第七章 双极型晶体管培训课件.ppt

1、第七章 双极型晶体管,基本结构 载流子流动情况及工作原理 理想晶体管的直流输入输出特性 二级效应 击穿特性 高频特性 开关特性 晶体管模型,双极型晶体管的结构,n+,p,n,E,B,C,发射区,基区,集电区,p+,n,p,E,B,C,发射区,基区,集电区,E,C,B,npn,E,C,B,pnp,晶体管结构示意举例,合金管,平面管,晶体管的工作原理,放大条件：,2o Wb Lnb,3o 发射结正偏,4o 集电结反偏,n+,p,n,E,B,C,Ie,Ic,Ib,RE,RL,Vbe,Vcb,热平衡,放大偏置,1o Nb Ne,晶体管中的电流传输,1. 电流传输,Ine Inc,共基极电流放大系数,

2、1, 1,集电结倍增因子,基区传输系数,发射效率（注入比）, 1,（当 Ne / Nb 1 时）, 1,（当 Wb Lnb 时）,Ie,Ib,Ic,Vbe,Vcb,共发射极电流放大系数, 1,Ib,Ie,Ic,Vbe,Vce,例如： = 0.99，则 100,晶体管中的少子分布, 0, 0,N+,P,N,Wb,0,x,-x1,x2,x2,正偏,反偏,晶体管的直流特性,发射结电流,电子：,空穴：,基区电流,电子：,空穴（复合电流）：,但 Jne略大于 Jnc,发射效率 （注入比）,基区输运系数,（当 Wb Lnb 时）,共基极输入、输出特性,Ie,Ib,Ic,Vbe,Vcb,IE / mA,VB

3、E / V,VCB,输入特性,输出特性,共发射极输入、输出特性,Ib,Ie,Ic,Vbe,Vce,VCE,输入特性,输出特性,发射极势垒区复合的影响,发射极势垒区复合,发射极电流集边效应,Seff ：发射极有效半宽,z,y,x,Se,J (Seff) = J (0) / e,基区宽度调变效应（Early效应）,N+,P,N,Wb*,Wb,Vcb Wb* dnb/dx Ine Ic ,Early 电压,Early效应对共基极输入、输出特性影响,E,B,C,Early 效应,输入特性,输出特性,Vbe 不变，Vcb Wb npb0/Wb（斜率） Ine ( Ie) ,Early效应对共射极输入、输

4、出特性影响,输入特性,输出特性,B,E,C,Early 效应,Early 效应,Vbe 不变，Vcb Wb Ivb（复合） Ib ,Kirk 效应（有效基区扩展效应）,p,n,x,n+,E,集电区大注入：nc Nc,集电极电流 Jc nc, q ( Nb+ nc ),q ( Nc nc ),饱和漂移速度,Kirk 效应,Kirk 效应（有效基区扩展效应）,中性 nc = Nc,nc Nc,- - - - - -,- - - - -,- - -,临界 Jc0 nc = nc0,Emax,Jc Jc0 Wb Wb + Wb ,Kirk 效应,Kirk效应发生的条件:,晶体管的击穿特性,基区穿通,n

5、+,n,xc,p,n+,p,n,n+,(Nc),x,E,Emax,0,Wc,xmc,集电区穿通,晶体管的高频效应,re,res,CTe,CDe,rbb,CDc,CTc,rc,rcs,高频：, ie ic 相位差,C,E,B,晶体管的高频特性,共基极截止频率,共发射极截止频率,e b d c,发射结充放电,基区渡越,集电结渡越,集电结充放电,（通常 b e d c）,晶体管的高频特性, (dB) 20 log , (dB) 20 log ,f、 f ： 3dB 频率,dB（分贝）定义：,（共发射极无放大作用时）,特征频率,fT 与工作点的关系,e,b,Kirk 效应,晶体管的开关特性 截止电流,

6、Vcc,RL,rb,漏电流（与工艺有关）,产生电流,扩散电流,晶体管的开关特性 饱和现象,Vcc,RL,rb,c,e,Vbb,Vin,b,Ib,Ic,放大区、饱和区,当 Ib Ic,max 时，进入饱和状态，,Ib Ic,(= Ib) IcRL Vce Vbc () (+),放大区 饱和区,饱和深度,s = 1 临界饱和状态,晶体管的开关特性 饱和压降,Vc,Ve,B,C,E,Vces,rcs,Vbes,+,+,res,rbs,Ib,Ic,饱和压降, 合金管 rcs res 均很小,s（=Ib/Ic，饱和深度） Vces （但需考虑 ts 的要求）, 平面管 rcs res,用 n+ 埋层或

7、n/n+ 外延结构做集电极,晶体管的开关特性 开关时间,Vcc,RL,rb1,c,e,Vbb,rb2,ViH,ViL,b,Vbe,ViL,ViH,t,Ib,Ib1,t, Ib2,Ics,t,Ic,0.9Ics,0.1Ics,t0,t1,t2,t3,t4,t5,Vce,t, 0,延迟时间 td = t1 t0,上升时间 tr = t2 t1,储存时间 ts = t4 t3,下降时间 tf = t5 t4,晶体管的开关特性 储存时间,p,零偏,正偏,n+,n,D,p,零偏,正偏,n+,n,C,抽取基区、集电区超量储存电荷,定义：饱和深度,s = 1 临界饱和状态,晶体管的开关特性 储存时间,p,n

8、+,n,电荷控制方程,超量储存电荷,当 时，Qpc = 0,降低 ts 措施：,1o Ib1 s,2o pc 掺 Au（复合中心）,3o Ib2,提高开关速度的途径,1o 掺 Au pc ,2o 不掺 Au 时 c Nc pc ,3o Wc Qpc ,4o CTe CTc Aje Ajc ,5o Wb Qb ,共基极低频小信号模型, Tee (CBss-Tee) 模型,geb ：共基极时输入电导 即发射结动态电阻re的倒数,gmr ：集电结电压反馈（Early效应）,gmf ：共基极时放大能力,gcb ：共基极时输出电导（Early效应）,BJT的Ebers-Moll, 2.5 晶体管的模型,一. Ebers-Moll 方程（本征晶体管）,其中,RIR,FIF,IF,IR,Ie,Ic,Ib,E,B,C,其中,规定：端电流流入为正,Ebers-Moll方程：,多晶硅发射极BJT,工艺：在发射区窗口淀积多晶硅，然后进行发射极扩散。这时磷（或者砷）在多晶层很快扩散而到单晶区扩散速度减缓，形成浅、侧向扩散小而陡峭的杂质分布 特点：自对准（有利于减小器件尺寸）、高发射系数。,场氧化,场氧化,多晶发射区,N,N阱（集电极）,P型外延层,重点内容,决定电流增益的因素 提高频率特性的途径 提高开关速度的途径 改善小电流特性的途径 改善大电流特性的途径 比较MO