晶体三极管思考题

1、应该掌握的知识 EDA技术的发展历程 EDA技术与ASIC设计和FPGA开发的关系 与软件描述语言相比，VHDL有什么特点 什么是综合，它在EDA中的作用 在EDA技术中，自顶向下的设计方法的重要意义 与DSP处理器相比，用FPGA来实现数字信号处理的功能有哪些优点 EDA的FPGA/CPLD设计流程例1：已知在一理想晶体管中，各电流成分为：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。试求出下列各值：(a)发射效率；(b)基区输运系数T；(c)共基电流增益0；(d)ICBO。 例2：一个理想的p+-n-p晶体管，其发射区、基区和集电区的掺杂浓度分别为10

2、19cm-3、1017cm-3和51015cm-3，而寿命分别为10-8s、10-7s和10-6s，假设有效横截面面积A为0.05mm2，且射基结正向偏压在0.6V，试求晶体管的共基电流增益。其他晶体管的参数为DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 对均匀基区晶体管的几个假设对均匀基区晶体管的几个假设(1)发/集结都是突变结,各区杂质均匀均匀分布;(2)发/集区长度远大于少子扩散长度,两端少子浓度等于平衡值;(3)势垒区宽度远小于少子扩散长度,忽略势垒区中的复合作用;(4)外加电场都降落在势垒区;(5)晶体

3、管是一维的,发/集结是平行面;(6)基区小注入. 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 晶体管的电流密度晶体管的电流密度 BkTqVpBpBWxenxnBE11/0基区基区少子分布:扩散电流: 1/0kTqVBpBnBpBnBnEnBBEeWnqDdxxdnqDJJ考虑基区复合损失时考虑基区复合损失时: nBBnBBpBpBLWLxWnxnsinhsinh0 nBBnBBnBpBnBnExnBLWLWLnqDJJ/sinh/cosh00 nBBnBpBnBnCWxnBLWLnqDJJB/sinh10 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 发射区发射区少子分布: pE

4、kTqVnCnCLxxePxPBC2/011扩散电流: 1/0kTqVpCnCpCnCpCpCBCeLPqDdxxdpqDJ集电区集电区少子分布: pEkTqVnEnELxxePxPBE1/011扩散电流 1/0kTqVpEnEpEnEpEpEBEeLPqDdxxdpqDJ 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 电流放大系数电流放大系数1111nEpEnEpEpEnEnEEnEJJIIIIIII1)发射结注入效率发射结注入效率pEEnEBBpBpEEnBBBpEBpBnBpEnEpELNDWNDLNDWNDWnDLpD11/11100BEpEEnEBBpBRRLNWN口口11 0

5、双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 2) 集区输运系数集区输运系数nBBnBBnEnCnEnCLWhLWJJIIseccosh1*2221nBBLWBpBpBnBnEWnnAqDI0)0(22222nBBnBnBBnEVBLWDWII电荷控制法求集区输运系数电荷控制法求集区输运系数nBpBpBBnBnBVBnnAqWQI2)0(0BpBpBnBWnnqAQ0)0(21 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 集区渡越时间集区渡越时间定义定义:少子在基区从发射结渡越到集电结所需要的平均时间,记为在t=0 到t= 这段时间内,注入到基区中的少子电荷为 ,即:b3) 均匀基

6、区晶体管短路电流放大系数均匀基区晶体管短路电流放大系数nBbBEnBbBERRRR口口口口111*pQbnEnIQnBbnBnBBnBBDWLW12121222*nBBnEnbDWIQ22 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 缓变基区晶体管的电流放大系数缓变基区晶体管的电流放大系数1.基区内建电场的形成基区内建电场的形成 空穴浓度的不均匀性导致空穴的扩散,产生电场,类似pn结自建电场的形成,平衡时空穴电流密度为零.0)()(BpBpBpBpBpBExpqdxxdpqDJdxxdNxNqkTdxxdPxPqkTEBBpBpBB)()(1)()(1)()(xNxPBpB基区杂质近似

7、为指数分布:xWBBBeNxN)0()(BBWqkTEv杂质浓度为指数分布时,内建电场是与x无关的常数: 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 2. 基区少子浓度分布基区少子浓度分布dxxdnqDExnqJJpBnBBpBnBnEnB)()(BBBWxnBBnBWxxWBBnBnBpBeqDWJdxeNxNqDJxn11)0()(1)(v少子电流密度少子电流密度BBWxpBBWxBnBnBxnxNddxxNqDJ)()()(BBEBWBkTqVinBWBpBBnBnBnEdxxNenqDdxxNnNqDJJ0/20)() 1()()0()0( 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管

8、公式推导的补充 发射区杂质缓变分布发射区杂质缓变分布,类似有类似有EBEWEkTqVipEpEdxxNenqDJ0/2)()(平面管集电区杂质均匀分布平面管集电区杂质均匀分布,有有1/0kTqVpCnCpCpCBCeLpqDJv电流放大系数电流放大系数v1) 发射结注入发射结注入效率效率EBEBWEnEWBpBWEnBWBpEnEpEdxxNdxxNdxxNDdxxNDJJ0000)()(1)()(11BERR口口1 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 2) 基区输运系数基区输运系数基区渡越时间基区渡越时间eDWnBB11222F内建电场对少子是加速场内建电场对少子是加速场,使

9、基区渡越时间大为缩短使基区渡越时间大为缩短nEWBnEnbAJdxxnAqIQB0)(BWxnBBnEpBeqDWJxn11)(dBBBnBBnBBbvWEWDWeDW221122v足够大时足够大时BnBnBBBWDWqkTE 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 基区输运系数基区输运系数22222*1111BBBBnBbLWeLWv提高晶体管电流放大系数的主要措施提高晶体管电流放大系数的主要措施:3) 电流放大系数电流放大系数22nBBBEnBbBELWRRRR口口口口11BERR口口) 1 (BW)2() 3(nB)4( 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 影

10、响电流放大系数的一些因素影响电流放大系数的一些因素 1) 发射结势垒区复合的影响发射结势垒区复合的影响-小电流效应小电流效应2) 发射区重掺杂效应发射区重掺杂效应: NB偏低偏低? NE偏高偏高?nEBEnErEnEpErEpEnEnEIKRRIIIIIIII口口111势垒区复合电流势垒区复合电流kTqVnEBEeI/kTqVrEBEeI2/nEkTqVinErEIKenKIIBE2/12/1EgNE kTEnkTEENNngiggVCiEexpexp22发射区禁带变窄发射区禁带变窄 重掺杂时,杂质能级互相靠近形成能带,并与导带交叠,使Eg变窄. 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的

11、补充 俄歇复合增强俄歇复合增强 轻掺杂时,非平衡载流子主要通过复合中心进行复合;在重掺杂时,俄歇复合大为增强.改进：改进：LEC晶体管晶体管kTEpEpEWEkTqVipEpEgEBEeJJdxxNenqDJ/0/2)(kTEBEnEpEgeRRJJ/11口口基区陷落效应基区陷落效应 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 对于共射电路对于共射电路:v基区宽变效应基区宽变效应: 由于外加电压的变化引起有效基区宽度变化的现象,也称厄尔利厄尔利(Early)效应效应.001)()(rVIdVdWdxxNWNIVIEACCEBWBBBCVCECBBE1)(/02kTqVWBinBnEEC

12、BEBedxxNnAqDJAI1)1 (1)1 (/kTqVCSRkTqVESBBCBEeIeII11/kTqVCSkTqVESCBCBEeIeIIBCbipBCBpBEAVVxWdVdxWV2/ 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 v晶体管的反向电流晶体管的反向电流 不受输入端电流控制,对放在无贡献,有功耗.1) ICBO:发射极开路、集电结反偏时,集-基极间的反向电流.CBOCBOCEOIII)1 (1CSRCBOII)1 (11/kTqVCSRkTqVESEBCBEeIeII)1ln(qkTVBE2) IEBO:集电极开路、发射电结反偏时,基-射极间的反向电流.ESREB

13、OII)1 ( 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 3) ICEO:基极开路、集电结反偏时,集-射极间的反向电流.v击穿电压击穿电压vBVCBO:发射极开路时,集-基极间的击穿电压,又称共基极共基极(雪崩雪崩)击击穿电压穿电压. BVEBO:集电极开路时,射-基极间的击穿电压,又称发射结击穿电压发射结击穿电压.CBOECIIICBOECIII共基电路中:CBOECBOEIAIMIMI发生雪崩倍增效应时 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 2) BVCEO:基极开路时,集-射极间的击穿电压. (共射雪崩击穿电压共射雪崩击穿电压)v雪崩倍增效应对共射接法比对共基接法

14、的影响大得多雪崩倍增效应对共射接法比对共基接法的影响大得多.BVCEX: 基射极间接-电阻Rb时和反偏电压VBB时,C-E极间的击穿电压CEOBCIIICBOBIMMIMM11v BVCER: 基射极间接-电阻Rb时, C-E极间的击穿电压v负阻特性负阻特性-原因原因:小电流小电流 的下降的下降 BVCES: 基极发射极短路时, C-E极间的击穿电压 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 3) 基区穿通电压基区穿通电压:集电结上反向电压增加,势垒区向两侧扩展,基区宽度WB减小,当集电结发生雪崩击穿前WB减小为零,称基区穿通,这时集电结上的电压称为基区穿插通电压Vpt. 2/ 1)

15、(2ptbiBCBCBVVNNqNNW22)(BCBCBptWNNNqNVv一般只有IC中的横向管,基区低掺杂的Ge合金管,易发生基区穿通,对于Si平面管,集电区杂质最低，势垒区向集电区扩展，一般不会发生基区穿通，但若pn结不平有尖峰例外。v发射极开路发射极开路 BVCBO=Vpt+BVEBO (或BVCBO=VB,两者取小)v 基极开路基极开路 BVCEO=Vpt+VF Vpt (BVCEO , 两者取小)SCBOBV/ 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 基极电阻基极电阻基区中的两种电流：少子电流少子电流与多子电流多子电流基极电阻：IB经基极引线到工作基区,要产生压降，经过

16、一定的电阻,称基极电阻基极电阻。直流应用中电流集边效应电流集边效应,交流应用中会产生电压反馈电压反馈，设计管子时要尽可能减小基极电阻尽可能减小基极电阻。v基极电阻由四部分串联构成基极电阻由四部分串联构成 :基极金属电极与半导体的欧姆接触电阻欧姆接触电阻 :基极金属电极正下部的电阻 :发射极与基极间的电阻 :发射区正下部的电阻(工作基区的电阻)conrbrcbrbr 0双极晶体管公式推导的补充双极晶体管公式推导的补充 1)欧姆接触电阻欧姆接触电阻22BbeRdrl112ebBeSrRl312bcbBeSrRl2)发射极与基极间的电阻发射极与基极间的电阻3) 发射区下的电阻发射区下的电阻(工作基区

17、的电阻工作基区的电阻)ebconlSCr2v减小基极电阻的方法减小基极电阻的方法(1)基区杂质浓度; (2)宽长比S/l ;(3)发射极条个数 (4)欧姆接触例1：已知在一理想晶体管中，各电流成分为：IEp=3mA、IEn=0.01mA、ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。试求出下列各值：(a)发射效率；(b)基区输运系数T；(c)共基电流增益0；(d)ICBO。 解 （a）发射效率为 9967. 001. 033nppEEEIII（b）基区输运系数为9967. 0399. 2ppECTII（c）共基电流增益为 9934. 09967. 09967. 00T（d）共基电流增益为 3.

18、01mA,mA01. 0m3npAIIIEEEAAAIIICCm991. 2m001. 0m99. 2npC所以 AmAmAIIIECCBO87. 001. 39934. 0991. 20例2：一个理想的p+-n-p晶体管，其发射区、基区和集电区的掺杂浓度分别为1019cm-3、1017cm-3和51015cm-3，而寿命分别为10-8s、10-7s和10-6s，假设有效横截面面积A为0.05mm2，且射基结正向偏压在0.6V，试求晶体管的共基电流增益。其他晶体管的参数为DE=1cm2/s、Dp=10cm2/s、DC=2cm2/s、W0.5m。 解： 在基极区域中 在发射极区域中 cmcmDLpPp371010103231729201013. 910)1065. 9(cmcmNnpBincmDLEEE41032i13. 9ncmNnEEO因为W/Lp=0.051，各电流成分为 共基电流增益0为 AAeIEp440259. 0/6 . 042419107137. 110105 . 01031. 910105106 . 1AICp410713