半导体器件物理第五章施敏第二版省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第5章 双极型晶体管及相关器件n5.1 晶体管工作原理n5.2 双极型晶体管静态特征n5.3 双极型晶体管频率响应与开关特征n5.4 异质结双极型晶体管n5.5 可控硅器件及相关功率器件第1页相关主题1双极型晶体管电流增益工作模式2双极型晶体管截止频率与开关时间3异质结晶体管优点4可控硅器件与相关双极型器件功率处理能力第2页5.1 晶体管工作原理晶体管概念：是一个多重结半导体器件三段不一样掺杂浓度区域，形成两个p-n结，浓度最高p+区称为发射区，中间较窄n区域，称为基区，浓度最小p型区域称为集电区。第3页 晶体管创造n理论推进n19世纪末20世纪初发觉半导体三个主要物理效应n光电导效应n光生伏特效应n整流效应n量子力学n材料科学n需求牵引：二战期间雷达等武器需求第4页晶体管创造n n1946年1月，Bell试验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattainn nBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器基本构想，Brattain设计了试验n n1947年12月23日，第一次观察到了含有放大作用晶体管第5页晶体管三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿第6页晶体管三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管三位创造人：巴丁、肖克莱、布拉顿第一个点接触式第一个点接触式NPN Ge晶体管晶体管(transistor)Bardeen,Brattain,and Schockley获获1956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖第7页VEC+-基区n集电区p发射区p+VEBVCBBCE-+-VECIEICECBVEBVBC+-IB理想p-n-p双极型晶体管p-n-p双极型晶体管发射区-VCE+BCEVEBVBC+n+基区p集电区nIEICVCE+-ECB+-IBVBEVCB理想n-p-n双极型晶体管n-p-n双极型晶体管第8页5.1.1 工作在放大模式 由邻近射基极注射过来电子可在反向偏压集基极造成大电流，这就是晶体管放大作用，而且，只有当此两结彼此足够靠近时才会发生，此两结被称为交互 p-n结第9页双极集成电路中元件形成过程和元件结构双极集成电路中元件形成过程和元件结构n B E Cn经典数字集成电路中NPN晶体管剖面图p+p+n+n-pn+n+p-SiO2Buried Layer Metalpn-Isolationpn-Isolation第10页n集电结外延，发射结离子注入第11页5.1.2 电流增益IEIC发射区（p+）基区（n）集电区（p）IEPICPIEnIBBICnIB空穴电流和穴电流电子电流电子流第12页IE=IEP+IEn IC=ICP+IcnIB=IE-IC=IEn+（IEP-ICP）-ICn共基电流增益发射效率第13页基区输运系数综上：所以第14页5.2 双极型晶体管静态特征五点假设：晶体管各区域浓度为均匀掺杂；基区中空穴漂移电流和集基极反向饱和 电流能够忽略；载流子注入属于小注入；耗尽区无产生-复合电流；晶体管中无串联电阻。第15页各区域少数载流子分布p-n-p发射区p+基区n集电区pnEOnE(x)-xE0W XCQBPn(x)Pn(0)nconc(x)PnoQB第16页n基极区域n发射极和集电极c第17页发射极电流第18页集电极电流第19页基极电流 第20页结极性与少数载流子分布EBCnPpnnP0W放大EBCnP0WPnnP饱和EBC0WnpPnnp截止EBCnP0Wpnnp反转第21页工作模式n放大模式 射基结正，集基结反n饱和模式 两结都正向偏压n截止模式 两结都反向偏压n反转模式 射基结反，集基结正第22页各模式下普通表示式第23页共基组态输出I-V特征p+npEIE+-BIBVEB+-VCBE B CIC P-n-p共基组态C 饱和截止ICBO放大IE=6mABVCBO输出电流电压特征第24页共射组态第25页共射组态输出电流-电压特征BE-+VEBIBPnPCBEIEICCEVBE饱和VCB=0IB=25uA截止BVCEOICEOIV第26页厄雷效应VA IBICVCE厄雷电压又称为基区宽度调制效应第27页5.3 频率响应与开关特征高频等效电路第28页截止频率共基电流增益共射电流增益特征频率第29页IP=qv（x）p（x）A第30页开关暂态过程VEBVSt0RSVEBIEIBICRLVCC-+PnP+晶体管开关电路第31页IB0t2QB（t2）QSO t1 ta t2t3tICIC（t1）0t1tat2t3ts基区Pn（x）t2tat1，t3QSt=00w第32页5.4 异质结双极型晶体管 异质结双极型晶体管是指晶体管中一或两个结由不一样半导体材料组成，主要优点是发射效率高，含有较高速度(NE/NB)exp(Eg/kT)第33页5.5 可控硅器件P1n1P2n2J1J2J3aX=0X=wb第34页J1，J2，J3三个p-n结与接触电极相连最外层p层称阳极，另一边n层称为阴极。这个没有额外电极结构是个两端点器件，被称为p-n-p-n二极管，若另一个称为栅极电极被连到内层p层，所组成三端点器件普通称为半导体控制整流器可控硅器件第35页电流电压特征VBR 反向阻断正向导通VBFVAX1IhISVh32正向阻断45第36页双晶体管示意图p1n1p2Cn1p2n2IB1=IC2IC1=IB2EBCBE+-R第37页双向可控硅器件双向可控硅器件是一个在正或负阳极电压下都可开或关器件，双向p-n-p-n二极管双向交流开关一双向三端点可控硅器件称为三极交流开关第38页可控硅器件形式n传统可控硅器件n非对称可控硅器件n栅极关闭可控硅器件n光感应可控硅器件第39页可控硅器件应用nHVDCn马达驱动n电源供给nSMPS高频功率转换n照明超声波发生器第40页