晶体管第三章3

InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--1--第三章双极结型晶体管第一节晶体管的直流特性通过改变一个PN结的偏压来控制其附近另一个PN结电流的方法称为双极晶体管效应。双极结型晶体管:BipolarJunctionTransistor3.1.1基本结构与分类基本结构InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--2--第三章双极结型晶体管晶体管的分类按使用范围分;

按制作工艺和管芯结构形式分:1)

合金管：杂质分布特点:三个区近似均匀分布,两个pn结都是突变结缺点:基区较宽,频率特性较差--I.晶体管的直流特性2)

合金扩散管：杂质分布特点:发射区和集电区均匀分布、基区缓变分布,发射结为突变结集电结为缓变结缺点:基区较窄,频率特性较好InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--3--第三章双极结型晶体管3)

外延平面管

杂质分布特点:杂质浓度发射区最高、基区次之、集电区最低,基区缓变分布,两个pn结都是缓变结优点:基区窄,频率特性好--I.晶体管的直流特性理论分析：均匀基区晶体管(扩散型晶体管)和缓变基区晶体管(漂移型晶体管)晶体管少子分布与能带图

分析晶体管的少子浓度分布时,应先根据边界条件确定边界上少子浓度—结定律、电极接触处;

能带图—平衡时有统一的费米能级，正偏势垒降低,反偏势垒升高InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--4--第三章双极结型晶体管3.1.2晶体管的放大机理

晶体管具有放大信号的功能.--I.晶体管的直流特性晶体管中的电流传输1)

两种基本放大电路

InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--5--第三章双极结型晶体管2)

晶体管中的电流传输--I.晶体管的直流特性

NPN管共基极偏置电路与晶体管的能带图InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--6--第三章双极结型晶体管晶体管中的电流传输--I.晶体管的直流特性对于NPN晶体管,电子电流是主要成分.电子电流的两次损失结果:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--7--第三章双极结型晶体管晶体管直流电流放大系数

1)定义:共基极电路中,发射结正偏、集电结零偏(输出端短路)时的IC与IE之比,称为共基极直流短路电流放大系数,记为.--I.晶体管的直流特性

定义:共基极电路中,发射结正偏、集电结反偏时的IC与IE之比,称为共基极静态电流放大系数,记为hFB.定义:共发射极电路中,发射结正偏、集电结零偏(输出端短路)时的IC与IB之比,称为共发射极直流短路电流放大系数,记为.

定义:共基极电路中,发射结正偏、集电结反偏时的IC与IE之比,称为共射极静态电流放大系数,记为hFB.InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--8--第三章双极结型晶体管2)晶体管的放大作用--I.晶体管的直流特性共基极电路中,通过输入输出端电阻的变化来实现功率(电压)的放大功能.即:Transresistor-转移电阻器.问题:共基极电路中,α<1,晶体管能对信号起放大作用吗?BJT载流子的运动与放大作用InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--9--第三章双极结型晶体管晶体管特性曲线--I.晶体管的直流特性当输入电流一定时,两种特性曲线的输出电流基本不变,不随输出端电压的增加而变化,只有当输入电流改变时输出电流才会跟着变化.因此晶体管是一种电流控制器件.共射电路中:输入特性曲线与输出特性曲线InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--10--第三章双极结型晶体管3.1.3均匀基区晶体管的(直流短路)电流放大系数--I.晶体管的直流特性测量方块电阻是实际生产中检验扩散或外延结果的一种重要手段。具体测量时并不需要从半导体材料上切一个方块下来，只需要用四探针仪器在材料表面进行测量，再经过一定的换算就可以得到方块电阻的值。R□方块电阻:表面为正方形的(半导体)薄层材料，电流方向与其某个边平行时，在电流方向所呈现的电阻。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--11--第三章双极结型晶体管对均匀基区晶体管的几个假设--I.晶体管的直流特性(1)发/集结都是突变结,各区杂质均匀分布;(2)发/集区长度远大于少子扩散长度,两端少子浓度等于平衡值;(3)势垒区宽度远小于少子扩散长度,忽略势垒区中的复合作用;(4)外加电场都降落在势垒区;(5)晶体管是一维的,发/集结是平行面;(6)基区小注入.InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--12--第三章双极结型晶体管晶体管的电流密度--I.晶体管的直流特性基区少子分布:扩散电流:考虑基区复合损失时:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--13--第三章双极结型晶体管发射区少子分布:--I.晶体管的直流特性扩散电流:集电区少子分布:扩散电流InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--14--InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--14--第三章双极结型晶体管电流放大系数--I.晶体管的直流特性1)发射结注入效率InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--15--InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--15--第三章双极结型晶体管2)基区输运系数--I.晶体管的直流特性电荷控制法求集区输运系数InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--16--InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--16--第三章双极结型晶体管基区渡越时间--I.晶体管的直流特性3)均匀基区晶体管短路电流放大系数定义:少子在基区从发射结渡越到集电结所需要的平均时间,记为τb在t=0到t=τb

这段时间内，注入到基区中的少子电荷为ΔQnB

，即:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--17--InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--17--第三章双极结型晶体管3.1.4缓变基区晶体管的电流放大系数--I.晶体管的直流特性基区杂质近似为指数分布:杂质浓度为指数分布时：内建电场是与x无关的常数基区内建电场的形成空穴浓度的不均匀性导致空穴的扩散,产生电场,类似pn结自建电场的形成,平衡时空穴电流密度为零。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--18--InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--18--第三章双极结型晶体管2.

基区少子浓度分布--I.晶体管的直流特性少子电流密度InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--19--第三章

双极结型晶体管发射区杂质缓变分布,类似有--I.晶体管的直流特性平面管集电区杂质均匀分布,有电流放大系数1)

发射结注入效率InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--20--第三章双极结型晶体管2)

基区输运系数基区渡越时间--I.晶体管的直流特性内建电场对少子是加速场,使基区渡越时间大为缩短足够大时InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--21--第三章双极结型晶体管基区输运系数--I.晶体管的直流特性提高晶体管电流放大系数的主要措施:3)

电流放大系数InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--22--第三章双极结型晶体管影响电流放大系数的一些因素--I.晶体管的直流特性势垒区复合电流2)

发射区重掺杂效应:NB偏低?NE偏高?发射区禁带变窄重掺杂时,杂质能级互相靠近形成能带,并与导带交叠,使Eg变窄.

1)发射结势垒区复合的影响-小电流效应InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--23--第三章双极结型晶体管俄歇复合增强--I.晶体管的直流特性轻掺杂时,非平衡载流子主要通过复合中心进行复合;在重掺杂时,俄歇复合大为增强.发射区重掺杂的另一个影响--基区陷落效应InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--24--第三章双极结型晶体管3)

表面复合的影响----I.晶体管的直流特性5)

基区宽变效应4)

温度的影响改进：LEC晶体管、HBTInstituteofMicroelectronicsCircuit&System--25--第三章双极结型晶体管3.1.5双极晶体管的直流电流电压方程--I.晶体管的直流特性1.

集电结短路时的电流VBC=0,VBE≠0*IES相当于单独一个发射结构成的PN结二极管的反向饱和电流InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--26--第三章双极结型晶体管发射结短路时的电流VBC≠0,VBE=0—倒向的晶体管--1.晶体管的直流特性*ICS相当于单独一个集电结构成的PN结二极管的反向饱和电流晶体管的直流电流电压方程对于共基电路:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--27--第三章双极结型晶体管对于共射电路:--I.晶体管的直流特性输出特性共基电路--共射电路--InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--28--第三章双极结型晶体管4.

基区宽变效应--I.晶体管的直流特性厄尔利电压：---由于外加电压的变化引起有效基区宽度变化的现象,也称厄尔利(Early)效应.InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--29--第三章双极结型晶体管3.1.6双极晶体管的反向特性--I.晶体管的直流特性晶体管的反向电流不受输入端电流控制,对放大无贡献,有功耗。2)IEBO:集电极开路、发射电结反偏时，基-射极间的反向电流。1)

ICBO:发射极开路、集电结反偏时，集-基极间的反向电流。浮空电势--InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--30--第三章双极结型晶体管3)

ICEO:基极开路、集电结反偏时，集-射极间的反向电流。--I.晶体管的直流特性击穿电压BVCBO:发射极开路时,集-基极间的击穿电压，又称共基极(雪崩)击穿电压。BVEBO:集电极开路时,射-基极间的击穿电压,又称发射结击穿电压。共基电路中:发生雪崩倍增效应时击穿条件：InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--31--第三章双极结型晶体管2)BVCEO:基极开路时,集-射极间的击穿电压.(共射雪崩击穿电压)--I.晶体管的直流特性雪崩倍增效应对共射接法比对共基接法的影响大得多.负阻特性--原因:小电流的下降发生雪崩倍增效应时击穿条件：InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--32--第三章双极结型晶体管发射极与基极间有外接电路时--I.晶体管的直流特性BVCEX:

基-射极间接电阻Rb时和反偏电压VBB时，C-E极间的击穿电压；

BVCER:

基-射极间接电阻Rb时，C-E极间的击穿电压；BVCES:

基极发射极短路时，C-E极间的击穿电压。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--33--第三章双极结型晶体管3)

基区穿通电压:集电结上反向电压增加,势垒区向两侧扩展,基区宽度WB减小,当集电结发生雪崩击穿前WB减小为零,称基区穿通,这时集电结上的电压称为基区穿通电压Vpt。

--I.晶体管的直流特性一般只有IC中的横向管,基区低掺杂的Ge合金管,易发生基区穿通,对于Si平面管,集电区杂质最低，势垒区向集电区扩展，一般不会发生基区穿通，但若pn结不平有尖峰例外。发射极开路

BVCBO=Vpt+BVEBO(或BVCBO=VB,两者取小)

基极开路

BVCEO=Vpt+VF

Vpt(BVCEO

,两者取小)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--34--第三章双极结型晶体管3.1.7基极电阻基区中的两种电流：少子电流与多子电流基极电阻：IB经基极引线到工作基区,要产生压降，经过一定的电阻,称基极电阻。直流应用中电流集边效应,交流应用中会产生电压反馈，设计管子时要尽可能减小基极电阻。--I.晶体管的直流特性基极电阻由四部分串联构成:基极金属电极与半导体的欧姆接触电阻:基极金属电极正下部的电阻

:发射极与基极间的电阻:发射区正下部的电阻(工作基区的电阻)InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--35--第三章双极结型晶体管1)欧姆接触电阻--I.晶体管的直流特性2)发射极与基极间的电阻3)发射区下的电阻与工作基区的电阻InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--36--第三章双极结型晶体管减小基极电阻的方法--I.晶体管的直流特性(1)基区杂质浓度;(2)宽长比S/l;(3)发射极条个数(4)欧姆接触InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--37--第三章双极结型晶体管第二节晶体管的频率特性小信号条件下：信号电压的振幅远小于(kT/q).符号说明直流分量小信号分量小信号分量幅值总瞬时值信号角频率两个结果：电流增益下降与信号延迟概述——晶体管中高频小信号电流的变化InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--38--小信号电流的四个阶段变化：

第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性高频小信号电流在管中的变化(1)发射区复合(2)势垒电容充放电(1)基区复合(2)扩散电容充放电集电结宽度的影响集电结势垒电容的影响InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--39--定义:输出端对高频小信号短路（vcb=0，但VCB<0）条件下的共基极高频小信号短路电流放大系数为--

第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性基区输运过程—基区输运系数与频率关系

定义高频小信号基区输运系数:少子寿命,单位时间复合几率（），在基区逗留时间内复合损失占少子总数，则到达集电极的未复合少子占进入基区少子总数的（），即直流输运系数，是中的因子,记为1)渡越时间的作用(1)复合损失使得小于1InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--40--定义:输出端对高频小信号短路（vcb=0，但VCB<0）条件下的共基极高频小信号短路电流放大系数为--

第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性基区输运过程—基区输运系数与频率关系

定义高频小信号基区输运系数:少子寿命,单位时间复合几率（），在基区逗留时间内复合损失占少子总数，则到达集电极的未复合少子占进入基区少子总数的（），即直流输运系数，是中的因子,记为1)渡越时间的作用(1)复合损失使得小于1InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--41--(2)渡越时间的分散使得减少

少子在基区的运动是热运动基础上叠加扩散(+漂移)第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性(3)时间延迟使相位滞后中应包括:集电结上输出信号电流比从发射结输入信号电流在相位上滞后了.2)电荷控制法求的意义：注入基区的每个少子，单位时间内被集电结取出的几率。基区少子总电荷，单位时间被集电结取走的电荷即对于交流小信号:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--42--基区少子高频小信号电荷控制方程:加入基区复合损失：第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性3)

延迟时间与超相移因子实际上，当发射结刚向基区注入少子时，集电结并不能立刻得到的电流。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--43--少子从发射结注入基区后，经过的时间后能达到和定态一样的分布。在延迟时间内，集电结还取不到少子电流。

超相移因子或剩余相因子

第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性则集电结取走少子的平均时间实为:

集电极电流比发射极电流再滞后一个相角:令:基区输运系数的精确式为:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--44--m物理意义:发射极电流的变化，不能立即反映为集电极电流的变化，必须经过的相位滞后，集电极电流才会变化,其后的相位滞后才由基区渡越时间所引起。m就是由基区渡越时间所引起的相移之外再附加部分因子。

第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性_InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--45--4)

在复平面上的表示第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性复平面上，半圆上P点轨迹就是,点A是直流输运系数，

，向点0移动。考虑超相移因子m时,将替代,再延迟一个角.InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--46--5)缓变基区晶体管的第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性忽略扩散时考虑漂移、扩散时InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--47--高频小信号电流放大系数与频率的关系第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性现代微波晶体管基区宽度亚微米，高频下必须计及ＰＮ结势垒电容、集电结势垒区宽度等的影响．1)发射结势垒电容充放电时间常数—发射极延迟时间常数发射极支路小信号等效电路发射结增量电阻InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--48--2)发射结扩散电容充放电时间常数发射结扩散电容充放电时间常数就是基区渡越时间第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性发射结的小信号等效电路对CDE的充放电电流:则:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--49--3)集电结势垒区延迟/渡越时间第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性少子越过集电结势垒区时间

定义：集电结势垒区输运系数

少子以有限速度通过势垒区时，改变势垒区的空间电荷分布，即改变势垒区内电场分布，产生位移电流，产生电场的电力线终止于耗尽区边缘中性区上，有附加的正电荷来终止，对于集电区，就有电子离开那里流向集电极,形成传导电流。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--50--第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性4)集电极延迟时间常数

——集电结势垒电容充放电时间常数：轻掺杂外延层，存在一定的体电阻：紧靠势垒区的本征集电极，内电极定义：

集电极衰减因子c集电区小信号等效电路b一部分对充电,一部分经流到外电路充放电电流为:InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--51--第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性5)

共基极高频小信号短路电流放大系数与截止频率

为极低频或直流小信号共基极短路电流放大系数，或共基极增量电流放大系数。（1）信号延迟时间定义：载流子从流入发射极开始到从集电极流出为止总渡越时间。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--52--（2）截止角频率、截止频率

（下降了3dB）时的角频率、频率分别称为截止角频率、截止频率。定义：第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性6)

共发射极高频小信号电流放大系数与特征频率（1）定义：集电结对高频小信号短路（vbc=0,VBC<0）条件下的ic与ib之比为共射极高频小信号短路电流放大系数InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--53--第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性极低频或直流小信号共发射极短路电流放大系数、或共发射极增量电流放大系数下降到（下降3dB)时的角频率、频率分别称为的截止角频率、截止频率．

*截止角频率、与截止频率

定义:又，InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--54--即：第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性

<500MHz时，Wb较大，各项中为主，则

>500MHz时，Wb较小，只占中很小一部分，可忽略

比截止频率低的多InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--55--（２）晶体管的特征频率增一倍降一半，或降（倍频程），功率正比于电流的平方，则功率增益降或时的频率，称晶体管的特征频率fT第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性时与f无关时高频晶体管的工作频率一般在的范围此时，又称为增益带宽积，与无关。InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--56--其中，，或，，或很大时，的影响很小，可略去；大注入时，基区扩展，τb

增加更多，集电结势垒区减小，势垒区延迟τd减小的少一些，故IC

很大时，fT

随IC

增加而下降。第三章双极结型晶体管--Ⅱ.晶体管的频率特性（3）电流对的影响（4）提高特征频率的途径一般高频管中，四个时间常数以最长，减小是提高的主要途径减小减小减小InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--57--晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大

。第三章双极结型晶体管--Ш.晶体管的功率特性1)集边效应3.

发射结电流集边效应①基极电流IB(y)在dy段电阻上产生的压降为：

集电结零偏时发射极电流：InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--58--第三章双极结型晶体管--Ш.晶体管的功率特性设发射极条很宽,有边界条件:

②IB(y)的表达式：③其中:

InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--59--第三章双极结型晶体管--Ш.晶体管的功率特性大注入时电流集边效应使工作基区局限在发射结边缘下面,基极电流流经的路程缩短,因此基极电阻将减小.2)发射极有效条宽3)电流集边效应对及rbb’的影响InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--60--第三章双极结型晶体管--Ш.晶体管的功率特性4)发射极单位长度的电流容量—单位发射极长度内不发生大注入效应和基区扩展效应的最大电流。记为i0(1)要防止大注入效应的开关管i0<5A/cm;一般放大管i0:0.5～1.5A/cm;线性放大管i0<0.5A/cm(2)对于高频大功率外延管高频大功率管i0:～0.4A/cm5)发射极金属条最大长度InstituteofMicroelectronicsCircuit&System--61--晶体管的热学性质*大功率管输出功率受