6-13 双极晶体管的单管结构及工作原理

2020/4/25,1,双极晶体管的单管结构及工作原理,双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电,发射区N+,集电区N,基区P,发射结,收集结,发射极,集电极,基极,结构特点：1.发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小2.基区宽度很窄,2020/4/25,2,N,N,P,E,C,B,当发射结正偏（VBE0)，集电结反偏（VBC0)，集电结也正偏（VBC0)时(但注意，VCE仍大于0)，为饱和工作区。,N,N,P,E,C,B,1.发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明显下降。2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即不再成立。3.对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深饱和时VCES达0.10.2V。,2020/4/25,5,当VBC0，VBE0时，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，但是由于集电区的掺杂浓度低，因此其发射效率低，很小（约0.02）。,当发射结反偏（VBE0),集电结也反偏（VBC0)时，为截止区。,N,N,P,E,C,B,反向工作区,2020/4/25,6,共发射极的直流特性曲线,三个区域：饱和区放大区截止区,2020/4/25,7,2.2理想本征集成双极晶体管的EM模型,A:结面积,D:扩散系数,L:扩散长度,pn0,np0:平衡少子寿命,热电压.T=300K,约为26mv,一结两层二极管(单结晶体管),2020/4/25,8,正向偏置,二极管的等效电路模型,2020/4/25,9,两结三层三极管(双结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：,2020/4/25,10,实际双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组成：,基区宽度远远小于少子扩散长度，相邻PN结之间存在着相互作用,发射区,集电区,基区,发射结,收集结,发射极,集电极,基极,2020/4/25,11,两结三层三极管(双结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,NPN管反向运用时共基极短路电流增益,NPN管正向运用时共基极短路电流增益,2020/4/25,12,BJT的三种组态,2020/4/25,13,三结四层结构(多结晶体管),p,p,n,n,IE,E,B,C,S,IB,IC,IS,I1,I2,I3,V1,V2,V3,理想本征集成双极晶体管的EM模型,2020/4/25,14,三结四层结构(多结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,根据基尔霍夫定律，有：,p,p,n,n,IE,E,C,S,IB,IC,IS,I1,I2,I3,V1,V2,V3,2020/4/25,15,三结四层结构(多结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,理想本征集成双极晶体管的EM模型,2020/4/25,16,2.3集成双极晶体管的有源寄生效应,双极晶体管的四种工作状态,2020/4/25,17,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于正向工作区和截止区的情况,VEB_pnpVTH时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。,S,VDS较小时，沟道中任何一处电压的栅沟道电压都大于阈值电压，随着VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。（线性区，非饱和区）,随着VDS进一步增大至VDS=VGS-VTH(即VGDVTH)时，靠近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入饱和区。随着VDS的增大，夹断区向源区移动，电压的增加主要降落在夹断点至漏端边缘的高阻区，沟道电子被横向强电场拉至漏极，漏源电流基本上不随VDS的增大而变化。,2020/4/25,34,N沟MOSFET的输出特性曲线,2020/4/25,35,场区寄生MOSFET寄生双极晶体管寄生PNPN效应（闩锁（Latchup）效应）,2.6MOS集成电路中的有源寄生效应,2020/4/25,36,场区寄生MOSFET,措施：1.加厚场氧化层的厚度2.增加场区注入工序,2020/4/25,37,寄生双极晶体管,防止措施：1.增大寄生晶体管“基区宽度”2.P型衬底接地或负电位,2020/4/25,38,寄生PNPN效应（闩锁（Latchup）效应）,RS,RW,P阱,RS,RW,Vdd,Vss,N衬底,消除措施：1.减小RS,RW（增加接触孔数量，加粗电源