《BJT晶体管》PPT课件.ppt

,CompanyLogo,第3章双极结型晶体管,廖付友阮雄飞,2,双极结型晶体管的基本工作原理,Contents,理想双极结型晶体管中的电流传输,埃伯斯-莫尔方程,缓变基区晶体管,双极结型晶体管的结构和制造工艺,3,3.1双极结型晶体管的结构和制造工艺,4,3.1双极结型晶体管的结构和制造工艺,1、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。,2、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。,3、双极晶体管的主要作用是对电流或者电压的放大。,5,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。,6,3.2双极结型晶体管的基本工作原理,双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区,令,（1）正向有源模式：,（2）反向有源模式：,（3）饱和模式：,（4）截止模式：,7,3.2.1晶体管的放大作用,Diagram1,Diagram3,Diagram4,共基极连接晶体管的放大作用,发射结正偏,集电结反偏,8,3.2.1晶体管的放大作用,Diagram1,Diagram3,Diagram4,图3-5NPN晶体管共基极能带图,9,3.2.1晶体管的放大作用,Diagram1,Diagram3,Diagram4,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。,(3)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。(4)晶体管实现放大的必要条件之一：基区宽度很窄,10,3.2.2电流分量,Diagram1,Diagram3,Diagram4,从发射区注入到基区中的电子流,到达集电结的电子流,基区注入电子通过基区时复合引起的复合电流,从基区注入到发射区的空穴电流,发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流,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,11,3.2.2电流分量,Text1subtextText2subtextText3subtextText4subtext,Text1subtextText2subtextText3subtextText4subtext,电流分量之间的关系,12,3.2.3直流电流增益,Text1subtextText2subtextText3subtextText4subtext,概念：电流增益、交流电流增益、直流电流增益,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,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。,基区输运因子,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。,13,3.2.3直流电流增益,Text1subtextText2subtextText3subtextText4subtext,共基极直流电流增益,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。,（3-2-7）,14,3.2.3直流电流增益,Text1subtextText2subtextText3subtextText4subtext,当集电结处于正向偏压时：上式中，当VC为负的很大时，将还原为反向向偏置的情况。,15,3.2.3直流电流增益,Text1subtextText2subtextText3subtextText4subtext,共发射极电流增益,式中定义,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。,16,3.2.3直流电流增益,Text1subtextText2subtextText3subtextText4subtext,伏安特性曲线,集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形,17,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,理想晶体管假设:,（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,18,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,理想晶体管的结构示意图：,19,3.3.1载流子分布与电流分量,一、基区载流子分布及电流,中性基区（0xxB）少子电子分布及其电流：,边界条件为：,解为：,20,3.3.1载流子分布与电流分量,21,3.3.1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：,中性发射区空穴稳态方程,22,3.3.1载流子分布与电流分量,若，（3-3-11）式可以写作：,空穴电流为：,23,3.3.1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：,24,3.3.2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,简化为：,25,3.3.2正向有源模式,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。,图3-11正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布,26,3.3.2正向有源模式,二、电流分量,在正向有源模式下，且有：,27,3.3.2正向有源模式,二、电流分量,28,3.3.2正向有源模式,二、电流分量,当晶体管处于放大状态,由上式可知：发射结电子电流随基区宽度的减小而增加对于小的，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。,29,3.3.2正向有源模式,二、电流分量,空穴电流正偏压发射结空间电荷区复合电流：集电区空穴电流,30,3.3.2正向有源模式,二、电流分量,忽略集电极反向饱和电流,上式说明,31,3.3.2正向有源模式,二、电流分量,晶体管的输出特性曲线图,32,3.3.2正向有源模式,三、共发射极电流增益,取ICE00，取以及则共发射极电流增益的倒数可以写成：,33,3.3.2正向有源模式,三、共发射极电流增益,电流增益对集电结电流的依赖关系,在高电流时，电流增益下降，这是因为注入的少数载流子浓度与基区的多子浓度可比拟，致使发射极效率降低，结果在整个发射结电流中由基区向发射区注入的空穴电流增加，致使发射极效率降低，电流增益下降。,34,3.3.2正向有源模式,三、共发射极电流增益,大电流下的增益计算式为3-3-28,大电流下的增益：增益反比于发射极电流。,35,3.4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。,36,3.4埃伯斯-莫尔方程,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。,37,3.4埃伯斯-莫尔方程,(a),图3-13Ebers-Moll模型（a）NPN一维晶体管，（b）将晶体管表示为有公共区域的背靠背连接的二极管，（c）Ebers-Moll模型等效电路,（c）,38,3.4埃伯斯-莫尔方程,正向有源区：流过发射结的正向电流IF，大部分（）流入集电结反向有源区：流过集电结的正向电流IR，大部分（）流入发射结,叫做正向共基极电流增益,叫做反向共基极电流增益,39,3.4埃伯斯-莫尔方程,其中IF是发射结电压VE的函数，IR是集电结电压VC的函数。2个二极管的电流可分别表示为（IF0和IR0分别是发射结和集电极的PN结反向饱和电流）,（3-4-1）,（3-4-2）,40,3.4埃伯斯-莫尔方程,则晶体管的端电流可表示为从而得到E-M模型的基本方程为（3-4-5和6）,3.4埃伯斯-莫尔方程,基区少数载流子电流InE,对于的情形,基区空穴电流为:,下面分析方程中的四个参数（IF0、IR0、）与晶体管的结构参数和材料参数之间的关系。,42,3.4埃伯斯-莫尔方程,将发射结空间电荷区的复合电流看做外部电流，则把IpE、InE代入上式，得到（3-4-8）,类似的方法可以得到（3-4-10）,3.4埃伯斯-莫尔方程,其中,可以看出,44,3.4埃伯斯-莫尔方程,其中4个模型参数（IF0、IR0、）为：由于a12=a21，则，称为互易关系，从而4个模型参数中只有3个是独立的。,45,3.4埃伯斯-莫尔方程,3.4.2工作模式和少子分布双极晶体管有四种工作模式，取决于发射结和集电结的偏置状况。(1)正向有源工作模式：0，0基区少子满足的边界条件为，(2)反向有源工作模式：0相应的边界条件为:,(3)饱和工作模式：0，0相应的边界条件为:,(4)截止工作模式:0，0相应的边界条件为:,46,3.4埃伯斯-莫尔方程,四种工作模式及相应的少子分布,此外，,0,正向有源,饱和,截止,反向有源,47,3.5缓变基区晶体管,在实际的晶体管中，杂质分布是不均匀的，如下图所示。发射区和基区的杂质分布都是缓慢变化的，缓变的发射区掺杂对晶体管性能的影响很小，可以忽略。,图3-162N3866晶体管的杂质分布,48,3.5缓变基区晶体管,一、基区的缓变杂质分布，引起内建电场这个电场