深圳大学微电子学基础原理第三章双极型晶体管.ppt

1、1,微电子学基础理论,第三章 双极型晶体管,信息工程学院 姜梅,目录,2,3,晶体管的结构和工作原理,晶体管的电流放大特性,晶体管的直流特性曲线,晶体管的频率特性,晶体管的开关特性,2,1,4,5,3.1 晶体管的结构与工作原理 3.1.1晶体管的基本结构,晶体管就有两种基本组合形式：P-N-P型或N-P-N型，它们的结构和符号如图所示，其符号中的箭头方向表示发射结电流的方向。,（a）管芯结构 （b）符号 晶体管的结构和符号,3.1.2晶体管的制备与杂质分布,1. 合金晶体管 PNP型合金管结构与杂质分布如图所示 合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都是均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发

2、射结和集电结均是突变结。,（a）管芯结构 （b）杂质分布 锗合金晶体管的结构与杂质分布,3.1.2晶体管的制备与杂质分布,2. 平面晶体管 平面晶体管结构与杂质分布如图所示 平面工艺最主要的特点是：利用SiO2稳定的化学性能，能耐高温，具有掩蔽杂质原子扩散和良好的绝缘性能，与光刻技术相配合，可进行选择扩散，这样使平面晶体管具有更为合理的电极形状，薄的基区，钝化的表面，因此在功率、噪声、稳定性、可靠性等方面达到一个较高的水平。,3.1.2晶体管的制备与杂质分布,3. 外延平面晶体管 在平面晶体管制造工艺的基础上又发展了一种外延平面晶体管。其结构与杂质分布如图所示 由图可见，双扩散外延平面晶体管的

3、基片电阻率很低，集电极串联电阻很小，使集电极饱和压降减小，晶体管可做得很小，基区宽度Wb很薄，从而使外延平面晶体管在频率特性、开关速度和功率等方面都有很大的提高与改善，因此，成为目前生产最主要的一种晶体管。,（a）管芯结构 （b）杂质分布 硅外延平面管结构及杂质分布示意图,3.1.3晶体管的工作原理,晶体管最重要的作用是具有放大电信号的能力。为什么紧靠着的两个PN结具有放大作用？要晶体管具有放大作用首先要有适当的电路。,3.1.3晶体管的工作原理,晶体管的放大能力,基区厚度很大的NPN结构的电流流通与少子分布示意图,晶体管的放大能力,具有放大作用的晶体管在结构上需要满足什么条件呢？,具有NPN

4、或PNP三层结构； 基区宽度非常薄，薄的程度远小于非 平衡少子的扩散长度； 发射区的杂质浓度要远大于基区杂质浓度。,晶体管的放大能力,表1给出了型号为3DG6晶体管（硅高频小功率管），在集电结UCC=6V条件下测量所得的实际数据。 晶体管的电压放大系数为： 晶体管的功率放大应等于它的电流放大系数与电压放大系数的乘积，,表1 晶体管各电极电流分配表,11,3.2 晶体管的电流放大特性,几点假设: 发射结和集电结均为理想的突变结，且结面积相等（用A表示）； 各区杂质为均匀分布，载流子仅做一维传输，不考虑表面的影响； 外加电压全部降落在PN结势垒区，势垒区以外不存在电场； 发射结和集电结势垒区宽度远

5、小于少子扩散长度，且不存在载流子的产生与复合，因而通过势垒区的电流不变； 发射区和集电区的宽度远大于少子扩散长度，而基区宽度远小于少子扩散长度； 注入基区的少子浓度比基区多子浓度低得多，只讨论小注入情况。,3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输,3. 载流子的输运过程 （a）少子分布示意图 （b）载流子输运过程示意图 晶体管中载流子分布及其输运过程示意图,3. 载流子的输运过程 （1）根据正向PN结特性，发射区注入基区靠发射结边界X2处的电子浓度为 由基区注入发射区靠发射结边界X1处的空穴浓度为 （2） 根据反向PN结特性，集电结两边界X3和X4处的少子浓度分别为,14,3.2.2

6、晶体管内的电流传输与各端电流的形成,1. 晶体管内的电流传输 NPN型晶体管电流传输示意图,15,2. 晶体管各端电流的形成 （1） 发射极电流IE 从上面的分析与讨论可知，发射极的正向电流IE是由两股电流组成的： IE=Ip(X1)+ In(X2) （3-8） （2） 基极电流IB 基极电流IB是由三部分组成的： IB= Ip(X1)+ IVB-ICBO （3-9） 由于通常情况下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示为 IB Ip(X1)+ IVB （3-10） （3） 集电极电流IC 通过集电结和集电区的电流主要有两股组成： IC= In(X4)+ ICBO

7、（3-11） 因为ICBO很小，（3-11）式可近似表示为 IC=In(X4) （3-12）,3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成,16,2. 晶体管各端电流的形成 （4） 晶体管三端电流之间的关系 由上面的分析可以得出 In(X2)= IVB + In(X3)= IVB+ In(X4) （3-13） 将（3-13）式代入（3-8）式，得 IE= Ip(X1)+IVB+In(X4) （3-14） 将（3-9）式与（3-11）式相加，可得 IB+ IC= Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO= Ip(X1)+IVB+In(X4) （3-15） 将（3-15）式代入（3

8、-14）式，得 IE=IB+ IC （3-16）,3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成,17,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,1. In(X2)的表达式 In(X2)是注入基区的电子所形成的扩散电流，根据扩散电流公式有 基区电子可近似看成线性分布 基区少子分布示意图,18,根据PN结理论，基区X2和X3处的电子浓度分别为 基区电子分布函数为 那么基区电子的扩散电流In(X2)则为 可求出In(X2)近似为,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,19,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,2. Ip(X1)表达式 Ip(X1)是在发射结正偏情况下由基区注入发射区的空穴扩散电流。根

9、据正向PN结特性，边界X1处的少子空穴浓度为 空穴扩散电流为,20,3. IVB表达式 IVB是注入基区的电子与基区中的空穴复合而形成的复合电流。 IVB=-q单位时间内在基区中复合的电子数 在只考虑体内复合的情况下,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,21,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,4. ICBO的表达式 ICBO由电子漂移电流和空穴漂移电流IpCB两部分组成，即ICBO=InCB+IpCB 若晶体管工作在放大区，且有 时，,22,3.2. 3 晶体管的直流电流方程式,5. IE、IC、IB直流电流方程式 因为IE由Ip(x1)和In(x2)组成，所以 因为IC= In(x4)

10、+ ICBO= In(x2)- IVB + ICBO，所以 因为IB= Ip(x1)+ IVB - ICBO，所以,23,3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数,1. 共基极直流电流放大系数 在共基极电路中，基极作为输入和输出的公共端，共基极连接方式如下图所示。 NPN型晶体管的共基极连接,24,3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数,2. 共发射极直流电流放大系数 在共发射极电路中发射极作为输入和输出的公共端，其连接方式如图所示。 NPN型晶体管的共发射极连接,25,3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数,3. 共集电极直流电流放大系数 共集电极电流放大系数 4.0与0的关系 0和0的关系曲

11、线,26,3.3 晶体管的直流特性曲线 3.3.1 共基极连接直流特性曲线,下图为测量晶体管共基极直流特性曲线的原理图。图中UEB为发射极和基极之间的电压降，UCB为集电极和基极之间的电压降，RE为发射极串联电阻，可控制UEB或IE。,共基极直流特性曲线测量原理电路图,27,3.3.1 共基极连接直流特性曲线,共基极直流输入特性曲线,对于一个给定的UCB，改变UEB，测量IE，可以测得一条IE与UEB的关系曲线，对于不同的UCB值，改变UEB测量IE，可测得一组IE与UEB的关系曲线，称这组曲线为共基极直流输入特性曲线，如图（a）所示。,共基极直流特性曲线 （a）输入特性曲线,28,由前所知

12、IE=Jp(X1)+ Jn(X2) AE 式中Jp(X1)为空穴扩散电流密度；Jn(X2)为电子扩散电流密度；AE为发射结面积。Jp(X1)和Jn(X2)都随正向压降增大而呈指数增大，因此IE也必然与UEB呈指数规律增大。 在同样的UEB下，IE随着UCB的增大而增大，表现为曲线左移。这是因为集电结空间电荷区的宽度随着UCB的增大而展宽，结果引起了有效基区宽度的减小（有效基区宽度随着UCB的增大或减小而减小或增大的现象，就是上面所讨论过的基区宽变效应），使得在同样的UEB下，发射区注入基区的少子浓度梯度增加，流速加快，IE增大。,3.3.1 共基极连接直流特性曲线,29,3.3.1 共基极连接

13、直流特性曲线,2. 共基极直流输出特性曲线,对于一个给定的IE，改变UCB，测量IC，可得到一条IC-UCB之间的关系曲线。对于固定的不同的IE，改变UCB，测量IC，可得到一组不同的IC-UCB的曲线，称这组曲线为共基极直流输出特性曲线，如图（b）所示。,30,3.3.2 共发射极连接直流特性曲线,下图为晶体管共发射极直流输出特性曲线的测试原理电路图。图中UBE为基极与发射极间压降；UCE为集电极与发射极间压降；RB为基极串联电阻，可控制UBE或IB。,测量共发射极直流特性曲线原理电路图,31,3.3.2 共发射极连接直流特性曲线,1. 共发射极直流输入特性曲线,对于固定的不同的UCE，改变

14、UBE，测量IB，可以得出一组IB与UBE的关系曲线，称这组曲线为共发射极直流输入特性曲线，如图（a）所示。,共发射极直流特性曲线 （a）输入特性曲线,32,2. 共发射极直流输出特性曲线,对于固定的不同的IB，改变UCE，测量IC，可得出一组IC与UCE的关系曲线，称这组曲线为共发射极的输出特性曲线，如图（b）所示。,共发射极直流特性曲线（b）输出特性曲线,3.3.2 共发射极连接直流特性曲线,33,比较共基极与共发射极两种输出特性曲线，可以看到两者的共同之处是：当输入电流一定是，两种特性曲线的输出电流都不随输出电压的增加而变化，只有当输入电流改变了输出电流才会跟着变化。 然而两种输出特性曲

15、线之间也存在许多不同的地方。 首先，共发射极电路的电流放大系数要比共基极的大得多。 其次，共基极电路的输出阻抗比共发射极电路大。 另外， UCE的减小对输出电流的影响有所不同。实际上，共基极与共发射极特性曲线在输出电压减小时的下降所反映的是同一个物理过程，只不过共基极电路的输出电压就是UCB，才使得其特性曲线的下降发生在输出电压更小（负值时）的区域。,3.3.3 共基极与共发射极输出特性曲线的比较,34,3.4 晶体管的频率特性 3.4.1 晶体管交流电流放大系数,（a）电压偏置 （b）电流ic,小信号意指交流电压和电流的峰值小于直流的电压、电流值。当一个小信号附加在输入电压上时，基极电流ib

16、将会随时间变化而成为一个时间函数，基极电流的变化使得输出电流ic跟随变化，最终实现输入信号的放大。,所谓晶体管的交流频率特性是指一个小交流信号重叠在一个直流信号基础的情况，如图所示，交流信号为正弦。,35,3.4.1 晶体管交流电流放大系数,共基极交流放大系数 共基极交流放大系数定义为：在共基极运用时，集电极（输出端）交流短路，集电极的输出交流小信号电流ic与发射极的输入交流小信号电流ie之比（用小写字母代表小信号交流电流），即,在低频下，电流放大与工作频率无关。但在频率较高下，考虑到相位关系，为复数，通常所说的的大小是指它的模值。,3.4.1 晶体管交流电流放大系数,2共发射极交流放大系数

17、共发射极交流放大系数定义为：在共发射极运用时，集电极（输出端）交流短路，集电极的输出交流小信号电流ic与基极的输入交流小信号电流ib之比，即,同样，也是复数。在交流小信号工作条件下，晶体管端电流与之间仍有如下关系式ie=ic+ib,37,电流增益也常用分贝（dB）表示，即,(dB)=20lg,(dB)=20lg ,由于与是在集电极交流短路的条件下定义的，因此也称为交流短路电流增益。,3.4.1 晶体管交流电流放大系数,38,3.4.2 晶体管频率特性参数,随着晶体管工作频率的增高，晶体管的电学性能会发生很大变化，主要表现为电流增益和功率增益的下降。下图示出典型的电流增益随频率变化关系的简图，其

18、中纵坐标是以分贝表示电流放大系数。,电流放大系数与频率的关系,39,3.4.2 晶体管频率特性参数,从晶体管的频率响应特性定义以下几个参数，用于描述其高频性能。 1.截止频率f f定义为共基极短路电流放大系数下降到低频 的所对应的频率，即 时所对应的频率，此时的分贝值比 下降3dB，f反映了共基极运用的频率限制。,2. 截止频率f f定义为共发射极电流放大系数下降到低频0的时所对应的频率。或者说，f为比0下降3dB时所对应的频率。,40,3.4.2 晶体管频率特性参数,3. 特征频率fT 在共发射极运用时，截止频率f还不能完全反映晶体管使用频率的上限，也就是说当工作频率等于f时，值还可能相当大

19、。为了更好地表示共发射极运用晶体管具有电流放大作用的最高频率限制，引进了特征频率fT的概念。特征频率fT定义为共发射极电流放大系数=1时所对应的频率。 显然，当工作频率等于fT时，晶体管不再具有电流放大作用，由此说明特征频率fT是判断晶体管是否能起电流放大作用的一个重要依据，也是晶体管电路设计的一个重要参数。,41,3.4.2 晶体管频率特性参数,4. 最高振荡频率fM fT还不是晶体管工作频率的最终限制。为此，再引入一个最高振荡频率fM的概念。最高振荡频率fM定义为共发射极运用时，功率增益等于1时所对应的频率。可见fM是晶体管工作频率的最终限制，此时晶体管的输出功率等于输入功率。 fM不仅表

20、示晶体管具有功率放大作用的频率极限，也是晶体管使用频率的最高上限，若工作频率超过fM，晶体管失去任何放大作用。,42,3.4.3 交流电流放大系数随频率变化的物理原因,首先给出高频时输出电流ic幅度变化和相移示意图，如图所示，以作为频率对晶体管交流电流放大影响的感性认识。,高频下输出电流幅度变化和相移示意图,43,3.4.3 交流电流放大系数随频率变化的物理原因,2. 交流小信号电流的传输过程 以NPN晶体管为例分为四个阶段阐述交流电流的传输过程，如图所示。并且引入新的中间参量来描述每个传输过程的效率。,晶体管交流小信号电流传输示意图,44,发射极交流小信号电流由三部分组成，即,式中的iCTe

21、为发射结结电容分流电流。由此可得出交流发射效率的表达式为,显然，信号频率越高，结电容分流电流iCTe越大，交流发射效率越低。此外，由于对发射结势垒电容充放电需要一定的时间，因而使电流在发射过程产生延迟。,3.4.3 交流电流放大系数随频率变化的物理原因 (1)发射阶段,45,3.4.3 交流电流放大系数随频率变化的物理原因 （2）基区输运阶段,以iCDe表示扩散电容分流电流，in(X3)表示输运到基区集电结边界的电子电流，则注入到基区的电子电流,in(X2)= in(X3)+ iVB+iCDe,交流情况下基区输运系数可定义为,因此，频率越高分流电流iCDe越大，到达集电结的有用电子in(X3)

22、越小，基区输运系数越小。同样，对CCDe的充放电时间也对信号产生一定延迟。,46,3.4.3 交流电流放大系数随频率变化的物理原因 （3）集电极势垒渡越阶段,为了描述到达X4边界in(X4)的减小，引入集电结势垒区输运系数d，它定义为流出与流入集电结势垒区的电子电流之比，即,（4） 通过集电区阶段,最终到达集电极的电子电流大小为,为了描述该过程电流的损失，引入集电区衰减因子这一概念，其表达式为,47,综上所述，与直流电流传输情况相比，在交流小信号电流的传输过程中，增加了四个信号电流损失途径： 发射结发射过程中的势垒电容充放电电流； 基区输运过程中扩散电容的充放电电流； 集电结势垒区渡越过程中的

23、衰减； 集电区输运过程中对集电结势垒电容的充放电电流。,上述四个分流电流均随着信号频率的升高而增加，使输运到集电极电流ic减小和电流增益下降；同时对电容的充放电均需要一定的时间，使信号产生延迟，导致输入信号与输出信号存在相位差。,3.4.4 晶体管高频等效电路,1. 发射结和发射区 发射结正向偏压的改变会引起三个结果：引起发射结空间电荷区空间电荷量的变化，这一变化可用发射结势垒电容CTe来等效；引起了发射极电流的变化，这一变化的大小可以用发射结动态电阻re来等效；引起了基区、发射区贮存电荷的变化，这一变化可用发射结扩散电容CDe来等效。,发射结的作用可以用re、CTe、CDe的并联来等效，如下

24、图所示。,发射结和发射区的等效电路,2. 集电结和集电区,与发射结同样，可用集电结势垒电容CTc、扩散电容CDc和动态电阻rc来描述，并且集电结可用三者并联来等效，如图所示。,集电结和集电区的等效电路,3. 基区,基区贮存电荷的改变已经由扩散电容所描述。晶体管的基极电流是一股平行于结平面方向流动的多子电流，它将在基区横向产生电位降，基区的这一作用可用一个电阻来等效，这一等效电阻称为基极电阻，用rb表示。,4. 晶体管共基极高频等效电路,通过上述分析，立即可得到晶体管共基极“T”型等效电路。如果CTe、CDe并联后的电容用Ce代表、CTc、CDc并联后的电容用Cc代表，则得到晶体管共基极高频等效

25、电路图所示。,晶体管共基极高频等效电路,5. 晶体管共发射极高频等效电路,将共基极晶体管高频“T”型等效电路中的基极与发射极交换，恒流源用ib去代替ie，就可得到共发射极晶体管高频“T”型等效电路，如图所示。在此需要说明的是，与*ib并联的电阻缩小为原来的1/（1+），而电容则扩大为原来的（1+）倍。,晶体管共发射极高频等效电路,3.5晶体管的开关特性 3.5.1 晶体管的开关作用,1. 从开关电路论晶体管的开关作用,晶体管开关电路原理图,晶体管开关输入和输出波形,2. 从晶体管的输出特性曲线论晶体管的开关作用,晶体管共发射极输出特性曲线,3.5.2 晶体管的开关工作区域,1. 饱和区的主要特

26、点 晶体管处于饱和区（开态）的主要特点是： 发射结为正向偏置，集电结也是正向偏置（或零偏置）； 集电极电流IC接近饱和值ICSUCC/RL 饱和状态又分为临界饱和与深饱和。集电结UBC=0的情况称为临界饱和；当集电结偏压UBC0时，称为深饱和 晶体管进入深饱和状态后，其深饱和的程度可用饱和深度S来表示。饱和深度S定义为,2. 截止区的主要特点,在晶体管输出特性曲线上，IB=0对应的特性曲线下面的部分叫截止区。截止区的主要特点是发射结处于反向偏压（或零偏压），集电结也处于反向偏压。,晶体管截止态电流传输情况示意图,3.5.3 晶体管的开关波形和开关时间,晶体管的开关波形,（a）输入电压波形,（b

27、）基极电流波形,（c）集电极电流波形,（d）输出电压波形,各个阶段所需要的时间定义如下 延迟时间td：从基极有正信号输入开始，到集电极电流IC上升到最大值ICS的0.1倍为止，这段时间称为延迟时间，记作td，等于t1-t0 上升时间tr：集电极电流由0.1ICS上升到0.9ICS为止所需要的时间为上升时间，记作tr，等于t2-t1 。 贮存时间ts：从输入信号Uin变负（变为低电平或负脉冲开始），到集电极电流IC下降为0.9ICS为止所需要的时间称为储存时间。记作ts，即t4-t3 。 下降时间tf：集电极电流IC从0.9ICS下降到0.1ICS所需要的时间，记作tf，即t5-t4 。,3.5

28、.4 晶体管的开关过程和影响开关时间的因素,1. 延迟过程和延迟时间,延迟阶段基区少子浓度分布,延迟时间td的长短取决于基极电流对发射结和集电结电容充电的快慢，所以缩短延迟时间的办法是： 减少发射结、集电结的结面积，以减少结电容CTe和CTc； 增大基极注入电流，使势垒电容充电过程加快； 晶体管关断时，给基极施加的负脉冲幅度尽可能小。,2. 上升过程和上升时间tr,上升过程中基区电子浓度梯度的增加,缩短上升时间的办法是： 减小结面积AE和AC，以减小CTe和CTc； 减小基区宽度，能尽快建立起所需少子浓度梯度； 增大基极注入电流，使势垒电容充电过程加快，但也要兼顾深饱和问题。,3. 贮存电荷和贮存时间,晶体管饱和态时的电荷分布示意图,减少贮存时间，可以采取以下方法： 在保证晶体管进入饱和区的前提下，基极驱动电流IB不要过大，避免晶体管进入深饱和的程度太深； 增大基极抽取电流IB，使超量存贮电荷快速抽走； 缩短集电区少子空穴寿命。集电区空穴寿命越短，集电区贮存的空穴电荷也就越少。而实现这一措施的办法是向晶体管中掺金。,4. 下降过程和下降时间tf,缩短下降时间的办法有： 减小CTe、CTc及寿命，减小下降