[信息与通信]半导体器件物理第五章_59230712.pdf

J.Hsu 微电子学研究所 微电子与纳电子学系 半导体器件 物理进展 第五章双极型晶体管的优化设计及 性能因子 Bipolar Device Design Optimization and Performance Factors J.Hsu 微电子学研究所 微电子与纳电子学系 本章内容提要： 双极型晶体管（BJT ）基础 双极型器件的设计优化 双极型器件的等效电路及其性能因子 SiGe HBT 的原理与优势 双极型器件与CMOS器件之对比 J.Hsu 微电子学研究所 微电子与纳电子学系 1. 双极型晶体管（BJT ）基础 尽管CMOS器件目前在各类微电子产品中已经占 据了绝对优势，但是双极型晶体管仍然没有完全退出 历史舞台，原因在于其固有的超高速特性和优越的模 拟信号处理能力。双极型晶体管可分为NPN型和PNP 型两大类，前者是N型掺杂的发射区和收集区之间夹 着一个P型掺杂的基区，后者则是P型掺杂的发射区 和收集区之间夹着一个N型掺杂的基区。 双极型晶体管有两种常用的器件结构，一种是横 向器件结构，另一种是纵向器件结构。目前在各种实 际的超高速双极型集成电路中使用的BJT器件无一例 外都是纵向NPN型双极晶体管。我们在本章中也以这 种类型的双极型器件为例来进行分析讨论。 J.Hsu 微电子学研究所 微电子与纳电子学系 双极型晶体管的组成结构、偏置条件及能带示意图： 右图所示为双 极型晶体管处 于正常放大工 作时的偏置条 件及其能带示 意图，从图中 可见，在器件 发射结正偏条 件下，电子由 发射区注入到 基区，而空穴 由基区反向注 入到发射区。 J.Hsu 微电子学研究所 微电子与纳电子学系 那些由发射区注入到基区中的电子，其中在基区 中没有被复合掉的部分，最终将被反偏的收集结所收 集，形成收集极电流IC ；由基区注入到发射区的空穴 最终将在发射区内部或其欧姆接触电极处被复合掉， 这个空穴电流构成了基极电流IB 的主要成份。双极型 晶体管的电流增益 β定义为： I C β I B 下页图中曲线所示为双极型晶体管收集极电流IC 及基极电流I 随发射结电压V 的变化关系，该曲线 B BE 通常称为Gummel曲线，从图中可见，随着发射结电 压V 的增大，器件的收集极电流I 和基极电流I 均 BE