1、精選優質文檔-傾情為你奉上半一復習筆記By 瀟然2018.1.121.1平衡PN結的定性分析1. pn結定義：在一塊完整的半導體晶片（Si、Ge、GaAs等）上，用適當的摻雜工藝使其一邊形成n型半導體，另一邊形成p型半導體，則在兩種半導體的交界面附近就形成了pn結2. 緩變結：雜質濃度從p區到n區是逐漸變化的，通常稱為緩變結3. 內建電場：空間電荷區中的這些電荷產生了從n區指向p區，即從正電荷指向負電荷的電場4. 耗盡層：在無外電場或外激發因素時，pn結處于動態平衡，沒有電流通過，內部電場E為恒定值，這時空間電荷區內沒有載流子，故稱為耗盡層1.2 平衡PN結的定量分析1. 平衡PN結載流子濃度

2、分布2. 耗盡區近似：一般室溫條件，對于絕大多部分勢壘區，載流子濃度比起N區和P區的多數載流子濃度小的多，好像已經耗盡了，此時可忽略勢壘區的載流子，空間電荷密度就等于電離雜質濃度，即為耗盡區近似。所以空間電荷區也稱為耗盡區。在耗盡區兩側，載流子濃度維持原來濃度不變。1.4 理想PN結的伏安特性（直流）1. 理想PN結：符合以下假設條件的pn結稱為理想pn結(1) 小注入條件注入的少數載流子濃度比平衡多數載流子濃度小得多；n<n0, p<p0,(2) 突變耗盡層條件外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導體是電中性的。(3)

3、 通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產生及復合作用；(4) 玻耳茲曼邊界條件在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統計分布。2. 理想pn結模型的電流電壓方程式（肖特來方程式）：1.5 產生-復合電流1. 反偏PN結的產生電流2. 正偏PN結的復合電流1.6 理想PN結交流小信號特性1. 擴散電阻2. 擴散電容1.7 勢壘電容在考慮正偏時耗盡層近似不適用的情況下，大致認為正偏時勢壘電容為零偏時的四倍，即1.8 擴散電容定義：正偏PN結內由于少子存儲效應而形成的電容1.9 PN結的瞬態1.10 PN結擊穿1. 雪崩擊穿(1) 定義：在反向偏壓下，流過pn結的反向電流，主要是由

4、p區擴散到勢壘區中的電子電流和由n區擴散到勢壘區中的空穴電流所組成。當反向偏壓很大時，勢壘區中的電場很強，在勢壘區內的電子和空穴受到強電場的漂移作角，具有很大的動能，它們與勢壘區內的晶格原子發生碰撞時，能把價鍵上的電子碰撞出來，成為導電電子，同時產生一個空穴。(2) 擊穿電壓，與NB成反比，意味著摻雜越重，越容易擊穿；(3) 臨界電場(4) 特點(5) 提高雪崩擊穿電壓的方法2. 齊納擊穿(1) 定義：隧道擊穿是在強電場作用下，由隧道效應，使大量電子從價帶穿過禁帶而進入到導帶所引起的一種擊穿現象。(2) 特點(3) 注意事項（幫助理解） 隧道擊穿時要求一定的NVA 值，它既可以是N小VA大；也

5、可以是N大VA 小。前者即雜質濃度較低時，必須加大的反向偏壓才能發生隧道擊穿。但是在雜質濃度較低，反向偏壓大時，勢壘寬度增大，隧道長度會變長，不利于隧道擊穿，但是卻有利于雪崩倍增效應，所以在一般雜質濃度下，雪崩擊穿機構是主要的。而后者即雜質濃度高時，反向偏壓不高的情況下就能發生隧道擊穿，由于勢壘區寬度小，不利于雪崩倍增效應，所以在重摻雜的情況下，隧道擊穿機構變為主要的。附：二極管模型與模型參數2.1 BJT直流特性-定性分析 2.2 BJT直流特性-定量分析 1. 基礎關系 In（X1）=In（X2），In（X3）=In（X4），耗盡區不考慮復合； IE=In（X2）+Ip（X1），即發射極電

6、流等于EB電子的擴散電流與BE空穴的擴散電流之和；此處可推導0 In（X2）=In（X3）+IvB，即EB電子的擴散電流，等于進入C的電子的漂移電流與在B區因電子復合產生的復合電流之和；此處可推導T02. 發射結的發射效率0對于NPN型晶體管，0定義為注入基區的電子電流與發射極總電流之比，即有（定義）代入Ip（X1）（B區空穴注入E區擴散電流）以及In（X2）（E區電子注入B區電子電流），得下式3. 基區輸運系數T0對于NPN晶體管，定義為到達集電結邊界X3的電子電流In(X3)與注入基區的電子電流In(X2)之比，即有（定義）代入復合電流與EB電子的擴散電流，再利用擴散系數與擴散長度的關系消

7、去壽命2.3 非均勻基區晶體管的直流電放大系數 1. 形成過程：以NPN晶體管為例，在B區內，人為令靠近E區的部分摻雜濃度高，靠近C區的部分摻雜濃度低產生濃度差，多子空穴從左擴散至右左邊空穴濃度低于雜質濃度，帶負電荷；右邊空穴濃度高于雜質濃度，帶正電荷產生向左的電場電場強度一直增強，直到空穴的擴散運動強度等于漂移運動強度2. 目的：少子在基區中不但有擴散運動，還有漂移運動，甚至以漂移運動為主縮短少子的基區渡越時間，有利于提高基區輸運系數與電流放大系數3. 方法：已知基區多子摻雜濃度利用基區空穴擴散電流與漂移電流大小相等，算出基區電場強度E已知基區電子電流IEn，算出B區少子電子濃度隨距離x、基

8、區漂移系數的關系式，如下圖4. 結論 同樣的InB，漂移晶體管的基區少子總數下降（少子濃度曲線下方面積即代表總數）；雜質分布越陡峭，少子總數下降越厲害 發射極注射效率0無變化，基區輸運系數T0 = 1 -W2/ (Lnb)2，當基區漂移系數為0時（即均勻正常摻雜）=2，>>1時=，故提高可以提高電流增益5. 提高電流放大系數的措施 適當增大E區Gummel數GE 適當減小NB 減小基區寬度 加強工藝控制2.4 非理想特性 (nonideal effects)1. 厄利效應（基區寬度調制效應）（Early Effect） 定義：當晶體管的集電結反向偏壓發生變化時，空間荷區寬度 Xmc

9、 也將發生變化，因而會引起有效基區寬度的相應變化，如圖所示。這種由于外加電壓引起有效基區寬度變化的現象稱為基區寬度調制效應 影響：有效基區寬度變窄，Ic增加（根據B區少子濃度曲線斜率），同時0增加 厄利電壓VA 理想情況下VA趨近于負無窮 影響因素：基區摻雜NB、基區寬度XB。降低兩者均會使0增大，而厄利效應嚴重2. Sah效應（E-B結空間電荷區復合） 定義：發射結勢壘區的復合電流IER使得IE增大，（根據定義）注射效率0降低 影響：對IE、IB均有貢獻，但對IC無貢獻，故0降低3. Webster效應（Base Conductance Modulation/基區電導調制效應）基區大注入 定

10、義、影響：當VBE 較大、注入電子時 基區中也有大量的空穴積累 (并維持與電子相同的濃度梯度), 這相當于增加了基區的摻雜濃度, 使基區電阻率下降 基區電導調制效應 IEp增大 注射效率降低，0下降 注：是引起大電流0下降的主要原因4. Kirk效應（Base Push Out/基區展寬效應）發射區大注入效應 定義：在大電流時，基區發生展寬的現象 過程是小注入，是注入的電子正好中和集電區一邊的正空間電荷 影響：a.基區存儲少子電荷增加 b.0下降 c.頻率特性變差（嚴重影響高頻特性） 措施：提高NC、設定最大Ic等5. 發射極電流集邊效應使大注入加劇 定義：發射極電流集中在發射極的邊緣 原因：

11、基極電阻引起橫向電壓 E極輸入電流密度由邊緣至中央指數下降 IE將集中在發射結邊緣附近 影響：a.使發射結邊緣處電流密度，易產生邊緣Webster效應及Kirk效應，0下降 b.局部過熱 c.影響功率特性 措施：a.采用插指結構 b.NB不能太低（降低基極電阻）6. 發射區禁帶變窄 原因：E區重摻禁帶寬度變窄 影響：發射結注入效率下降 總結：2.5 BJT頻率參數1. 截止頻率f 定義：共基極短路電流放大系數下降到低頻的3dB所對應的頻率2. 截止頻率f 定義：共發射極電流放大系數下降到低頻0的3dB時所對應的頻率3. 特征頻率 fT 定義：共發射極電流放大系數 =1 時所對應的頻率4. 最高

12、振蕩頻率fM 定義：共發射極運用時，功率增益等于 1時所對應的頻率，此時晶體管的輸出功率等于輸入功率2.6 共基極交流小信號頻率特性分析 1. 交流小信號電流傳輸過程 通過發射結 iCTe為發射結勢壘結電容分流電流 基區輸運階段 iCDe表示發射結擴散電容分流電流 集電結勢壘區渡越階段 ，為集電結勢壘區輸運系數 通過集電區階段 ，為集電區衰減因子 綜上，交流小信號相比于直流，其多了E結勢壘電容CTe的充放電電流、E結擴散電容CDe的充放電電流、集電結渡越時間中電流衰減、C結勢壘電容CTc的充放電電流 影響：使電流增益下降、使信號延遲產生相位差2. 晶體管共基極高頻等效電路3. 共基極交流電流放

13、大系數及截止頻率f的定量分析 發射區注入效率和發射結電容充電時間e =re*CTe，其中re=Vt/IE，CTe為正偏勢壘電容，故需要乘上常數 基區輸運系數T和基區渡越時間b 集電極勢壘區輸運系數dc和集電極耗盡區渡越時間d ，其中Xmc為C區空間電荷區寬度，usl為載流子極限速度 集電區衰減因子c和集電結電容充電時間c ，代表通過集電區串聯電阻rcs對勢壘電容的充放電時間常數 共基極電流放大系數及其截止頻率 2.7 共射極交流小信號頻率特性分析1. 共發射極交流電流放大系數和截止頻率f2. 特征頻率fT 定義：共射組態下電流失去放大能力的頻率 表達式 與f、f的關系3. 提高特征頻率的有效途

14、徑 減小基區寬度（b） 減小結面積（e、c的電容） 適當降低集電區電阻率及其厚度（降低rc提高c，又不至于影響擊穿電壓，使功率特性差；降低d） 兼顧功率特性和頻率特性的外延晶體管結構（npnn +）2.8 基區串聯電阻RB1. 定義：基極電流IB經基極引線經非工作基區流到工作基區所產生的壓降，當做一個電阻產生，則其為基區串聯電阻2. 影響 基區自偏壓效應導致的電流集邊效應 使輸入阻抗增大 在線路應用中形成反饋（影響晶體管的功率特性和頻率特性）2.9 發射極電流集邊效應與晶體管圖形設計1. 基區自偏壓效應定義：大電流 較大IB流過基極電阻，產生較大橫向壓降 發射結正向偏置電壓由邊緣至中心逐漸減少

15、，電流密度則由中心至邊緣逐漸增大2. 線電流密度：發射極單位周長電流容量3. 提高線電流密度措施 外延層電阻率選得低一些 直流放大系數0或fT盡量做得大些 在允許的范圍內適當提高集電結偏壓及降低基區方塊電阻2.10 BJT的擊穿電壓與外延參數確定1. 穿通 機理：隨著收集結上反偏電壓的不斷增加，收集結空間電荷區擴展至整個基區 穿通時的BC結電壓 2. 雪崩擊穿 其意為：基極開路時擊穿電壓比真實的雪崩擊穿電壓小，縮小的比例為n次開方3. 提高Vpt的方法 提高WB、NB，與提高增益矛盾 減小NC，與提高fT矛盾實際設計中令 Vpt >BV CBO，即防止C結雪崩擊穿前先發生穿通4. 外延結

16、構晶體管特點 同時滿足擊穿特性與頻率特性（N+襯底降低rC），較好解決矛盾2.11 BJT的安全工作區1. 二次擊穿 2. 措施：加入肖特基鉗位二極管2.12 BJT的開關作用1. 飽和狀態：飽和狀態又分為臨界飽和與深.飽和。集電結UBC =0的情況稱為臨界飽和；當集電結偏壓UBC> 0時成為深飽和2. 飽和深度S2.13 BJT的開關過程分析 1. 提高開關速度途徑 內部： 摻金，減少少子壽命，減少飽和時的超量存貯電荷 減小結面積，降低發射極集電極結電容 減小基區寬度，從而減小Qb，使基區少子濃度變化更快 采用外延結構，降低飽和壓降UCES 外部： 加大IB從而縮短td和tr，同時為了防止深飽和，選S=4 加大反向IB 考慮工作在臨界飽和狀態 在UCC與IB一定時，選擇較小的RL可使晶體管不進入太深的飽和狀態2. BC結并聯肖