中国科学技术大学物理系：《半导体器件原理》课程教学资源（PPT课件）第三章 双极型晶体管

中国科学技术大学物理系微电子专业 第三章:双极型晶体管 §3.1基本原理 §3,2直流IⅣ特性 §3.3晶体管模型 §3.4频率特性 §3.5击穿特性 §3.6功率特性 §3.7开关特性 §3.8晶体管的设计 §3.9异质结晶体管HBT Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 第三章： 双极型晶体管 §3.1 基本原理 §3.2 直流IV特性 §3.3 晶体管模型 §3.4 频率特性 §3.5 击穿特性 §3.6 功率特性 §3.7 开关特性 §3.8 晶体管的设计 §3.9 异质结晶体管HBT 2021/1/26 1 Semiconductor Devices

中国科学技术大学物理系微电子专业 简 晶体管(晶体三极管,三极管): Transistor 双极型晶体管: Bipolar Junction Transistor 双极型器件是由电子和空穴两种载流子都参 与导电的半导体器件,因此称为双极型。 从PN结理论的讨论中已知电流输运是由电子 和空穴两种载流子组成的,故由PN结组成的 晶体管又称作双极晶体管。双极晶体管是最 重要的半导体器件之一。 1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明 Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 2 Semiconductor Devices 简介 • 晶体管（晶体三极管，三极管）： Transistor • 双极型晶体管：Bipolar Junction Transistor • 双极型器件是由电子和空穴两种载流子都参 与导电的半导体器件，因此称为双极型。 • 从PN结理论的讨论中已知电流输运是由电子 和空穴两种载流子组成的，故由PN结组成的 晶体管又称作双极晶体管。双极晶体管是最 重要的半导体器件之一。 • 1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明

中国科学技术大学物理系微电子专业 双极型晶体管 1947年12月23日,第一个基于锗半导体的具有放 大功能的点接触式晶体管面世,标志着现代半导 体产业的诞生和信息时代正式开启。 点接触式晶体管 把间距为50m的两 个金电极压在锗半 导体上,微小的电 信号由一个金电极 (发射极)进入锗半 导体(基极)并被显 著放大,然后通过 另一个金电极(集电 极)输出,这个器件 在1kHz的增益为45 Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 3 Semiconductor Devices 双极型晶体管 1947年12月23日，第一个基于锗半导体的具有放 大功能的点接触式晶体管面世，标志着现代半导 体产业的诞生和信息时代正式开启。 点接触式晶体管： 把间距为50 μm的两 个金电极压在锗半 导体上，微小的电 信号由一个金电极 (发射极) 进入锗半 导体 (基极) 并被显 著放大，然后通过 另一个金电极 (集电 极) 输出，这个器件 在1kHz的增益为4.5

中国科学技术大学物理系微电子专业 1945年,贝尔实验室开始对包括硅和锗在内的几种新材 料进行研究,探索其潜在应用前景。一个专门的“半导体 小组”成立了威廉肖克利( William Shockley)(中)担任 组长,成员包括约翰·巴丁( John bardeen)(左)和沃尔 特布拉顿( Walter brattain)(右)。因为晶体管的发明 共同获得了1956年的诺卧尔物理学奖 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 4 Semiconductor Devices 1945 年，贝尔实验室开始对包括硅和锗在内的几种新材 料进行研究，探索其潜在应用前景。一个专门的“半导体 小组”成立了威廉·肖克利 (William Shockley)（中） 担任 组长，成员包括约翰·巴丁 (John Bardeen)（左） 和沃尔 特·布拉顿 (Walter Brattain)（右）。因为晶体管的发明， 共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖

中国科学技术大学物理系微电子专业 双极型晶体管 晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”,它的出现为集成 电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。 在晶体管诞生之前,放大电信号主要是通过电子管(真空 三极管),但由于制作困难、体积大、耗能高且使用寿命 短,人们一直希望能够用固态器件来替换它。 20世纪五六十年代,肖克利在推动晶体管商业化的同时, 造就了如今加州电子工业密布的硅谷地区。晶体管的发明 是物理理论研究、半导体材料技术和科学研究取得重大突 破后的必然结果。 现如今,从播放音乐、合成语音、存储数据、数码摄影 GPS定位到传输和处理互联网上的海量数据,我们的日常 生活中器件和芯片已经成为不可或缺的产品。 Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 5 Semiconductor Devices 双极型晶体管 晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”，它的出现为集成 电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。 在晶体管诞生之前，放大电信号主要是通过电子管 (真空 三极管)，但由于制作困难、体积大、耗能高且使用寿命 短，人们一直希望能够用固态器件来替换它。 20世纪五六十年代，肖克利在推动晶体管商业化的同时， 造就了如今加州电子工业密布的硅谷地区。晶体管的发明 是物理理论研究、半导体材料技术和科学研究取得重大突 破后的必然结果。 现如今，从播放音乐、合成语音、存储数据、数码摄影、 GPS定位到传输和处理互联网上的海量数据，我们的日常 生活中器件和芯片已经成为不可或缺的产品

中国科学技术大学物理系微电子专业 P-base-difusion SiO I sio p-type n-type substrate n-type substrate E B 微电子平面工艺 Sio, n ( Fairchild仙童公司发明 1950s) n-type substrate Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 6 Semiconductor Devices 微电子平面工艺 （Fairchild仙童公司发明 1950s）

中国科学技术大学物理系微电子专业 §3.1晶体管的基本原理 基本结构及其杂质分布 基本结构 由两个PN结共用一个基区组成的。 在两个结中,一个叫发射结,一个叫集电 结。中间区域就叫基区,而另两个区与结 相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子,分别称作发射极 基极和集电极。 Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 7 Semiconductor Devices §3.1 晶体管的基本原理 1、基本结构及其杂质分布 • 基本结构 由两个P-N结共用一个基区组成的。 在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电 结。中间区域就叫基区，而另两个区与结 相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子，分别称作发射极， 基极和集电极

中国科学技术大学物理系微电子专业 双极型晶体管类型 E B B B B Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 8 Semiconductor Devices 双极型晶体管类型 n + p n p + n p

中国科学技术大学物理系微电子专业 晶体管工艺与杂质分布 (a)合金管 杂质分布特点:三个区内杂质均匀分布, 发射结、集电结为突变结 (b)双扩散管 杂质分布特点:基区为缓变杂质分布,发 射区杂质分布也缓变 (c)全离子注入管 杂质分布特点:三个区内杂质均匀分布, 发射结、集电结为突变结 Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 9 Semiconductor Devices • 晶体管工艺与杂质分布 (a)合金管 杂质分布特点：三个区内杂质均匀分布， 发射结、集电结为突变结. (b)双扩散管 杂质分布特点：基区为缓变杂质分布，发 射区杂质分布也缓变。 (c) 全离子注入管 杂质分布特点：三个区内杂质均匀分布， 发射结、集电结为突变结

中国科学技术大学物理系微电子专业 分类 晶体管内部,载流子在基区的传输过程是决 定晶体管的增益、频率特性等性能参数的重 要指标。在基区宽度确定后,基区杂质分布 是影响基区输运过程的关键因素,一般可以 分为两大类: (a)均匀基区晶体管,传输机构以扩散为主,如 合金管和全离子注入管。传输以扩散为主。 (b)缓变基区晶体管。如各种扩散管。由于基区 中存在自建电场,以漂移为主, Semiconductor Devices 2021/1/26

中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/1/26 10 Semiconductor Devices • 分类 晶体管内部，载流子在基区的传输过程是决 定晶体管的增益、频率特性等性能参数的重 要指标。在基区宽度确定后，基区杂质分布 是影响基区输运过程的关键因素，一般可以 分为两大类： (a)均匀基区晶体管，传输机构以扩散为主，如 合金管和全离子注入管。传输以扩散为主。 (b)缓变基区晶体管。如各种扩散管。由于基区 中存在自建电场，以漂移为主