第三章 双极型晶体管.ppt

微电子器件与IC设计 第3章双极型晶体管BipolarJunctionTransistor BJT 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 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 NPN c b e PNP 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 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 NB NPN晶体管的几种组态 共基极共射极共集电极 3 2晶体管的放大原理 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 各区少子分布 能带图 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 3 2 2 发射效率及基区输运系数 1 发射效率r0 2 基区输运系数 3 集电区倍增因子 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 其中令 1 晶体管放大三要素 Wb Lnb 实现不衰减的电流传输 发射结为单边突变结 NE NB 发射结正向偏置 集电结反向偏置 3 3晶体管的直流电流增益 任务 导出 0 0的定量关系式 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对发射区 基区 集电区分别建立连续性方程 利用波尔兹曼分布关系建立边界条件 解扩散方程得到各区少子分布函数 利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数 由电流密度分布函数得到jne jnc jpe 求出发射效率和输运系数 得到共基极和共射极电流放大系数 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 一 少数载流子分布 1 基区 少子 电子密度分布 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 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 3 3晶体管的直流电流增益 二 电流密度分布函数 3 3晶体管的直流电流增益 3 3晶体管的直流电流增益 三 直流电流增益1 发射效率 0 2 基区输运系数 3 3晶体管的直流电流增益 3 共基极电流增益 或者 其中 为电阻率 4 共射极电流增益 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 通常阻滞区很小 可以忽略不计 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 二 发射区自建电场 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 基区少子分布 3 3 46 当基区杂质指数分布时 3 3 47 根据 3 3 46 利用 类似可得到发射区电流 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 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 3 3晶体管的直流电流增益 四 电流增益 1 发射效率 3 3晶体管的直流电流增益 2 输运系数 其中 是与电场因子 有关的系数 均匀基区晶体管 2基区杂质线性分布 4基区杂质指数近似 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 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 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 考虑势垒复合电流Ire后 小电流下的电流放大系数降低 大电流下Ire可以忽略 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 2 俄歇复合 带间直接复合 发射区少子空穴寿命随着俄歇复合的增加而降低 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 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 基区表面复合使基区输运系数变小 电流放大系数下降 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 VEA越大 说明基区宽变效应越小 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 基区变窄 发射效率和基区输运系数增加 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 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 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 共基极接法 信号放大的同时 相应的漏电流也增大了倍 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 基区穿通 外加电压使发射结和集电结的势垒区在基区相连 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 基极电阻会造成发射极电流集边效应 导致发射结有效面积降低 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 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 同上 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 频率增加一倍 放大系数减小6dB 3 4 5晶体管的频率特性参数 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 于是得到发射极电流 集电极电流 3 5 3晶体管直流特性曲线 一 共基输入 输出特性曲线 Vcb 曲线左移 基区宽变效应使基区输送系数和发射效率增大 导致IE增大 Ie 0 对应Ic Icbo Vcb 0 Ic 0 BC结正偏 Ic才能为0 3 5 3晶体管直流特性曲线 二 共射输入 输出特性曲线 Ib 0 对应Ic Iceo Vce Vcb Wb 曲线倾斜 小电流和大电流时 曲线较密 Vbe 0 Ib Icbo Vce Wb Ib 曲线右移 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 各工作区中结的偏置情况和电流关系 Vcc VBB为集电极和发射极的反向偏置电压 RL 负载电阻 截止区 当VI为负脉冲或零时 IB IEBO ICBO此时流过RL的电流很小 所以Vo VCC 饱和区 当VI为 VBB的正脉冲信号时 Vi VBB VBE进入饱和的原因 1 从外电路来看 是由于RL限制 2 从晶体管内部来看 多余的IBX注入基区 导致发射结和集电结电压都同步增加 导致基区两端少子浓度同步增加 但浓度梯度不变 所以基区少子扩散电流不变 导致ICS基本不变 正向压降和饱和压降 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 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 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 三 晶体管的开关过程 延迟过程td VI加入 Ic 0 1Ics 上升过程tr Ic从0 1Ics 0 9Ics 贮存过程ts VI去掉 Ic 0 9Ics 下降过程tf Ic从0 9Ics 0 1Ics 开启时间ton td tr 关断时间toff ts tf 1 延迟过程 Vi VBB VBE 满足发射结导通的条件 IB出现 给CTC和CTE充电 反偏结电压降低 CTE继续充电到正偏 IB开始给CDE充电 IC由0 0 1ICS 由于CTC上反偏电压较大 所以仍维持反偏 2 上升过程 CTC继续充电 反偏集电结电压降低到接近0V CTE继续充电到0 7V CDE充电使基区少子积累 浓度梯度增大 0 9IC之后 集电结正偏 CTC充电到0 5V 向B区 C区注入少子 导致基区和集电区出现超量电荷 进入饱和状态 CTE继续充电 VBE略有增加 3 存储过程 VI去掉 发射结加上反偏电压VBB IB抽取储存电荷 QBS和QCS减小 相当于CDE和CDC放电 但基区少子浓度梯度不变 ICS不变 0 9IC之后 晶体管退出饱和 进入放大区 此时发射结正偏 集电结微负偏 4 下降过程 QBS和QCS泄放完毕 基区少子浓度梯度开始