第三章双极晶体管

1、1微电子器件与微电子器件与ic设计设计第第 3 章章 双极晶体管双极晶体管bipolar junction transistor-bjt2第 3 章 双极型晶体管双极型晶体管l3.1 结构 l3.2 放大原理 l3.3 电流增益l3.4 特性参数l3.5 直流伏安特性l3.6 开关特性l3.7 小结33.1 晶体管的基本结构及杂质分布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43.1 晶体管的基本结构及杂质分布晶体管的基本结构及杂质分布3.1.2 bjt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

2、体管特点：e、b区杂质非均匀分布2结为缓变结5673.1 晶体管的基本结构及杂质分布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 )发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射结结集集电电结结发发射射极极集集电电极极基极基极8共基极共基极共射极共射极共集电极共集电极nnp晶体管的共集电极接法晶体管的共集电极接法cbe3.2 晶体管的放大原理晶体管的放大原理0ceii0cbii93.2.1、晶体管中载流子的传输、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wbineinci

3、ripeicboieicib10各区少子分布各区少子分布能带图能带图11cnccboiiiepeneiiibperbcboiiiiebciiiine:发射结正向注入电子电流发射结正向注入电子电流 ipe:发射结反向注入空穴电流发射结反向注入空穴电流 irb:基区复合电流基区复合电流 inc:集电结电子电流集电结电子电流icbo:集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流nencrbiii123.2.2、发射效率及基区输运系数、发射效率及基区输运系数1、发射效率、发射效率0011nenepeenepeneiiiiiii0peneii，则132、基区输运系数、基区输运系数*3、集电区倍增因子集电区倍增因

4、子01ncnerbrbneneneiiiiiii 0rbneii，则1cncii*141.共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 2.共射极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数000cnencceenenciiiiiiii00011cccecbeceiiiiiiiii3.2.3、晶体管电流放大系数、晶体管电流放大系数15晶体管放大三要素：晶体管放大三要素： wbnb 。发射结正向偏置，集电结反向偏置。发射结正向偏置，集电结反向偏置。163.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益任务：导出任务：导出0 0、0 0的定量关系式的定量关系式0000001011peneii01rbnei

5、i 173.3.1 均匀基区晶体管的电流增益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a、对发射区、基区、集电区分别建立扩散方程b、利用波尔兹曼分布关系建立边界条件c、解扩散方程得到各区少子分布函数d、利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数e、由电流密度分布函数得到jne , jnc , jpe 。f、求出发射效率和输运系数g、得到共基极和共射极电流放大系数18l以共基极连接为例，采用一维理想模型以共基极连接为例，采用一维理想模型l发射结正向偏置，集电结反向偏置发射结正向偏置，集电结反向偏置wbineinciripeicboieicib19坐标：坐标：发射区发射区集电区集电区

6、基区基区发发射射结结集集电电结结发发射射极极集集电电极极基极基极we0wbwc20一、一、少数载流子分布少数载流子分布（1 1）基区）基区“少子少子”电电子密度分布子密度分布 00011bcbeqvqvbktktbbnbnbbbbnbwxxneshneshllnxnwshlwb0nb(x)213.3 晶体管的直流电流增益一、一、少数载流子分布少数载流子分布（2）发射区少数载）发射区少数载流子分布流子分布x0pe(x) 001pebex lqvkteeepxppee223.3 晶体管的直流电流增益一、一、少数载流子分布少数载流子分布（3）、集电区少数载）、集电区少数载流子分布流子分布x0pc(x

7、) 001pcbcx lqvktcccpxppee233.3 晶体管的直流电流增益二、电流密度分布函数 0011 cscbebcqvktqvktnbbbbnenbnbnbnbqd nwwjjecthehlll 011bebcqvktqvktbnbnbnbbnbnbbnbwxxechechllqd njxlsh wl 01 csc1 cbebcqvktqvktnbbbbncnbbnbnbnbqd nwwjjwehethlll 243.3 晶体管的直流电流增益 001bepeeqvktpepepeq dpjjel 001bcpccqvktpcpcpcq dpjjel253.3 晶体管的直流电流增益

8、263.3 晶体管的直流电流增益三、直流电流增益1.发射效率02.基区输运系数*273.3 晶体管的直流电流增益3、共基极电流增益22002222222211122(1)1 () 111221 12pebbbbpebbnbnbeenbnbeebebbebnbbenbbeebbbenbd n wwwd n wld n wld n wwwwwlwlwwwwl 或者或者28 4、共射极电流增益293.3 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一、缓变基区晶体管基区自建电场对载流子的影响基区自建电场多子：维持分布少子：阻滞、加速3

9、03.3 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 1bbbdnxktexqnxdx 0 : : 0n 0lbbxwbbbbbnxnennnw其中：基区发射结边界处杂质浓度基区电场因子（无量纲） bbktexqw 31二、发射区自建电场发射区自建电场 1eeednxktexqnxdx 323.3 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： “电流电流 少子扩散电流在自建电场作用下的漂少子扩散电流在自建电场作用下的漂移电流移电流” 关系，得到基区和发射区少子密度分布函数= 0123

10、xnb(x)基区少子分布：( )( )( )bwnbbbxnbbjn xnx dxqd nx(3.3.46) 当基区杂质指数分布时-()( )1bbwxwnbbbnbjwn xeqd(3.3.47) 33 48. 3 . 3002ktqvwbinbnbnebebedxxnnqdjj55. 3 . 302ktqvweipepebeeedxxnnqdj根据根据(3.3.46)(3.3.46)，利用，利用 2000,0/beqvktbbbibnn ennn类似可得到类似可得到343.3 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 0bwbrbnbnxiaqdx22221()

11、nbnnebrbbnbnebeaj wi widl35d、引入平均杂质浓度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363.3 晶体管的直流电流增益四、电流增益四、电流增益（1）发射效率373.3 晶体管的直流电流增益（2）输运系数 2 1101bx wbbnxnee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：383.3 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1201ebbnbrwrl发射效率与均匀基区形式相同发射效率与均匀基区形式相同393.3 晶体管的直流电流增益3.3.3 提高放大系数的途径提

12、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40l3.3.4影响电流放大系数的因素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发射结势垒复合对电流放大系数的影响11nenepereenepereneneiiiiiiiiii412. 发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响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）形成杂质带尾，禁带变窄gggeee3316egssn

13、qekt发射区有效杂质浓度降低为发射区有效杂质浓度降低为: 22expieffeegiennxnxnxektndeffdiignnnne2发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。422）俄歇复合）俄歇复合111pta发射区少子空穴寿命发射区少子空穴寿命 随着俄歇复合寿命随着俄歇复合寿命 而而。 俄歇复合通过复合中心复合pasinncna201少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率。 43*01nerbsbrbsbneneneiiiiiiii 表面复合对基区输运系数的影响可表示为表面复合对基

14、区输运系数的影响可表示为*0212bsbnbenbwsa wla d *0210bbsbnbenbbwsa w nla d n 对均匀基区对均匀基区对缓变基区对缓变基区s为表面复合速率体复合体复合 表面复合表面复合3.基区表面复合基区表面复合44 共射极输出特性曲线上共射极输出特性曲线上 vbc 0 点的切点的切线与线与 vce 轴负方向交于一点，该点电压轴负方向交于一点，该点电压称为称为early电压，电压，icvceveaib增大001ceeavv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）效应（厄尔利效应）4.

15、 基区宽变效应基区宽变效应有宽变效应的电流放大系数：有宽变效应的电流放大系数：45ecii00001ceciiiecii1bcii0bcii463.4.2 晶体管的反向晶体管的反向电流电流一、定义一、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的电流称其反向电流反向电流。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。：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。：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

16、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：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。ivieboivicboiviceo47二、反向电流的来源二、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。生电流和表面漏电流。l对对ge管：主要是反向扩散电流管：主要是反向扩散电流l对对si管：主要是管：主要是势垒产生电流势垒产生电流，表面电流视工艺而定，表面电流视工艺而定0cecboiii0biceceoiii0000cececbiii000(1)cecbii000001(1)1cecbcbiii共

17、射极接法，信号放大的同时，共射极接法，信号放大的同时，相应的漏电流也增大了相应的漏电流也增大了 倍倍(1)48定义：某一极开路，另二极所能承受的最大反向电压定义：某一极开路，另二极所能承受的最大反向电压 ：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49 3.4.4 基极电阻基极电阻 基极电流为横向电流，基基极电流为横向电流，基区掺杂浓度低，且很薄，区掺杂浓度低，且很薄，这个电阻不可忽略。这个电阻不可忽略。 基极电阻基极电阻r rb b： 扩展电阻，包括基区扩展电阻，包括基区体电阻和基极电极引出线体电阻和基极电极引出线处接触电

18、阻。处接触电阻。502120lg(db)20lg(db)6 6分贝倍频程段分贝倍频程段 （增减一倍，放大系数变增减一倍，放大系数变化化6db6db）6 6分贝倍频程段分贝倍频程段 常数，这个常数就是常数，这个常数就是 （增益增益带宽积带宽积）tffftf513.5 双极晶体管直流伏安特性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52 000,0coth1csc1,csc1coth1bcbebcbeqvqvnbbbbktktnbnbnbnbqvqvnbbbbktktbnbbnbnbnbqd nwwxjehelllqd nwwxwjwheelll0,11bebcqvpeektep

19、eepeepeqvpccoktpccpcqd pwlxjxelqd pjxel发射结空穴电流集电结空穴电流 bnbbnbnbbnbbcecpcpcepepebnbncnbnewllwhwllwlwaaaxjjxjjwjjjjnbbcsc,coth,;,0:假设531 . 5 . 3111csc1coth000000ktqvbbnbktqvpeepebbnbktqvnbbnbbnbktqvpenpenbbnbbnbpeneeebcbebcbeewnqdelpqdwnqdaelwhlnqdaelpqdlwlnqdajjai于是得到发射极电流5400000csc1coth111bebcbcbeqvn

20、bbobktccncpcnbnbqvpccnbbbktnbnbpcqvqvpccnbbnbbktktbbpcqd nwiajjahellqd pqd nwaelllqd pqd nqd naeewwl 3.5.2集电极电流554 . 5 . 313 . 5 . 31,0,0000000pccpcbbnbktqvbbnbcbbnbktqvpeepebbnbebcbcbelpqdwnqdewnqdaiwnqdelpqdwnqdaiqktvvvbebe上式简化为放大状态时cebeciiiii,分析可知下的直流特性方程上式为晶体管放大状态56输出特性曲线共基极共射极573.5.2 ebers-moll

21、 模型模型 ebers-mollebers-moll模型是一模型是一种适用于计算机辅助设计种适用于计算机辅助设计(cad)(cad)的表述简单的模型，的表述简单的模型，它于它于19541954年由此二人提出，年由此二人提出，适用于图适用于图2-622-62所示的所有所示的所有工作区。工作区。 * 薄基区导致两个结的相互作用，流过每个结的电流都应由两个结上的电压所决定。581. e-m1. e-m 方程方程将双极晶体管的电流看成一个正向晶体管和一个倒向晶体管将双极晶体管的电流看成一个正向晶体管和一个倒向晶体管叠加后各自所具有的电流并联而成叠加后各自所具有的电流并联而成正向晶体管0, 0bcbev

22、v倒向晶体管0, 0bebcvv591. e-m1. e-m 方程方程5 . 5 . 3efcffii6 . 5 . 31fktqvesefieiibe7 . 5 . 31ktqvesfeffcfbeeiiiies是c结短路，e结的反向饱和电流对正向晶体管对正向晶体管：对比式（3.5.1）8 . 5 . 300peepebbnbeslpqdwnqdaie结正偏，c结零偏正向电流增益60同理，对倒向晶体管对倒向晶体管9 . 5 . 3ercrrii10. 5 . 31rktqvcserieiibc11. 5 . 31ktqvcsrerrcrbceiiiics是e结短路， c 结的反向饱和电流对比

23、式（3.5.2）12. 5 . 300pccpcbbnbcslpqdwnqdaic结正偏， e结零偏反向电流增益6113. 5 . 3rrfcrefeiiiii14. 5 . 3ereffercfciiiii由图6216. 5 . 311ktqvcsktqvesfcbcbeeieii代入式（3.5.6）、（3.5.10）得e-m方程15. 5 . 311ktqvcsrktqvesebcbeeieii等效电路见图63对照式（3.5.1）、 （3.5.2）得e-m方程互易定理17. 5 . 30bbnbcsresfwnqdaii实际器件中escsrfii，故有一般 互易定理的本质是互易定理的本质是

24、：eb eb 结与结与cb cb 结有共同部分（基区），结有共同部分（基区），无论哪个结短路，另一个结的反向饱和电流都含有共同的无论哪个结短路，另一个结的反向饱和电流都含有共同的基区少子扩散电流基区少子扩散电流642. em1模型模型式（3.5.15）、（3.5.16）是以晶体管某一极短路时的反向饱和电流来表示端电流的em方程；同样也可以某一极开路时的反向饱和电流 来表示em方程00,cbebii65(1)()ceqvqvktktfescsieie1eqvkteeboiie1eborfesii 1eboesrfii 上式又可写为01111eeecqvktqvkteesrfesqvktrfesi

25、iieieie 于是得到得及由且有15. 5 . 316. 5 . 3, 0, 0qktvvibebec对 有:0ebi66对 有0cbi得及由且有15. 5 . 316. 5 . 3, 0, 0qktvvibcbce19. 5 . 310csrfcbii即01cbcsfrii 集电结（发射结）短路时的发射结（集电结）饱和电流等集电结（发射结）短路时的发射结（集电结）饱和电流等于集电结（发射结）开路时的发射结（集电结）饱和电流于集电结（发射结）开路时的发射结（集电结）饱和电流除以除以 (1rf) ，一般，一般rf均小于均小于1，i ieb0eb0,i,icb0cb0都小于都小于i ieses,

26、i,icscs67上述二式均可等效为一个电流源与一个二极管并联，如下上述二式均可等效为一个电流源与一个二极管并联，如下图所示图所示013.5.22beqvktercebiiie23. 5 . 310ktqvcbefcbceiii代入式 （3.5.15）、（3.5.16）得68一、晶体管的工作状态一、晶体管的工作状态 晶体管的工作状态完全晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定，如图由直流偏置情况决定，如图可分为三个区。当晶体管处可分为三个区。当晶体管处于倒向运用状态时，也同样于倒向运用状态时，也同样存在以上三个区，但截止区存在以上三个区，但截止区和饱和区是一样的。只注意和饱和区是一样的。只注意反

27、向放大区即可。反向放大区即可。3.6 晶体管的开关特性晶体管的开关特性69各工作区中结的偏置情况和电流关系各工作区中结的偏置情况和电流关系工作区工作区正向放大区正向放大区反向放大区反向放大区饱和区饱和区截止区截止区发射结偏置发射结偏置vbe0（正偏）（正偏） vbe0（正偏）（正偏）vbe0(反偏反偏)集电结偏置集电结偏置vbc0(正偏）正偏）vbc=0（正偏）（正偏）vbc0（反偏）（反偏）电流关系电流关系icibicr ibicvbb+vbe时时 ibibs 时时v vcccc,v,vbbbb为集电极和发为集电极和发射极的反向偏置电压。射极的反向偏置电压。r rl l：负载电阻：负载电阻

28、当当v vi i为负脉冲或零时为负脉冲或零时 当当v vi i为为vvbbbb的正脉的正脉 冲信号时冲信号时7071小结：饱和态晶体管的特点：(1)饱和电流cccslvircsbiis 饱和深度 40.20.3 ,cesvv饱和压降小：与饱和深度有关 20.2 0.3 ,0.7 ,0.5cesbesbcvv vvvv集电结正偏，(3)产生超量贮存电荷72 在放大电路中，晶体管作为放大元件；但在逻辑电路中，在放大电路中，晶体管作为放大元件；但在逻辑电路中，晶体管是作为晶体管是作为开关元件开关元件的。的。二、晶体管的开关作用（以共射极电路为例）二、晶体管的开关作用（以共射极电路为例）截止区截止区-关态关态 饱和区饱和区-开态开态73三、正向压降和饱和压降三、正向压降和饱和压降如