基區(qū)寬度對ＮＰＮ ＢＪＴ中載流子濃度分布的影響

摘要：隨著市場對射頻微波電路性能要求的不斷提高，半導體器件的制作工藝受到射頻微波工程師們廣泛的關注，對于給定結構但實際上無法制作的器件，利用工程方法來獲得半導體的結構及特性，能夠達到所需的器件指標。本文是在對半導體基礎器件內部結構深入了解的情況下，證實了當基區(qū)寬度(W)遠遠小于基區(qū)少數載流子擴散長度( )的極限條件下準中性基區(qū)中載流子濃度的微擾是位置的線性函數。同時通過理論推導證明了當基區(qū)寬度(W)等于基區(qū)少數載流子擴散長度( )的條件下，準中性基區(qū)中載流子濃度的微擾近似是位置的線性函數。利用以上推導結果可以簡化晶體管參數的計算，也為改善晶體管工藝打下基礎。最后編寫了LabVIEW程序從直觀上證明了結論的正確性。

關鍵詞：基區(qū)寬度；擴散長度；線性函數；載流子濃度；NPN BJT；LabVIEW

中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)15-10000-00

The Influence of Carrier Consistency Which in NPN BJT Made by the Base Wide

LIU Lei，NAN Jing-chang

(School of Electrics and Information Engineering， Liaoning Technical University， Huludao 125105， China)

Abstract: As the requisition of market for the capability of RF and Micro Wave circuit advance ceaseless， the engineer paid attention widely on the arts and crafts of semiconductor， for some framework which has been administered that can not been got in fact， people are getting the structure and capability of semiconductor in the way of project， so that getting the target of the framework. This paper testifies that when Base Wide (W) is less than the diffusing length of minority carrier ( ) far away， the consistency of minority carrier in the Base is a linearity function. At the same time， the paper approves that when Base Wide (W) is the same length as the diffusing length of minority carrier ( ) far away， the consistency of minority carrier in the Base is also a linearity function. It can make parameter of semiconductor calculating more easily by the result above and it also founds foundation for semiconductor arts and crafts improving. Finally， a LabVIEW programme is written to testify the correctness of the conclusion.

Key words: Base wide;diffusing length;linearity function;carrier consistency;NPN BJT;LabVIEW

1 引言

BJT是包含三個鄰近區(qū)域且相鄰區(qū)域參雜類型不同的半導體器件，其中間區(qū)域與那里的少數載流子的擴散長度相比非常窄，這個較窄的中間區(qū)域為基區(qū)，外層的兩個區(qū)域為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，兩個外層區(qū)域是可以互換的。然而，在實際器件中發(fā)射區(qū)具有不同的幾何尺寸，并且一般比集電極參雜濃度要高，因此交換這兩端會使器件特性發(fā)生顯著的變化。

而基區(qū)寬度是影響B(tài)JT特性的另一重要因素。首先，基區(qū)的準中性寬度并不是與外加偏壓無關的常數，改變結電壓會改變E-B結或C-B結的耗盡區(qū)寬度，因此使W減小或擴大。因為基區(qū)的物理寬度很窄，因此耗盡區(qū)寬度即使有一個小的變化就可能造成顯著的影響。另外基區(qū)寬度變化也是共發(fā)射極輸出電流擬線性增加的主要原因[1]。因此本文對基區(qū)寬度對NPN BJT中載流子濃度分布的影響進行了推導，并編寫了LabView程序進行了驗證。圖1為平衡條件下NPN BJT中電學變量示意圖。

2 理想晶體管模型特性參數的分析

2.1 基本假設[1]

(1)器件采用NPN BJT，具有非簡并，均勻參雜的發(fā)射區(qū)，基區(qū)和集電區(qū)(E-B結和C-B結采用突變結模型)。

(2)晶體管在穩(wěn)態(tài)條件下工作。

(3)晶體管為一維的。

(4)在準中性區(qū)中滿足小注入水平。

(5)除了漂移，擴散和熱復合-產生之外，在晶體管內部沒有其他過程發(fā)生。

(6)在整個E-B和C-B耗盡區(qū)內熱復合-產生是可以忽略的。

(7)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的準中性寬度遠大于這些區(qū)域的少數載流子擴散長度。

2.2 擴散方程/邊界條件

在上述基本原理的假設下，通過求解少數載流子擴散方程就能獲得晶體管準中性區(qū)的少數載流子濃度。

邊界條件：因為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的準中性寬度遠大于這些區(qū)域的少數載流子擴散長度，所以在發(fā)射區(qū)中離E-B結較遠的位置或在集電區(qū)中離C-BΔ結較遠的位置載流子濃度的微擾(ΔnE和ΔnC)一定趨于零。按照圖2確定的坐標系統(tǒng)，概括的介紹一下不同區(qū)域需求解的方程和相應的邊界條件。

發(fā)射區(qū)

需求解的擴散方程為

LL03.tif

服從邊界條件：

LL04.tif

基區(qū)

需求解的擴散方程為

LL05.tif

服從邊界條件：

LL06.tif

集電區(qū)

需求解的擴散方程為

LL07.tif

服從邊界條件：

3 基區(qū)解

由于發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的解無非是單邊的理想二極管的解，所以在這里就不加詳細推導，而基區(qū)則有所不同，基區(qū)的寬度是有限的，所以微擾載流子在x=0和x=W處不會為零。

基區(qū)擴散方程通解的一般形式為

LL09.tif

應用邊界條件得

LL10.tif

根據上式可以解出A1和A2 并將其代入通解中，得

在W=LB的極限條件下準中性基區(qū)中載流子濃度的微擾是位置的線性函數，即

LL13.tif[1]

4 理論推導與證明

本文在對BJT晶體管的靜態(tài)特性進行深入了解后，對W=LB 時對準中性基區(qū)中載

流子濃度的微擾的特性進行了推導。

當y較小時，可近似取前兩項即ey=1+y。則

所以，在W=LB的極限條件下準中性基區(qū)中載流子濃度的微擾也是位置的線性函數。

5 結論

半導體器件的性能是影響射頻微波電路的重要因素，而對半導體內部結構的了解是提高半導體性能，改善半導體工藝的關鍵。目前，人們已經根據需要制造出最新的BJT晶體管結構：多晶硅發(fā)射極BJT和異質結雙極晶體管(HBT)，前一種結構多應用于最新型個人計算機的CPU[2]，后一種結構主要為滿足高頻/高速應用的需要而設計的[1]。本文針對BJT模型結構特點，通過理論推導證明了一種新的思路，即在W=LB 的極限條件下準中性基區(qū)中載流子濃度的微擾也是位置的線性函數，用以上推導出的結果對晶體管參數和電流的計算會更容易。

最后，為了更直觀的讓讀者看清結論，筆者用LabVIEW編寫了一個小程序，見附錄A。可以看出當W=LB時，甚至W=2LB 時，NPN BJT中準中性基區(qū)中載流子濃度的微擾是位置的線性函數。

（注：圖中數據為假設的，為計算使用。[3]）

參考文獻:

[1] R.F. Pierret. Semiconductor Device Fundamentals. Publishing House of Electronics industry.2004.

[2] C.G.Fonstad. Microelectronic Devices and Ciruits.McGraw-Hill，New York.1994.

[3] R.F.Pierret. Semiconductor Measurements Laboratory Operation Manual. 1991.

收稿日期：2008-04-02

作者簡介：劉磊（1983-），男，遼寧人，漢，遼寧工程技術大學在讀碩士，從事射頻電路與器件，通信系統(tǒng)仿真方面的研究；南敬昌，（1971-），男，碩士生導師。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”