下页图中曲线所示为依据上述关系在不同P 型基
区宽度W 的条件下，P 型区中归一化的过剩少数载流
子电子浓度的分布情况。
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PN结正向注入时P型区中过剩少子电子的浓度分布：
W＝基区宽度 L＝少子扩散长度
（W＝∞）
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从图中可见，P 型基区宽度W 越窄，基区中过剩
如图所示，当VCE < VBE 时，器件的收集结也处于 正偏状态，晶体管处于饱和区，此时收集极电流可近
似为正偏发射结电流与正偏收集结电流之差（忽略基
极电流），因此当VCE不断增大时，晶体管逐渐退出 饱和区（收集结正偏状态），晶体管的收集极电流也
不断增大。
而当VCE > VBE 时，器件的收集结处于反偏状态， 晶体管处于非饱和区（正向放大区），此时由发射区
和收集结均处于正偏状态； （2）非饱和区：VCE >VBE 此时器件的发射结处于正偏
状态，而器件的收集结则处
于反偏状态。
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理想双极型晶体管的输出电流－电压特性：
虚线所示为饱和区与非饱和区 的分界点，该处VCE=VBE 。
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流增益β ，但这也会增大控制薄基区宽度WB的难度。
其次是关于器件基区的设计，要尽可能减小基区
结深，以缩小基区宽度，增大电流增益，同时减少收
集结正偏时的基区存储电荷QB ，提高双极型晶体管 的开关性能；至于基区的掺杂浓度则可以适当提高，
以减小基区的串联电阻，这样既可以提高双极型晶体
管的高频性能，又可以提高器件的 Early 电压，减小
级（电子的准费米势Φn和空穴的准费米势Φp）的概
念，且满足：
[ ( ) ] pn = ni2 exp q φp −φn kT
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在有载流子正向注入的情况下，PN结耗尽层两侧 的过剩载流子浓度分别由下面两式给出，即N型区一
侧势垒区边界处的过剩电子浓度为：
( ) np
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当收集极电流密度很大时，有效基区宽度会扩展
至整个基区甚至收集区，由此导致大电流下双极型晶
体管电流增益的下降，器件的高频特性和速度性能也
明显下降，如下图所示。通常我们把器件fT 或β 下降
到最大值0.7
fT ，tpd
倍时的电流密度称为临界电流密度JC0
。
左图所示为大
β ，可见在很宽的电流范围内， β 基本保持恒定。
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在右图所示的Gummel曲
线中，虚线所示为通过理
论模型计算得到的IC 和IB 随VBE 变化的理想结果， 从图中可见，实测的IC 仅 在VBE 较大时和理论模型 的计算结果有一定的偏
离，而实测的IB 则在VBE 较小和较大时均和理论模
型的计算结果有所偏离，
这分别起因于小注入时发
射结耗尽层中的复合电流
和大电流时的串联电阻效
应。
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如图所示为一个NPN型双极晶体管的电路符号及 其不同电极之间的电压表示方法。
根据双极型晶体管不同
电极之间的电压关系，我们
可以将其工作状态划分为两
个不同区域： （1）饱和区：VCE < VBE 此时双极型晶体管的发射结
注入到基区的电子均被收集区所收集，且没有电子由
收集区注入到基区，因此收集极电流保持恒定，不随
VCE 的变化而改变。此时晶体管的电流增益 β 也保
持恒定，图中恒定 IB 的输出电流－电压特性曲线族 是由等步长变化的基极电流决定的。
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上图所示为正偏PN结的能带图，此时PN结处于 非平衡状态，根据第三章的分析，必须引入准费米能
0)
=
np0
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞（PN结正向少子注入）
np (x = W ) = np0
（欧姆接触区）
由此得到上述少子扩散方程的解为：
np
−
np0
=
np0 ⎢⎣⎡exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
⎤ −1⎥
⎦
sinh
⎜⎜⎝⎛
W− Ln
sinh⎜⎜⎝⎛
W Ln
x ⎟⎟⎠⎞
⎟⎟⎠⎞
出相应的PN结隔离区或介质隔离区，以实现不同晶
体管之间的电学隔离。
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器件的基区通常采 双极型晶体管基区/发射区
用扩散或离子注入方式
的版图与剖面图结构
形成，基区与发射区之
间的基本结构有1E2B形
式，如右图所示，也有
相反的2E1B形式。其中
1E2B结构有利于减小器
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关于基区宽度扩展效应：
VBE=0 VBE>0
如图所示，当
发射区注入的电子 流过收集结时，如 果电子的浓度为n 的话，则收集结耗 尽区中靠近基区一 侧的负电荷密度将 增大nq ，而靠近 收集区一侧的正电 荷密度将减少nq， 假设收集结上的外 加电压不变，则负 电荷密度区的宽度 将变窄。
x = −xp
=
ni2 Na
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
而P型区一侧势垒区边界处的过剩空穴浓度为：
pn (x
=
xn ) =
ni2 Nd
exp⎜⎜⎝⎛
qVapp kT
⎟⎟⎠⎞
由此可见，在双极型晶体管中，收集极电流与基区的
掺杂浓度成反比，而基极电流则与发射区的掺杂浓度
成反比。过剩少数载流子在PN结势垒区两侧一边扩
基区宽度调制效应，避免出现基区穿通效应。
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最后是关于收集区的设计，通常收集区掺杂浓度
NC 最低，这样既可以提高器件的收集结击穿电压， 又可以减小收集结的势垒电容；但是NC 的取值又不 能过低，否则既会带来较大的收集区串联电阻，又容
易加剧基区扩展效应。因此需要对收集区的掺杂浓度
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对于双极型晶体管的优化设计来说，可以分别从
发射区、基区以及收集区的设计来加以考虑。
首先是发射区的设计，要尽可能提高发射区的掺
杂浓度NE ，以提高发射结的注入效率γ，增大器件
的电流增益β ，同时减小发射区的串联电阻；此外
还可适当增大发射区的结深，以进一步增大器件的电
散，一边不断地与多数载流子复合，最终形成一个稳
定的少数载流子浓度分布。
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以P型区中的电子为例， PN结发生稳定的正向注
入效应时，过剩少数载流子电子的浓度分布满足下述
方程：
∂n ∂t
=
1 q
∂J n ∂x
−
Rn
+ Gn
=
0
Jn
=
−qnμn
⎜⎜⎝⎛
dψ
dx
− kT qn
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。
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双极型晶体管的组成结构、偏置条件及能带示意图：
晶体管的电流增益 β 定义为： β = IC
IB
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IB 随发射结电压VBE 的变化关系，该曲线 通常称为Gummel曲线，从图中可见，随着发射结电 压VBE 的增大，器件的收集极电流IC 和基极电流IB 均 按指数形式增大，二者之比即为器件的电流增益
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根据单边突变N+P结势垒区宽度的公式：
( ) Wd =
2ε Si ψ bi ± Vapp
qN a
可知：为了避免薄基区条件下的基区穿通效应，可适
当增大双极型晶体管基区的掺杂浓度NB 。
左图所示为 发生基区穿 通效应前后 双极型晶体 管的能带示 意图
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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
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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
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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。
NC 及其宽度进行全面的优化，一个折衷的选择是在 低掺杂浓度的收集区下方再设置一个高掺杂浓度的收