BJT的电流放大系数及其温度稳定性

Xie Meng-xian.  (电子科大，成都市)

众所周知，BJT的输出电流都具有正的温度系数。因此晶体管的温度稳定性往往是电路应用中值得注意的一个问题。

因为输出电流主要是由两部分组成的：一是少数载流子通过基区扩散到集电区而形成的电流（放大的输出电流正比于电流放大系数），二是集电结的反向饱和电流。所以，BJT输出电流的正温度系数既关系到集电结反向饱和电流的温度特性，也关系到电流放大系数的温度特性。实际上，BJT的集电结反向饱电流和电流放大系数都是随着温度的升高而不断增大的。所以导致BJT的输出电流显著增大。

温度升高时，集电结反向饱电流的增大较容易理解，因为该电流主要是少数载流子的扩散电流，与温度有指数函数关系。但是，为什么电流放大系数也会不断地增大呢？——这与BJT的结构和工艺有关。

（1）BJT的电流放大系数：

BJT的共基极电流放大系数α，是少数载流子从基区扩散到集电区的电流（不包括集电结的反向饱和电流）与发射极输入电流之比值。

因为共基极电流放大系数α主要由发射结的注射效率γ和基区输运系数β*来决定：

因此，晶体管电流放大系数与温度的关系也就主要决定于注射效率γ和输运系数β*这两者的温度关系。

提高电流放大系数的措施主要有三个：①减薄基区宽度。这样就可以减小基区复合、增大基区输运系数。基区很薄，这是晶体管结构的一个基本特点（以保证发射结和集电结是相互关联着的）。对于常规的BJT，为了获得很薄的基区宽度，在工艺上往往需要采用所谓浅结扩散技术（基区很浅，发射区更浅，这样才能保证p-n结面平坦，以便获得很薄的基区）。②增大发射区掺杂浓度。因为发射结注射效率与发射区-基区的掺杂浓度比有关，而基的掺杂浓度往往不能任意降低，则只有尽量提高发射区的掺杂浓度。这样就可以使得从发射区注入到基区的少数载流子电流大大超过反向注入的电流，从而能够提高发射结注射效率。发射结掺杂浓度不对称是一般BJT所必须具备的一个重要条件，否则难以获得高的电流放大系数。③在基区中设置漂移电场，以加速少数载流子渡越基区的过程，这也是增大基区输运系数的一个重要措施。基区存在漂移电场的BJT常常称为漂移晶体管。在工艺上，基区漂移电场可方便地采用不均匀掺杂技术来实现（在基区表面的掺杂浓度高、内部的掺杂浓度低）；热扩散就是最常采用的一种能够产生漂移电场的工艺技术，所以一般的双扩散晶体管就都是漂移晶体管。另外一种能够产生漂移电场的工艺技术就是近年发展起来的所谓能带工程——让基区材料的禁带宽度逐渐变化的技术；对于npn-BJT，为了产生基区漂移电场，要求基区头部的禁带宽度大、尾部的小。

但是提高BJT电流放大系数的一些工艺技术措施，并不能无限制地就能够很好的达到目的，而都会遇到一定的问题。同时，为了解决这些问题，也就发展出了若干重要的新型结构的BJT。例如：

①为了获得薄基区而采用的浅结扩散技术，会造成发射区很薄——发射结很浅。浅的发射结，表面复合的影响就会使得从基区注入到发射区的电流（扩散电流）增加，从而引起发射结注射效率反而降低。为了克服这个矛盾、提高注射效率，可以在薄发射区的表面上再增加一薄层高掺杂多硅来作为发射极（这样可以减弱发射区表面的复合作用，则可降低发射结的反向注入电流）。这种多晶硅作为发射极的BJT，就称为多晶硅发射极晶体管（PET）。PET具有高放大、高频、高速等优点，现在的高性能、小功率硅BJT，大多数就都是这种多晶硅发射极结构的晶体管。

②对于一般的BJT，发射区的掺杂浓度往往高达半导体简并的程度（～1019cm-3）。由于发射区的高掺杂，则会产生发射区的禁带宽度变窄——禁带宽度变窄效应，这就使得发射结在发射区一边的势垒高度大大增高，于是反而会导致注射效率减小。对于硅平面晶体管而言，这个矛盾从其本身的工艺和结构上都是无法解决的，所以BJT 的放大性能，乃至高频、高速特性都受到了一定的限制（难以进入毫米波段）。现在，采用异质发射结来代替同质的发射结，制作出所谓异质结双极型晶体管（HBT），就能够很好的解决这个矛盾，所以HBT具有高的放大性能，并且能够工作到毫米波段，同时还具有许多另外的长处。

HBT之所以具有超越常规BJT的优良性能，主要是得益于异质发射结的采用。在HBT中，发射区材料的禁带宽度大于基区材料的禁带宽度（即是能带结构不对称的异质结），这就导致发射结两边的阻挡少数载流子的势垒高度不同，从而使得发射结的注射效率很高（～1），并且基本上与发射区和基区的掺杂浓度无关。对于HBT，因为发射结注射效率主要是由异质发射结的能带结构所决定，则不但能够获得很高的电流放大系数，同时发射区的掺杂浓度也可以制作得较低（甚至可低于基区的掺杂浓度），于是就可以排除高掺杂所引起的发射区禁带宽度变窄效应。

（2）BJT电流放大系数与温度的关系：

BJT电流放大系数的温度关系，决定于注射效率和输运系数这两者随温度变化的特性。

①基区输运系数的温度关系：

基区输运系数关系着少数载流子在基区中扩散（和漂移）的快慢。基区宽度越小，少数载流子扩散系数（和迁移率）越大，则少数载流子在基区中因复合而损失掉的数量就越小，从而输运系数也就越大。而载流子扩散系数（和迁移率）在室温下由于晶格振动散射的缘故，将随着温度的升高而降低，所以晶体管的输运系数在温度升高时往往是减小的。可见，基区输运系数具有负的温度系数，会导致电流放大系数随着温度的升高而减小。

②发射结注射效率的温度关系：

对于一般的BJT，因为发射区的高度简并，则总是存在着禁带宽度变窄效应。若发射区的禁带宽度变窄量为ΔEg，则该ΔEg就是发射区注入到基区的少数载流子所遇到的势垒高度的增高量，这是导致发射结注射效率下降的根本因素。

当温度升高时，半导体的禁带宽度会变窄，同时半导体的简并度也会减弱，这就使得禁带宽度变窄量ΔEg减小，即降低了少数载流子从发射区越过发射结的势垒高度，从而增大了发射结注射效率。这就意味着，BJT由于禁带宽度变窄效应而导致其注射效率具有正的温度系数。

总之，BJT电流放大系数随温度的增大，主要是由于发射结注射效率的正温度系数所造成的，而发射结的正温度系数又主要是来自于发射区高掺杂所引起的禁带宽度变窄效应。可以想见，为了提高BJT电流放大系数的温度稳定性，就要求：一方面，减弱发射区禁带宽度变窄效应；二方面，增大基区中载流子的散射作用。当然，这些要求只能做到某种程度而已，不可能完全实现，所以BJT性能的温度稳定性始终是一个大的问题。

【推论】异质结双极型晶体管的优良特性：

①HBT的发射结注射效率主要决定于异质发射结的能带结构，则其电流放大系数能够做到很高。

②HBT没有高掺杂所引起的发射区禁带宽度变窄效应，所以其发射结注射效率与温度的变化关系很小（几乎为0），从而HBT电流放大系数的温度稳定性较好。

③在基区中容易通过异质外延等能带工程技术来设置漂移电场，则可以提高基区输运系数，从而HBT的电流放大系数不仅很高，并且也改善了电流放大系数的温度稳定性。

④HBT的基区掺杂浓度可以做得较高，从而能够获得很好的高频、高速性能。

⑤由于HBT发射结注射效率的温度系数很小，而基区输运系数的温度系数总为负，因此HBT的电流放大系数往往呈现出负温度系数的特性；这种特性对于大功率应用是很有价值的，因此HBT也是一种很好的大功率器件。