双极型晶体管

双极型晶体管第1页/共87页第3章双极型晶体管3.1结构3.2放大原理3.3直流电流增益3.4反向直流特性3.5开关作用第2页/共87页3.1晶体管的基本结构及杂质分布3.1.1晶体管的基本结构 由两个靠得很近的背靠背的PN结构成NPNcbecbePNP第3页/共87页3.1晶体管的基本结构及杂质分布3.1.2BJT的杂质分布1.锗合金管-均匀基区晶体管特点：三个区杂质均匀分布2结为突变结

2.硅平面管-缓变基区晶体管特点：E、B区杂质非均匀分布2结为缓变结第4页/共87页第5页/共87页第6页/共87页3.1晶体管的基本结构及杂质分布“背靠背”的2个二极管有放大作用吗？3.1.3、结构特点（1）基区宽度远小于基区少子扩散长度

(WB

<<L)（2）发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度

(NE>>NB)发射区集电区基区发射结集电结发射极集电极基极第7页/共87页NPN晶体管的几种组态共基极共射极共集电极共基极共发射极共收集极NNP晶体管的共集电极接法cbe3.2晶体管的放大原理第8页/共87页3.2.1、晶体管中载流子的传输

以共基极为例：1、发射结的注入2、基区的输运与复合3、集电极的收集WBIneIncIrIpeICBOIEICIB第9页/共87页各区少子分布能带图第10页/共87页NPN晶体管的电流转换Ine:发射结正向注入电子电流Ipe:发射结反向注入空穴电流Irb:基区复合电流Inc:集电结电子电流Icbo:集电结反向饱和电流第11页/共87页3.2.2、发射效率及基区输运系数

1、发射效率r0第12页/共87页2、基区输运系数β*3、集电区倍增因子第13页/共87页1.共基极直流电流放大系数

2.共射极直流电流放大系数3.2.3、晶体管电流放大系数第14页/共87页

晶体管放大三要素：①Wb<<Lnb，实现不衰减的电流传输。②发射结为单边结，NE>>NB

。③发射结正向偏置，集电结反向偏置。第15页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益任务：导出α0、β0的定量关系式第16页/共87页3.3.1均匀基区晶体管的电流增益均匀基区晶体管直流电流增益推导思路

A、对发射区、基区、集电区分别建立扩散方程

B、利用波尔兹曼分布关系建立边界条件

C、解扩散方程得到各区少子分布函数

D、利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数

E、由电流密度分布函数得到jne,jnc,jpe。

F、求出发射效率和输运系数

G、得到共基极和共射极电流放大系数第17页/共87页以共基极连接为例，采用一维理想模型发射结正向偏置，集电结反向偏置WBIneIncIrIpeICBOIEICIB第18页/共87页坐标：发射区集电区基区发射结集电结发射极集电极基极We0WbWc第19页/共87页一、少数载流子分布（1）基区“少子”电子密度分布WB0nB(x)第20页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益一、少数载流子分布（2）发射区少数载流子分布x0pE(x)第21页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益一、少数载流子分布（3）、集电区少数载流子分布x0pC(x)第22页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益二、电流密度分布函数第23页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益第24页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益第25页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益三、直流电流增益1.发射效率γ02.基区输运系数β*第26页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益3、共基极电流增益或者第27页/共87页

4、共射极电流增益第28页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益3.3.2缓变基区晶体管的电流增益一、缓变基区晶体管基区自建电场对载流子的影响基区自建电场多子：维持分布少子：阻滞、加速第29页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益（1）基区自建电场计算公式（2）基区杂质分布指数近似第30页/共87页二、发射区自建电场第31页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益

三、缓变基区晶体管电流增益推导思路

A、先忽略基区中少子复合。

B、利用：“电流＝少子扩散电流＋在自建电场作用下的漂移电流”关系，得到基区和发射区少子密度分布函数

η=0123xnB(x)基区少子分布：(3.3.46)当基区杂质指数分布时(3.3.47)第32页/共87页根据(3.3.46)，利用类似可得到第33页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益C、利用

把(3.3.47)代入得到基区复合电流第34页/共87页D、引入平均杂质浓度的概念求出jne

和

jpe

，得到发射效率E、得到共基极和共射极电流放大系数第35页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益四、电流增益（1）发射效率第36页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益（2）输运系数均匀基区晶体管：λ=2基区杂质线性分布：λ=4基区杂质指数近似：第37页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益（3）共基极电流增益（4）共射极电流增益发射效率与均匀基区形式相同第38页/共87页3.3

晶体管的直流电流增益3.3.3

提高放大系数的途径

1、减小基区宽度

2、提高发射区的杂质浓度与基区杂质浓度比NE/NB↑

3、提高基区电场因子

4、提高基区“少子”寿命第39页/共87页3.3.4影响电流放大系数的因素1.发射结势垒复合对电流放大系数的影响第40页/共87页2.发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响发射区过重的掺杂不仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低1）形成杂质带尾，禁带变窄发射区有效杂质浓度降低为:发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。第41页/共87页2）俄歇复合发射区少子空穴寿命随着俄歇复合寿命↓而↓。

俄歇复合通过复合中心复合少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率↓。

第42页/共87页表面复合对基区输运系数的影响可表示为对均匀基区对缓变基区S为表面复合速率体复合表面复合3.基区表面复合第43页/共87页

共射极输出特性曲线上VBC

＝0点的切线与VCE

轴负方向交于一点，该点电压称为Early电压，ICVCE－VEAIB增大基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度调变效应（厄尔利效应）4.基区宽变效应有宽变效应的电流放大系数：第44页/共87页3.4晶体管的特性参数3.4.1晶体管的放大系数共基极直流放大系数和交流放大系数0

、两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、第45页/共87页3.4.2

晶体管的反向电流一、定义

晶体管某二个电极间加反向电压，另一电极开路时流过管中的电流称其反向电流。1、IEBO：集电极极开路，发射极与基极间反偏，流过发射结的电流。2、ICBO：发射极开路，集电极和基极间反偏，流过集电结的电流。3、ICEO：基极开路，发射极和集电极间反偏，流过发射极和集电极的电流。IVIeboIVIcboIVIceo第46页/共87页二、反向电流的来源 实际的晶体管反向电流应包括反向扩散电流，势垒产生电流和表面漏电流。对Ge管：主要是反向扩散电流对Si管：主要是势垒产生电流，表面电流视工艺而定共射极接法，信号放大的同时，相应的漏电流也增大了倍第47页/共87页3.4.3晶体管的击穿电压1、BVebo2、BVcbo3、Bvceo定义：某一极开路，另二极所能承受的最大反向电压4、基区穿通电压VPT

：集电极开路时e-b间反向击穿电压：发射极开路时c-b间反向击穿电压：基极开路时e-c间所能承受的最高反向电压第48页/共87页3.4.4基极电阻基极电流为横向电流，基区掺杂浓度低，且很薄，这个电阻不可忽略。基极电阻rb：扩展电阻，包括基区体电阻和基极电极引出线处接触电阻。第49页/共87页3.4.5晶体管的频率特性参数截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值截止频率f

：特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率6分贝倍频程段（频率增减一倍，放大系数变化6dB）6分贝倍频程段＝常数，这个常数就是（增益带宽积）第50页/共87页3.5双极晶体管直流伏安特性3.5.1均匀基区晶体管直流伏安特性第51页/共87页第52页/共87页于是得到发射极电流第53页/共87页集电极电流第54页/共87页第55页/共87页3.5.2Ebers-Moll模型

Ebers-Moll模型是一种适用于计算机辅助设计(CAD)的表述简单的模型，它于1954年由此二人提出，适用于图2-62所示的所有工作区。

*薄基区导致两个结的相互作用，流过每个结的电流都应由两个结上的电压所决定。第56页/共87页第57页/共87页1.E-M

方程将双极晶体管的电流看成一个正向晶体管和一个倒向晶体管叠加后各自所具有的电流并联而成正向晶体管倒向晶体管第58页/共87页1.E-M

方程IES是C结短路，E结的反向饱和电流对正向晶体管：对比式（3.5.1）E结正偏，C结零偏，正向电流增益第59页/共87页同理，对倒向晶体管ICS是E结短路，C结的反向饱和电流对比式（3.5.2）C结正偏，E结零偏反向电流增益第60页/共87页由图第61页/共87页代入式（3.5.6）、（3.5.10）得E-M方程等效电路见图第62页/共87页对照式（3.5.1）、（3.5.2）得E-M方程互易定理实际器件中

互易定理的本质是：eb结与cb结有共同部分（基区），无论哪个结短路，另一个结的反向饱和电流都含有共同的基区少子扩散电流第63页/共87页2.EM1模型式（3.5.15）、（3.5.16）是以晶体管某一极短路时的反向饱和电流来表示端电流的EM方程；同样也可以某一极开路时的反向饱和电流来表示EM方程第64页/共87页上式又可写为于是得到对有:第65页/共87页对有即集电结（发射结）短路时的发射结（集电结）饱和电流等于集电结（发射结）开路时的发射结（集电结）饱和电流除以(1－αRαF)

，一般αRαF均小于1，∴IEB0,ICB0都小于IES,ICS第66页/共87页上述二式均可等效为一个电流源与一个二极管并联：代入式（3.5.15）、（3.5.16）得第67页/共87页一、晶体管的工作状态

晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定，如图可分为三个区。当晶体管处于倒向运用状态时，也同样存在以上三个区，但截止区和饱和区是一样的。只注意反向放大区即可。3.6晶体管的开关特性第68页/共87页各工作区中结的偏置情况和电流关系工作区正向放大区反向放大区饱和区截止区发射结偏置VBE>0（正偏）VBE<=0(反偏）VBE>0（正偏）VBE<0(反偏)集电结偏置VBC<=0(反偏）VBC>0(正偏）VBC>=0（正偏）VBC<0（反偏）电流关系IC＝βIbIC＝βRIbIC<=βIb

IC=ICE≈0截止区：

IB＝IEBO＋ICBO饱和区：

Vi>VBB+VBE时

IB>IBS

时Vcc,VBB为集电极和发射极的反向偏置电压。RL：负载电阻当VI为负脉冲或零时当VI为>>VBB的正脉冲信号时第69页/共87页第70页/共87页小结：饱和态晶体管的特点：(1)饱和电流(4)产生超量贮存电荷第71页/共87页

在放大电路中，晶体管作为放大元件；但在逻辑电路中，晶体管是作为开关元件的。二、晶体管的开关作用（以共射极电路为例）截止区---关态饱和区---开态第72页/共87页三、正向压降和饱和压降如图：定义Vbes：晶体管驱动到饱和时，be间电压降称为共射极正向压降。

Vces：晶体管驱动到饱和时，ce间电压降成为共射极饱和压降。很小集电区体电阻压降第73页/共87页四、晶体管的开关过程1、延迟过程2、上升过程3、贮存过程4、下降过程晶体管开关的实际波形第74页/共87页1、延迟过程2、上升过程3、贮存过程4、下降过程第75页/共87页五、开关时间1、延迟时间2、上升时间3、贮存时间4、下降时间5、开启时间6、关断时间六、开关速度的提高

ts最关键第76页/共87页3.7小结：BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路第77页/共87页输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导第78页/共87页缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB第79页/共87页＊3.8先进的双极工艺

双极型的一个重要特点是纵向尺寸无法跟横向尺寸成正比缩减，这使得双极工艺始终落后于MOS一到二代。

BJT最重要的是β和截止频率截止频率↑：Wb↓,寄生结电容↓β↑：发射区掺杂浓度/基区掺杂浓度↑注入效率↑

但是，基区掺杂浓度太低容易发生基区穿通，所以一般提高发射区掺杂浓度，但发射区浓