（因为ICE0太大，会影响晶体管工作的稳定性）太大，会影响晶体管工作的稳定性）CB0CB0CEOI)1(1II第68页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物
46、理3.4 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压 晶体管的击穿电压是晶体管的晶体管的击穿电压是晶体管的 另一个重要参数另一个重要参数 晶体管承受电压的上限晶体管承受电压的上限 击穿电压有击穿电压有 BVEB0 BVCB0 BVCE0 第69页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 BVEB0和和BVCB0 BVEB0：集电极开路时，发射极与基极间的击穿：集电极开路时，发射极与基极间的击穿电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。对于平面管，由于发射结由两次扩散形成，在对于平面管，由于发射结由两次扩散形成，在表面处结两
47、边杂质浓度最高，因而雪崩击穿电压在表面处结两边杂质浓度最高，因而雪崩击穿电压在结侧面最低，结侧面最低，BVEB0由基区扩散层表面杂质浓度由基区扩散层表面杂质浓度NBs决定，所以决定，所以BVEB0只有几伏。只有几伏。第70页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 硬击穿硬击穿（图中曲线（图中曲线甲甲）：）：BVCB0：集电结的雪崩击穿：集电结的雪崩击穿电压电压VB 软击穿软击穿（图中曲线（图中曲线乙乙）：）：BVCB0比比VB低低 BVCB0：发射极开路时，集电极与基极间的击穿：发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压，一般为集电结的雪崩
48、击穿电压。电压，一般为集电结的雪崩击穿电压。第71页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理BVCE0BVCE0 基极开路时，集电极与发射极基极开路时，集电极与发射极 之间的击穿电压。之间的击穿电压。BVCE0与与BVCB0之间满足以下关系之间满足以下关系 n：常数：常数 集电结低掺杂区为集电结低掺杂区为N型时，硅管型时，硅管n=4，锗管，锗管n=3 集电结低掺杂区为集电结低掺杂区为P型时，硅管型时，硅管n=2，锗管，锗管n=6 因为因为大于大于1，所以，所以，BVCE0 BVCB0。nCB0CE01BVBV第72页，共88页。半导体器件
49、物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理BVCE0测试的电路图测试的电路图 第73页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 测试时经常可以看到如图所示的测试时经常可以看到如图所示的负阻击穿现象负阻击穿现象。（当（当VC达到达到BVCE0时发生击穿，击穿后电流上升，电压却反而降时发生击穿，击穿后电流上升，电压却反而降低。）低。）谷值电压谷值电压VSUS维持电压维持电压第74页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理发射结电流集边效应发射结电流集边效应
50、 当电流流过基区时，当电流流过基区时，将产生平行于结面将产生平行于结面的横向压降，使发的横向压降，使发射结偏压从边缘到射结偏压从边缘到中心逐渐减小，从中心逐渐减小，从而导致发射极电流而导致发射极电流从边缘到中心逐渐从边缘到中心逐渐减小。减小。3.5 晶体管的基极电阻晶体管的基极电阻第75页，共88页。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 在在直流直流运用中，对晶体管基本上没有影响。运用中，对晶体管基本上没有影响。在在交流交流运用中，基极电阻将产生电压反馈，因而影运用中，基极电阻将产生电压反馈，因而影响晶体管的响晶体管的功率特性功率特性和和频率特性
