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西安电子科技大学 微电子学院 西安电子科技大学 微电子学院 Physics of Semiconductor Devices 双极型器件物理 游海龙 XD PSpice及其基本功能 2 Physics of Semiconductor device 微电子学院 第二章 第二章 BJT 直流特性分析直流特性分析 2 1 双极晶体管直流放大原理定性分析双极晶体管直流放大原理定性分析 2 2 双极晶体管直流双极晶体管直流I V特性的定量分析特性的定量分析 2 3 影响双极晶体管直流放大系数的实际因素影响双极晶体管直流放大系数的实际因素 XD PSpice及其基本功能 3 Physics of Semiconductor device 微电子学院 2 1 双极晶体管直流放大原理定性分析双极晶体管直流放大原理定性分析 BJT电流传输过程电流传输过程2 直流电流放大系数直流电流放大系数3 BJT电流放大能力电流放大能力4 BJT结构与制造工艺结构与制造工艺 1 XD PSpice及其基本功能 4 Physics of Semiconductor device 微电子学院 2 1 1 BJT Basics 1 BJT Structure XD PSpice及其基本功能 5 Physics of Semiconductor device 微电子学院 1 BJT Structure BJT Basic Structure XD PSpice及其基本功能 6 Physics of Semiconductor device 微电子学院 1 BJT Structure mx cmN je E 2 1 10 320 发射区 基区 mx cmN jc B 0 2 10 317 集电区 315 10 cmNC C 分立的平面工艺 npnBJT的横界面图 n n p n BEB je x jc x b w 32019 10 10 cm c w x 0 m 5 m 200 XD PSpice及其基本功能 7 Physics of Semiconductor device 1 BJT Structure 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 8 Physics of Semiconductor device 1 BJT Structure 双极晶体管结构特点 双极晶体管结构特点 1 双极晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个pn 结 三端分别为发射极 基极和集电极 2 相对于少子扩散长度 基区宽度很小 3 三个掺杂扩散区浓度不同 发射区掺杂浓度最高 集电区掺杂浓度最低 结构特点 结构特点 NE NB NC 基区宽度 基区宽度WB 少 子扩散长度 少 子扩散长度 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 9 Physics of Semiconductor device 2 BJT Fabrication 微电子学院 CE B Buried layer XD PSpice及其基本功能 10 Physics of Semiconductor device 2 BJT Fabrication IC process 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 11 Physics of Semiconductor device 2 BJT Fabrication 合金工艺合金工艺 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 12 Physics of Semiconductor device Summary BJT Structure and Fabrication 微电子学院 纵向结构 垂直于两个PN结面上的结构 发射结结深xje 集电结结深xjc 外延层厚度 发射区宽度We 基区宽度Wb 集电区宽度Wc 各区的掺杂浓度及其分布 方块电阻 横向结构 几何图形结构 发射结面积Ae 发射区条宽Se 条长Le 集电结面积Ac 材料参数 少子寿命 扩散系数 BJT结构参数和材料参数 XD PSpice及其基本功能 13 Physics of Semiconductor device Summary BJT Structure and Fabrication 微电子学院 根据基区掺杂浓度分布 BJT分为 均匀基区 基区杂质分布均匀 缓变基区 基区中杂质有一定的浓度梯度 掺杂浓度及其分布 XD PSpice及其基本功能 14 Physics of Semiconductor device Summary BJT Structure and Fabrication 微电子学院 均匀基区杂质分布 AD NN x0 AD NN x0 缓变基区杂质分布 XD PSpice及其基本功能 15 Physics of Semiconductor device 3 BJT Circuit Symbol XD PSpice及其基本功能 16 Physics of Semiconductor device 4 Modes of Operation 微电子学院 E V C V Saturation Forward active Inverse active Cutoff be结的偏压 bc结的偏压 1 VCB 0 VBE 0 2 VCB 0 VBE 0 3 VCB 0 VBE 0 4 VCB0 XD PSpice及其基本功能 17 Physics of Semiconductor device 5 Circuit Configuration 微电子学院 共共b 物理过程明确 共 物理过程明确 共e 电路中广泛应用 电路中广泛应用 XD PSpice及其基本功能 18 Physics of Semiconductor device Summary Study object 1 NPN结构 双极结构 双极IC的工艺流程以的工艺流程以NPN结构为中心 结构为中心 n型和pnp型晶体管是互补的器件 以npn型晶体管推导的双 极晶体管的理论 其基本原理和方程式也适用于pnp型器件 2 均匀基区 突出物理过程 结论扩展到缓变基区 均匀基区 突出物理过程 结论扩展到缓变基区 3 NE NB NC WB 少子扩散长度 基本结构情 况 少子扩散长度 基本结构情 况 4 共共b连接 突出物理过程 结论扩展到共射极 连接 突出物理过程 结论扩展到共射极 5 重点分析正向放大偏置状态 基本应用状态 重点分析正向放大偏置状态 基本应用状态 BE结正偏 BC结反偏 即VCB 0 VBE 0 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 19 Physics of Semiconductor device 2 1 2 双极晶体管中的电流传输过程双极晶体管中的电流传输过程 微电子学院 一维npnBJT 工作模式 正向有源 BE结正偏 BC结反偏 即 VE 0 VCNB NC XD PSpice及其基本功能 20 Physics of Semiconductor device 1 正向放大偏置下的载流子传输过程 正向放大偏置下的载流子传输过程 微电子学院 0 E V0 C V E I C I B I E C B 1 x 2 x 3 x 4 x be结耗尽区 bc结耗尽区 nbb LW n p n XD PSpice及其基本功能 21 Physics of Semiconductor device 1 正向放大偏置下的载流子传输过程 正向放大偏置下的载流子传输过程 若基区宽度远小于基区少子的扩散长度 则正向发 射结注入到基区的电子可以通过扩散穿越基区到达 x3 并进入bc结耗尽区 之后被耗尽区的强电场迅 速扫进集电区 注入的电子在通过基区过程中会与基区空穴复合而 损失一部分 但大部分会到达集电结 正向发射结同时还向发射区注入空穴 注入到发射 区的空穴在运动过程中不断与电子复合而转换为电 子漂移电流 基区中与电子复合的空穴和注入到发射区的空穴由 基极提供 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 22 Physics of Semiconductor device 2 正向放大偏置下的电流传输过程 正向放大偏置下的电流传输过程 1 EB结 正偏结 正偏 发射区将向基区注入 或称为 发射 电子 电流形成发射区将向基区注入 或称为 发射 电子 电流形成InE 同时基区向发射区注入空穴 形成同时基区向发射区注入空穴 形成IpE 该该pn结称为结称为 发射结发射结 的原因 的原因 IE IpE InE 2 基区 注入到基区的电子是基区中的少子 注入基区后以扩散方式通过基区 基区 注入到基区的电子是基区中的少子 注入基区后以扩散方式通过基区 由于由于WB LB 他们在扩散通过基区的过程中被复合掉的很少 绝大部分能到 达 他们在扩散通过基区的过程中被复合掉的很少 绝大部分能到 达BC结的基区一侧 记相应的电流为结的基区一侧 记相应的电流为InC 则与 则与InE之差就是在基区中被复合掉的电 流 记为 之差就是在基区中被复合掉的电 流 记为IRB 则 则 InE InC 3 BC结 反偏 到达反偏的势垒区边界处的少子 对应结 反偏 到达反偏的势垒区边界处的少子 对应InC 立即被势垒区强电 场扫过势垒区 到达集电区 成为 立即被势垒区强电 场扫过势垒区 到达集电区 成为IC的一部分 另外 反偏的一部分 另外 反偏BC结本身还有反向饱 和电流流过 记为 结本身还有反向饱 和电流流过 记为ICBO 则 则 IC InC ICBO 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 23 Physics of Semiconductor device 3 晶体管端电流的分量组成 晶体管端电流的分量组成 微电子学院 IE InE IpE IC InC ICBO IB IpE IrB ICBO 流过be结的电子电流 流过be结的空穴电流 流过bc结的电子电流 基区复合电流 bc结反向漏电流 nE I pE I nC I rB I cBO I XD PSpice及其基本功能 24 Physics of Semiconductor device 3 晶体管端电流的分量组成 晶体管端电流的分量组成 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 25 Physics of Semiconductor device 2 1 3 直流电流放大系数直流电流放大系数 1 共基极直流电流放大系数 共基极直流电流放大系数 1 从输入到输出的电流传输效率 从输入到输出的电流传输效率 2 输出电流的组成 输出电流的组成 3 电流电流ICBO的含义的含义 IE为为0情况下 即输入端开路情况下 即输入端开路Open 的流过输出端 的流过输出端 BC间 电流 因此记为间 电流 因此记为ICBO 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 26 Physics of Semiconductor device 1 共基极直流电流放大系数 共基极直流电流放大系数 4 中间变量 注入效率中间变量 注入效率 与基区输运系数与基区输运系数 T 显然 和 均小于一 但是希望 和 越大越好 显然 和 均小于一 但是希望 和 越大越好 从电流输运角度考虑 要求流过发射极的电流从电流输运角度考虑 要求流过发射极的电流IE中 注入到 基区的电流分量 中 注入到 基区的电流分量InE所占的比例越大越好 所占的比例越大越好 注入到基区的电流注入到基区的电流InE在扩散通过基区的过程中被复合的比例 越小越好 即 在扩散通过基区的过程中被复合的比例 越小越好 即InC越大越好 越大越好 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 27 Physics of Semiconductor device 2 共射极直流电流放大系数 共射极直流电流放大系数 1 电流电流IC和和IB关系分析关系分析 2 0的含义的含义 即即 0是发射极电流是发射极电流IE中传输到输出端的那部分中传输到输出端的那部分InC与不能传输 到输出端而成为 与不能传输 到输出端而成为IB电流的那部分 电流的那部分 IpE IRB 之比 之比 由于 趋于一 所以 一般比由于 趋于一 所以 一般比1大得多 例如大得多 例如 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 28 Physics of Semiconductor device 2 共射极直流电流放大系数 共射极直流电流放大系数 3 从载流子输运过程理解电流从载流子输运过程理解电流ICEO的含义的含义 ICEO是是IB 0 即基极开路 即基极开路Open 情况下流过 输出端 即 情况下流过 输出端 即CE之间 的电流 之间 的电流 思考题 从载流子输运过程推导思考题 从载流子输运过程推导ICEO和和ICBO的 关系 的 关系 微电子学院 XD PSpice及其基本功能 29 Physics of Semiconductor

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