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1,Chap3 双极结型晶体管,2,发展史,1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain) 1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley) 1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley) 1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（TI） 1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三） 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产,3,晶体管与场效应晶体管的区别,晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件；而场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件。 由于场效应管的工作电流和电压都可以很小，且在工艺上易于集成，因此在大规模集成电路中占主导地位。 但是结型晶体管凭借功耗和性能方面的优势仍然广泛应用于高速计算机、火箭、卫星以及现代通信领域中。,4,3.1双极结型晶体管的结构,5,3.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺,6,3.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺,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，分为：NPN和PNP两种形式 发射区为重搀杂，发射结为P+N或者N+P，基区是两个PN结的公共端。 双极晶体管的主要作用是对电流或者电压的放大。,7,3.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺,硅平面外延NPN晶体管：图3-2：横界面图和工艺复合图；图3-3：净掺杂浓度分布。 是一个N+PNN+四层结构器件。 发射结面积小于集电结面积。 内基区（本征基区）：发射结和集电结距离最短的那一部分。 外基区（非本征基区）：其余部分基区。,8,3.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺,双极型晶体管基区中的电流传输过程与杂质分布形式有极密切的关系。 均匀基区晶体管：基区杂质浓度为常数。低注入下基区少子的运动形式为扩散。 缓变基区晶体管：基区掺杂浓度随位置变化。低注入下基区少子的运动形式既有扩散也有漂移。,9,3.2基本工作原理,双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令 ， 分别为基极对发射极和基极对集电极的电压。则四种工作模式是：,（1）正向有源模式： 0， 0； （2） 反向有源模式： 0， 0； （3）饱和模式： 0， 0； （4）截止模式： 0， 0。,10,3.2.1晶体管的放大作用,共基极连接晶体管的放大作用,11,3.2.1晶体管的放大作用,共基极连接晶体管的放大作用,图3-5NPN晶体管共基极能带图,12,3.2.1晶体管的放大作用,载流子的运输： （1）发射结正偏，由于正向注入，电子从发射区注入基区，空穴由基区注入发射区。呈现正向偏置的少子注入 （2）假设：基区很小。即少子在到达基区与集电区边界时还没有被完全复合掉。其中大部分能到达集电结，并被内电场加速进入集电结，称为集电结电流。,13,3.2.1晶体管的放大作用,从发射区注入基区，进入集电区的电子电流远大于集电结反偏所提供的发祥饱和电流，是集电极电流的主要成分。 晶体管实现放大的必要条件之一：基区宽度很窄。,14,3.2.2电流分量,15,3.2.2电流分量,是从发射区注入到基区中的电子流 是到达集电结的电子流。 是基区注入电子通过基区时复合引起的复合电流 是从基区注入到发射区的空穴电流,16,3.2.2电流分量,是发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流。 是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流。,17,3.2.2电流分量,电流分量,（3-3）,（3-1）,（3-2）,（3-4）,18,3.2.3电流增益,为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率,（3-2-5）,（3-2-7）,基区输运因子,共基极直流电流增益,（3-2-6）,19,3.2.3电流增益,的意义：从发射区注入到基区的电子电流，在总的发射极电流中所占的比例。 的意义：发射区注入到基区的电子电流中能到达集电极的电子电流比例。 共基极直流电流增益还可以写为,20,3.2.3电流增益,是基区运输因子和发射极注射效率的乘积。其意义是经过发射结注入而到达集电极的电子电流在总的发射极电流中所占的百分比。应尽量接近1。 提高电流增益的途径是提高 和 。 3-2-7还可以写成 上式说明：以基极作为公共端时，输出集电极电流与输入发射极电流之间的关系。,21,3.2.3电流增益,当集电结处于正向偏压时： 上式中，当VC为负的很大时，将还原为正向偏置的情况。,22,3.2.3电流增益,图3-7集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形,23,3.2.3电流增益,式中定义,共发射极电流增益,共发射极直流电流增益,IB=0时，集电极发射极漏电流，也称为穿透电流。,24,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场； （2）结是理想的平面结，载流子作一维运动； （3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流 子运动是一维的； （4）基区宽度远小于少子扩散长度； （5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上； （6）发射结面积和集电结面积相等； （7）小注入，等等,25,3.3.1电流传输,理想晶体管的结构示意图：,26,3.3.1载流子分布与电流分量,一、电流传输 中性基区（0 ）少子电子分布及其电流：,边界条件为：,27,3.3.1载流子分布与电流分量,电子电流,（3-3-5）,（3-3-6）,28,3.3.1载流子分布与电流分量,二、发射区少子空穴分布及其电流： 边界条件：,（3-3-7） （3-3-8）,（3-3-11）,29,3.3.1载流子分布与电流分量,若 ，（3-3-11）式可以写作：,空穴电流为：,（3-3-14）,30,3.3.1载流子分布与电流分量,三、集电区少子空穴分布及其电流 边界条件：,（3-3-15）,（3-3-14）,31,3.3.2正向有源模式,一、少数载流子分布,在 的情况下，以及正向有源区的条件下，3-3-4简化为 当XB/Ln=0.1（基区宽度小于扩散长度）时，正向有源模式下的各区少子分布如图3-11所示。,（3-3-17）,32,3.3.2正向有源模式,图3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布,33,3.3.2正向有源模式,二、电流分量 在正向有源模式下，且 有：,（3-3-21）,（3-3-22）,34,3.3.2正向有源模式,由3-3-21可知：发射结电子电流随基区宽度的减小而增加 由3-3-22可知：对于小的 ，运输因子接近于1，这意味着在越过基区的运输过程中，电子损失可以忽略。,35,3.3.2正向有源模式,空穴电流 正偏压发射结空间电荷区复合电流：,（3-3-13）,（3-3-23）,（3-3-24）,36,3.3.2正向有源模式,忽略集电极反向饱和电流 上式说明,（3-3-25）,37,3.3.2正向有源模式,三、共发射极电流增益 可以忽略基区复合电流和集电极漏电流，基区的电子电流即IC。 XB称为有效基区厚度，是两个耗尽区边界到边界的距离。 由PN结定律：,38,3.3.2正向有源模式,进入发射区的空穴电流： 理想情况下，忽略基区复合电流，即 。在 的条件下：,39,3.4 埃伯斯莫尔方程,用等效电路模型来描述BJT的电特性。 该模型由两个方程组成，称为E-M模型。 E-M方程适用于各种结构的BJT和BJT的各种工作模式。,40,3.4.1 埃伯斯莫尔模型,电路模型：将NPN晶体管看做两个背靠背的互相有关联的二极管，这种关联是指一个二极管正向电流的大部分流入另一个反向偏置的二极管中。,41,3.4.1 埃伯斯莫尔模型,正向有源区：流过发射结的正向电流IF，大部分（ ）流入集电极 反向有源区：流过集电结的正向电流IR，大部分（ ）流入发射极,42,3.4.1 埃伯斯莫尔模型,其中IF是发射结电压VE的函数，IR是集电结电压VC的函数。 和 分别称为正向和反向共基极电流增益 2个二极管的电流可分别表示为（IF0和IR0是通常二极管的饱和电流） （3-4-1） （3-4-2）,43,3.4.1 埃伯斯莫尔模型,则晶体管的端电流可表示为 从而得到EM模型的基本方程为（3-4-5和6）,44,3.4.1 埃伯斯莫尔模型,下面分析方程中的四个参数与晶体管的结构参数和材料参数之间的关系。 将发射结空间电荷区的复合电流看做外部电流，则 对于xBLn的情形，得到（3-4-8）,45,3.4.1 埃伯斯莫尔模型,类似的方法可以得到（3-4-10）,46,3.4.1 埃伯斯莫尔模型,其中4个模型参数（IF0、IR0、 、 ）为： 由于两端口网络器件的互易性质，有a12 = a21，则 ，从而4个模型参数中只有3个是独立的。,47,3.4.1 埃伯斯莫尔模型,在E-M方程中，取IC=0，VE0，得到的IE称为BJT的集电极开路发射结饱和电流，记为IE0；取IE=0，VC0，得到的IC称为BJT的集电极开路发射结饱和电流，记为IC0。 而IF0和IR0分别是发射结和集电结的PN结反向饱和电流。,48,3.4.2 工作模式和少子分布,双极晶体管的四种工作模式： (1)正向有源工作模式： 0， 0，基区少子满足的边界条件为 E-M方程为3-4-14和3-4-15,49,3.4.2 工作模式和少子分布,(2)反向有源工作模式： 0，相应的边界条件为: E-M方程为3-4-16和3-4-17。,50,3.4.2 工作模式和少子分布,(3)饱和工作模式： 0， 0 ，相应的边界条件为: E-M方程为3-4-18和3-4-19。,51,3.4.2 工作模式和少子分布,(4) 截止工作模式: 0， 0 ，相应的边界条件为: E-M模型为3-4-20和3-4-21。,52,3.4.2 工作模式和少子分布,此外还有,53,3.4.2 工作模式和少子分布,四种模式下少子分布,54,3.5缓变基区晶体管,由于实际的工艺过程，导致基区的杂质分布并不均匀，存在很大的浓度剃度。如图3-16。 基区内的杂质浓度使空穴向集电区扩散，而在热平衡条件下，中性基区将有一个内建电场来抵消扩散电流，使之不产生净电流。但这一内建电场将增强电子的运动。,55,3.5缓变基区晶体管,56,3.5缓变基区晶体管,在正向有源工作模式下，注入到基区的电子不仅有扩散运动，还有漂移运动。 内建电场的主要作用是缩短了注入电子渡越基区所需要的时间，改善晶体管的高频特性；进一步的作用是改善基区的传输因子，减少电子在基区的复合。,57,3.5缓变基区晶体管,Webster效应：在高电平作用下，在基区漂移和扩散运动对电子运输的贡献是相等的。相当于扩散系数增加一倍。,58,3.6基区扩展电阻和电流聚集,发射极电流拥挤（发射极电流集聚效应）：由于基区扩展电阻的存在，使得发射结电压降低，影响电子注入，使发射极电流集中在发射结边缘附近，称为电流集边效应。,59,3.6基区扩展电阻和电流聚集,图3-17 基区中的横向基极电流和欧姆电压降，导致在发射结边缘 处有最大的正向偏压,60,3.6基区扩展电阻和电流聚集,发射极电流基本上同发射区的周长（而不是面积）成正比，降低电流集聚效应的方法是采用周长/面积比很高的梳状结构。 基极扩展电阻：有源电阻和无源电阻。,61,3.6基区扩展电阻和电流聚集,图3-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图,62,3.7基区宽度调变效应,基区宽度调制：反偏PN结的耗尽层宽度明显依赖于电压。因此工作在放大状态的集电结耗尽层宽度依赖于VCE（或VCB），该偏压也会影响基区的宽度XB，称为基区宽度调制。 厄利效应：由基区宽度调制效应而引起的IC随VCE（或VCB ）的变化称为厄利效应。,63,3.7基区宽度调变效应,基区宽度调变效应是双极晶体管的一种非理想效应，它使双极晶体管的输出电流呈现非饱和特性，即输出电导不为0。,64,3.7基区宽度调变效应,在共发射极电路中，当VCE增加时，集电结空间电荷区变宽（称为基区宽度调变效应），使有效基区宽度变小，使IC增加。,65,3.8 晶体管的频率响应,在低频时，电流增益与工作频率无关；但随着工作频率的升高，在达到一定的临界频率之后，增益幅度下降，这种现象称为器件的频率响应。 小信号的共基极和共发射极电流增益定义为：,66,3.8 晶体管的频率响应,电流增益与频率的关系称为晶体管的频率响应：,67,3.8 晶体管的频率响应,图中的各种频率定义为： 共基极截止频率 ： 的大小下降为0.707 （下降3dB）时的频率。 共发射极截止频率 ： 的大小下降为0.707 （下降3dB）时的频率。 和 也称为3dB频率。 截止频率又称为工作带宽。,68,3.8 晶体管的频率响应,增益带宽乘积 ，它是 的模量变为1时的频率，也叫做特征频率。 是晶体管共射极接法工作的截止频率即带宽，故 称为增益带宽乘积。,69,3.8 晶体管的频率响应,和 之间的关系： 共发射极截止频率 要比共基极截止频率 低得多，但增益带宽之积接近于 造成BJT频率响应的原因：信号延迟。 晶体管的4个因素都引进了时间延迟，从而影响截至频率。,70,3.8 晶体管的频率响应,1、基区渡越时间（对晶体管频率特性最严格的限制） 假设基区少数载流子电子以有效速度 渡越基区，则基区电子电流为,71,3.8 晶体管的频率响应,一个电子渡过基区所需要的时间 对于均匀基区晶体管,72,3.8 晶体管的频率响应,小的 意味着短的信号延迟或高的工作频率。 因此为了实现较好的频率特性，应把基区设计的很小。 2、发射结过渡电容充电时间,73,3.8 晶体管的频率响应,3、集电结耗尽层渡越时间 是集电结耗尽层的总厚度， 是载流子越过集电结耗尽层的饱和速度。,74,3.8 晶体管的频率响应,4、集电结电容充电时间 集电结处在反向偏压下使得与结电容并联的电阻很大，结果是，从点时间常数由电容CTC和集电极串联电阻rSC决定。,75,3.8 晶体管的频率响应,截止频率 等于从发射极到集电极的信号传播中的全部时间延迟的倒数。因而有,76,3.8 晶体管的频率响应,截止频率对工作电流的依赖关系： 当发射极电流增加时，发射结时间常数 变得更小，因此式（3-8-15）中的 增加。这说明，频率特性的改进可以通过增加工作电流来实现。,77,3.8 晶体管的频率响应,2、 Kirk效应 也称为基区展宽效应：由于外延N层的浓度低于基区，使得集电结耗尽层向外延层扩展。 当发射极电流增加时，大量电子抵达集电结，中和了带正电的离子，形成中性区。,78,3.8 晶体管的频率响应,当发射极电流很高时，有效基区的宽度将变宽，负电荷层在外延层形成，正电荷层在N+区内形成，使集电结位置离开发射结很远，称为Kirk效应。 Kirk效应会有效地增加基区宽度，结果会导致在高电流下电流增益和频率特性下降。,79,3.9混接 型等效电路,在小信号工作条件下的晶体管等效电路。 混接 型（ H-P模型）又称为复合 模型，它代表工作在共发射极电路中的正向有源模式的晶体管。 它的所有参数都与晶体管中的物理过程有关。,80,3.9混接 型等效电路,该模型基本上代表了基区存储电荷的动态增长变化对发射结外加电压增长变化的依赖关系，如图3-25所示。 当发射极电压增加时，基区存储电荷增加，导致输出电流集电极电流增加。,81,3.9混接 型等效电路,82,3.9混接 型等效电路,图中各参数的意义如下： 一、跨导 它反映了发射结电压对集电极电流的调制。,83,3.9混接 型等效电路,二、正偏发射结扩散电导： 它是正偏发射结电阻（也叫做PN结扩散电阻）的倒数。,84,3.9混接 型等效电路,三、扩散电容： 贮存在基区的总电荷为 则,85,3.9混接 型等效电路,共发射极短路电流增益的截止频率为 对于CDCTE+CTC的情形，增益带宽乘积为,86,3.10晶体管的开关特性,1、工作原理 在数字应用中，双极型晶体管设计成一个开关。 晶体管处于截止区，发射结和集电结都处于反偏状态。在截止状态集电极电流很小，阻抗很高，晶体管处于“关”态。 在饱和状态，集电极电流很大而且它的阻抗很低，所以晶体管被认为是“通”态。,87,3.10晶体管的开关特性,88,3.10晶体管的开关特性,在饱和状态，集电极电流被负载电阻所限制： 驱动晶体管进入饱和（称为临界饱和状态）所需要的最小基极电流为：,89,3.10晶体管的开关特性,2、开关时间 在“通”和“断”两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的。 载流子分布不能立刻改变。需要一个过渡时间，称为开关时间。 开关时间对应于建立和去除这些少数载流子的时间。,90,3.10晶体管的开关特性,晶体管打开过程：从基区输入脉冲，到发射结导通需要一段时间，对结进行充电，使发射结正偏。 晶体管关断过程：脉冲撤销后，除了移走存储电荷所需要的“存储时间”外，IC要经过一段时间才能接近于0，器件对结电容放电，集电结从零偏到反偏，称为下降时间。,91,3.10晶体管的开关特性,1）导通延迟时间 导通延迟时间td是从加上输入阶跃脉冲至输出电流达到最终值的百分之十（0.1ICS）所经历的时间。 （1）从反偏压改变到新电平，发射结空间电荷区宽度逐减变小：结的耗尽层电容的充电时间；,92,3.10晶体管的开关特性,（2）载流子通过基区和集电结耗尽层的渡越时间。 晶体管从截止到正向有源模式。 发射结从反向偏压到零偏压，再到正向偏压过渡。 集电结的反向偏压逐减少。 基区存储电荷，其浓度梯度可以使集电极电流为饱和的0.1。,93,3.10晶体管的开关特性,94,3.10晶体管的开关特性,2）上升时间 上升时间 ：电流 从 （ ）的百分之十上升到百分之九十所需要的时间。 集电结反向偏压减小到0附近，对集电结电容充电。该时间受输出时间常数的 影响。 存储电荷：QB 导通延迟时间td和上升时间 之和，称为晶体管的导通时间（从截止区到正向有源区）。,95,3.10晶体管的开关特性,在经历上升时间之后，基区和集电区分别存储电荷QBX和QC。 发射结和集电结均变为正向偏置。 最终：基区和集电区中，过量存储载流子超过了保持正向有源工作模式的需要，到达饱和模式。 如图3-27中的阴影。,96,3.10晶体管的开关特性,3）存储时间 ：从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到 之间的时间。 存储时间在限制开关晶体管的开关速度方面，是一个最重要的参数。 过量存储电荷QBX和QC 被去除之前，晶体管仍然处于饱和状态，晶体管输出电流不能改变。 存储时间对应于去除这部分过剩载流子所需时间。,97,3.10晶体管的开关特性,4）下降时间 ：表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分之十的时间间隔。这是上升时间的逆过程，并且受到同样的因素限制。去除电荷：QB 储存时间 和下降时间 之和称为晶体管的关断时间。,98,3.10晶体管的开关特性,导通和关断时间之和称为晶体管的开关时间。 开关作用：开关时间比输入脉冲的持续时间短得多。 储存时间是主要参数：去除QBX。,99,3.10晶体管的开关特性,电荷控制理论：在该理论中，利用各个区的受控制电荷来建立方程，包括基区和集电区（发射区存储电荷量很少，可忽略），通过电荷的存储变化，分析电流的变化过程。,100,3.10晶体管的开关特性,电荷控制方程：电荷存储与电流的关系 （2-9-2） 将上述电荷控制方程应用于基区的存储电荷和电流。,101,3.10晶体管的开关特性,用 代替 ，用 代替 ，并用 代替 ，便得到进入饱和模式后基区电荷控制方程： 正向有源模式的电荷控制方程：,102,3.10晶体管的开关特性,在稳态条件下，式中依赖于时间的项为零。则基极电流可表示为 当进入饱和时，总电荷为 电荷控制方程变为,103,3.10晶体管的开关特性,现在让我们突然把基极电流从 改变到 过量电荷开始减少，但有源电荷 在 和 之间保持不变。于是在这段时间内可以令,104,3.10晶体管的开关特性,于是有 或,105,3.10晶体管的开关特性,方程（3-10-12）的解为 在 时，全部过量少数载流子被去除掉， 。因此求得,106,3.11反向电流和击穿电压,晶体管中最高电压的根本限制与在P-N结二极管中的相同，即雪崩击穿或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的P-N结的性质，它还依赖于外部的电路结构。,107,3.11反向电流和击穿电压,在放大状态下，当VCB（共基极连接中的集电极基极偏压）或VCE（共发射极连接中的集电极发射极偏压）超过临界值时，晶体管的集电极电流IC急剧增加，称为雪崩击穿。 原因是集电结耗尽区内的电场太强，而产生大量的电子和空穴（雪崩倍增）。,108,3.11反向电流和击穿电压,一、共基极连接 在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏压 倍增因子M：当M接近无限大时，就达到雪崩击穿的条件。,109,3.11反向电流和击穿电压,经验公式（对于共基极电路）：,110,3.11反向电流和击穿电压,此时发射结对集电结相对独立，此时的击穿电压相当于独立集电结的击穿电压。 图3-29中，在 处 突然增加。 在雪崩条件下，表示集电极电流和发射极电流关系的有效电流增益增大M倍，即,111,3.11反向电流和击穿电压,二、共发射极连接 由于 ，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为 当达到的条件 时，新的电流增益变为无穷，即发生击穿。,112,3.11反向电流和击穿电压,由于 非常接近于1，当 不要比1大很多时就能满足共发射极击穿条件。 基极开路情况下的击穿电压用 表示。令（3-