《雙極晶體管1a》PPT課件.ppt

第三章 雙極晶體管（1）,BJT (Bipolar Junction Transistor),*,*,*,*,現(xiàn)代主流電子器件有兩大類：BJT和FET。這些器件廣泛的應(yīng)用于通信、計算機及自動化等各個領(lǐng)域。,BJT于1948年發(fā)明于美國Bell實驗室，通常有NPN、PNP兩種基本結(jié)構(gòu)，在電路中主要用作放大、開關(guān)等。,本章主要介紹BJT的結(jié)構(gòu)、工作原理，重點介紹其載流子的運動規(guī)律和直流特性,分析方法：通過對器件工作時載流子的運動規(guī)律的分析，把器件的電學(xué)特性和器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、工藝參數(shù)聯(lián)系起來，為我們設(shè)計、使用晶體管提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。,1、晶體管的分類、基本結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)分布,2、雙極晶體管的放大原理,4、雙極晶體管的電流增益,5、反向直流參數(shù)及基極電阻,3、雙極晶體管的直流伏安特性,6、特性曲線和晶體管E-M模型,7、溫度特性和三極管的應(yīng)用舉例（見1a3、1a4）,典型的三極管 偏置電路分析,back,三極管放大電路穩(wěn)定工作點的方法,1. 晶體管的分類、基本結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)分布,1） 分類及符號,按用途：低/高頻管、小/大功率管、 低噪聲管、高反壓管、開關(guān)管如下頁圖所示,按工藝及管芯結(jié)構(gòu)：合金管、擴散 管、離子注入管，臺面管、平面管,按各區(qū)摻雜情況：NPN、 PNP,*,*,*,符號：NPN、 PNP（畫于黑板）,*,(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管,半導(dǎo)體三極管的型號,第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、 G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管,國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：,3DG110B,下面請看其基本結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)分布,2） 基本結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)分布,不同的雙極晶體管的具體結(jié)構(gòu)有所差異，但其管芯基本結(jié)構(gòu)是一樣的：由靠的很近的兩個PN結(jié)組成。其結(jié)構(gòu)模型如圖所示,a、均勻基區(qū)晶體管-合金管,b、緩變基區(qū)晶體管-平面管,看下面幾個例子：,*,*,back,c、集成電路中的晶體管-平面管,*,兩者 比較,半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類型:NPN型和PNP型。,BJT的結(jié)構(gòu)簡介,(a) NPN型管結(jié)構(gòu)示意圖 (b) PNP型管結(jié)構(gòu)示意圖 (c) NPN管的電路符號 (d) PNP管的電路符號,back,typical,a、均勻基區(qū)晶體管-合金管,制作工藝,*,三個區(qū)的雜質(zhì)分布,*,back,銦、鎵，加熱到銦鎵與鍺的共溶溫度,b、緩變基區(qū)晶體管-平面管,back,制作工藝？（對照 講解）,*,三個區(qū)的雜質(zhì)分布,*,淡紫色,淺青綠色,青色 橙色,頂視圖,頂視圖,1019cm-3,1017cm-3,1015cm-3,淡紫色,淺青綠色,水綠色 橙色,back,摻雜過程,a.工藝上對WB的控制 b.基區(qū)雜質(zhì)的分布（均勻基區(qū)擴散型晶體管、緩變基區(qū) 漂移型晶體管）,兩種管子的簡單比較,compare,back,隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，器件縱向尺寸和橫向尺寸大為減小。例如，發(fā)射區(qū)寬已經(jīng)可以做到0.3微米左右,back,c、集成電路中的晶體管-平面管,由于元器件之間需要相互隔離及聯(lián)結(jié)，故IC中晶體管和單個管子結(jié)構(gòu)有所不同,*,集電極從管芯表面引出，所以在集電區(qū)下面作埋層以減小集電極串聯(lián)電阻,*,*,詳細(xì)請看 放大圖,集成電路中典型NPN型BJT的截面圖,返回 放大圖,隔離區(qū),埋層,集電極,黑板演示隔離區(qū)劃分,并取其中一個小單元即如課件所示,2.2 晶體管的放大機理,下一節(jié)：晶體管的直流伏安特性,2. 晶體管的放大機理,2.3 描述晶體管電流傳輸作用和放大性能的參數(shù),2.1 晶體管的電流傳輸作用,2.2 晶體管端電流的組成,2.4 晶體管的放大能力,back,即：以NPN共基組態(tài)電路且管子處于放大區(qū)的情況為例進(jìn)行學(xué)習(xí)。(下圖),2.2.1 晶體管的電流傳輸作用,2.1 晶體管的電流傳輸作用,三點說明：,1.NPN、PNP，以NPN為例,2. 晶體管三種基本電路組態(tài)，共基、共射、共集，以共基為例,3. 晶體管有四種工作狀態(tài)，放大、截止、 反向運用、飽和，以放大區(qū)為例,*,*,*,*,共基極,共射極,共集極,在黑板上分別解釋這幾種工作狀態(tài)從結(jié)的偏置的角度四象限劃分,電流傳輸放大圖,少子分布放大圖,下頁進(jìn)行討論:(1、2、3、4),. 在E區(qū)與從B區(qū)反向注入的空穴的復(fù)合損失 . 在B區(qū)與空穴的復(fù)合損失 . E勢壘區(qū)復(fù)合 . 表面復(fù)合,討 論:(1、2、3、4),. E結(jié)對C結(jié)（畫圖分析） . C結(jié)對E結(jié),1、E、C結(jié)的相互關(guān)系,3. 電子在傳輸過程中的損失,IPE,2. NPN管中電流的傳輸過程：,back,4.基區(qū)寬度對晶體管特性的影響,現(xiàn)在實際器件的WB可以做到0.3微米左右,IE,IB,IC,InE,IVB,ICBO,晶體管電流傳輸示意圖,InC,IpE,濃度分布,下頁對晶體管的電流傳輸進(jìn)行簡單的討論總結(jié),返回電流傳輸放大圖,返回晶體管電流傳輸示意圖,返回放大圖,共基極連接,共射極連接,RL,RL,共集電極連接,RL,RL,返回,2.2.2 晶體管端電流的組成,2.2 晶體管端電流的組成,back,共基極直流電流增益： 從發(fā)射極輸入電流中有多大比例傳輸?shù)郊?極。,2.2.3 描述晶體管電流傳輸作用和放大 性能的參數(shù),2.3 描述晶體管電流傳輸作用和放大性能的參數(shù),2. 共射極直流電流增益： 發(fā)射極電流中傳輸?shù)郊姌O部分與傳輸過程中 損失部分的比值。,3. 發(fā)射效率： 從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子流與發(fā)射極總 電流之比。,4. 基區(qū)輸運系數(shù)： 到達(dá)集電結(jié)的電子數(shù)與由發(fā)射結(jié)注入到基區(qū) 的電子數(shù)之比。,提高直流電流增益的一般原則：盡可能的 減少輸運過程中的損失。,back,討 論,Vi Pi,V0 P0,GV GP,2.2.4 晶體管的放大能力,2.4 晶體管的放大能力,back,3.1 均勻基區(qū)晶體管的伏安特性,2.3 晶體管的直流伏安特性,下一節(jié)：直流電流增益,3. 晶體管的直流伏安特性,back,本節(jié)內(nèi)容：,3.2 緩變基區(qū)晶體管有源放大區(qū)的伏安特性,2.3.1 均勻基區(qū)晶體管的伏安特性,3.1 均勻基區(qū)晶體管的伏安特性,均勻基區(qū)晶體管-合金管,為了分析問題的方便，先作幾點假設(shè)下頁,6.滿足小注入條件,幾點基本假設(shè)：,1. E、B、C雜質(zhì)均勻分布，E結(jié)C結(jié)都是突變結(jié),2. E結(jié)C結(jié)為平行平面結(jié)，其面積相同，電流垂 直結(jié)平面流動。,3.外加電壓全部加在空間電荷區(qū)，勢壘區(qū)外沒有電場,4.E區(qū)C區(qū)長度遠(yuǎn)大于少子擴散長度，少子濃度按指數(shù)規(guī)律衰減,5.勢壘區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴散長度，勢壘復(fù)合及勢壘產(chǎn)生均可以忽略,7.不考慮基區(qū)表面復(fù)合的影響；WB為常數(shù)。,*,*,*,*,*,*,*,分析過程(均勻基區(qū))：,緩變基區(qū)晶體管的直流伏安特性,3. 由這些電流分量得出晶體管的伏安特性方程,1. 由連續(xù)性方程求出各區(qū)(基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū))少子分布,2. 從電流密度方程導(dǎo)出晶體管內(nèi)部流動的各電流分量(基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)),基區(qū),back,*,*,基區(qū)少子分布(表達(dá)式),*72,基區(qū)很窄時，可近似為,由連續(xù)性方程求各區(qū)的少子分布函數(shù),0,back,發(fā)射區(qū),發(fā)射區(qū)少子分布(表達(dá)式),*74,*,0,集電區(qū),集電區(qū)少子分布(表達(dá)式),*75,*,以上求出了三個區(qū)的少子分布函數(shù)，接下來就利 用電流密度方程得出各個電流分量的大小,*,back,0,基區(qū),*,*,基區(qū)電子電流(表達(dá)式),書本76頁有詳細(xì)推導(dǎo)，同學(xué)自己看,0,back,*,*,*,以上是基區(qū)的電流分量，接下來看發(fā)射區(qū)的電流分量,時上式同樣可以利用下面近似關(guān)系進(jìn)行近似,*,*,發(fā)射區(qū),*,*,發(fā)射區(qū)空穴電流(表達(dá)式),書本77頁有詳細(xì)推導(dǎo)，同學(xué)自己看,0,從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流分量,back,以上是發(fā)射區(qū)的電流分量，接下來看集電區(qū)的電流分量,集電區(qū),*,*,集電區(qū)空穴電流(表達(dá)式),0,集電區(qū)的空穴電流分量,back,以上是集電區(qū)的電流分量，三個區(qū)的電流分量都求出來了,均勻基區(qū)晶體管的伏安特性方程:,可見,通過每個結(jié)的電流不是只與該結(jié)上偏壓有關(guān)系,同時還與另一個結(jié)上的偏壓有關(guān), 這表明了發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的相互作用.,返回本節(jié)末,*,均勻基區(qū)晶體管的直流伏安特性到此就分析完了,其重點是要求大家掌握這個分析方法和結(jié)論,晶體管的伏安特性方程,連續(xù)性方程,少子分布,電流密度方程,少子電流分量,back,由于工藝上的原因，相對均勻基區(qū)管，緩變基區(qū)管三個區(qū)的雜質(zhì)呈非均勻分布，所以其伏安特性和均勻基區(qū)管也有很大差別,2.3.2 緩變基區(qū)晶體管有源放大區(qū)的伏安特性,3.2 緩變基區(qū)晶體管有源放大區(qū)的伏安特性1,淡紫色,淺青綠色,青色 橙色,為什么呢？原因如下，具體見后面的分析,*,*,返回發(fā)射區(qū) 自建電場,返回集電區(qū) 自建電場,自建電場,雜質(zhì)的非均勻分布,伏安特性,*,基區(qū)自建電場,1）其形成機理,2）自建電場的求解,自建電場,雜質(zhì)的非均勻分布,伏安特性,緩變基區(qū)晶體管伏安特性的求解方法：下頁,*,*,自建電場在基區(qū)、發(fā)射區(qū)的影響非常大，下面我們先就基區(qū)自建電場的情況進(jìn)行一下具體的分析，分析過程：,自建電場的形成及求解,考慮了自建電場的影響后其伏安特性,2)近似方法求解:忽略少子在基區(qū)輸運過程中的損失。詳細(xì)如下：,back,1)用連續(xù)性方程精確求解 用連續(xù)性方程帶來的問題,緩變基區(qū)晶體管伏安特性的求解方法：,*,*,緩變基區(qū)和均勻基區(qū)晶體管的伏安特性的異同點分析同學(xué)自己分析,*,加速場 阻滯場（忽略）,發(fā)射區(qū)自建電場，返回,集電區(qū)仍為均勻雜質(zhì)分布,E,B,C,back,自建電場形成動畫,*,動態(tài)平衡時，基區(qū)中多子J擴和J漂大小相等，方向相反，凈空穴電流密度為0。由此得,b.室溫下雜質(zhì)完全電離，并且為了維持基區(qū)電中性，基區(qū)多子分布和雜質(zhì)分布相同,2）自建電場的求解,c.將基區(qū)雜質(zhì)近似為指數(shù)分布。,分析：采用指數(shù)近似后，自建電場變?yōu)槌?shù) 它將加速基區(qū)少子在基區(qū)運輸，使復(fù)合減少，因此其電流增益和頻率特性相對優(yōu)越。,于是有,back,*,連續(xù)性方程,均勻基區(qū)晶體管基區(qū)電子的連續(xù)性方程,考慮自建電場的緩變管基區(qū)電子的連續(xù)性方程,back,基區(qū)電子電流,將 乘上式兩端，并從 到 積分，得,求積分,基區(qū),求積分,淡紫色,淺青綠色,青色 橙色,忽略基區(qū)復(fù)合時 是常數(shù)， 以 表示，則,看圖：,求積分,基區(qū),以上求的是基區(qū)的少子電流，我們可以用同樣的辦法求發(fā)射區(qū)的少子電流，如下：,基區(qū),發(fā)射區(qū)也存在一個自建電場，記做,于是得到發(fā)射區(qū)少子電流如下：,下面看看緩變基區(qū)晶體管集電區(qū)的情況,發(fā)射區(qū),近似,由于緩變基區(qū)晶體管集電區(qū)的雜質(zhì)分布仍為均勻分布（如圖），所以緩變基區(qū)晶體管集電區(qū)的少子電流表達(dá)式和均勻基區(qū)晶體管集電區(qū)的少子電流表達(dá)式一樣，即,近似,集電區(qū),以上我們得到了緩變基區(qū)晶體管各區(qū)的少子電流分量： ，從而我們就可以得到其直流伏安特性方程如下：,晶體管的直流伏安特性到此就全部得到了！,back,注意，上式僅實用于在放大態(tài)的管子,2.4 直流電流增益,學(xué)習(xí)任務(wù)：,將晶體管的直流電流增益與其結(jié)構(gòu)、材料及工藝參數(shù)聯(lián)系起來，從而找到提高增益的各種措施。,方 法：,從討論理想管入手進(jìn)而對實際晶體管進(jìn)行分析。,理想晶體管和實際管的區(qū)別？,發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響：,發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合的影響,表面復(fù)合的影響,基區(qū)寬變效應(yīng),4、雙極晶體管的電流增益,. 實際晶體管影響直流增益的一些因素 （共四點）,back,2）緩變基區(qū),3）提高增益的方法,接下來我們來開始分析,. 理想晶體管的直流增益：（分三步）,1）均勻基區(qū),討論均勻基區(qū)晶體管增益的方法如下： 發(fā)射效率 基區(qū)輸運系數(shù) 直流電流增益 先利用前面得到的電流分量的表達(dá)式先分析發(fā)射效率和基區(qū)輸運系數(shù)和器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系，再討論電流增益。如下頁所示,均 勻 基 區(qū) 晶 體 管 的 增 益,近似,back,*,*,發(fā)射效率 基區(qū)輸運系數(shù) 直流電流增益,討論均勻緩變基區(qū)晶體管增益的方法如下： 發(fā)射效率 基區(qū)輸運系數(shù) 直流電流增益 先利用前面得到的電流分量的表達(dá)式先分析發(fā)射效率和基區(qū)輸運系數(shù)和器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系，再討論電流增益。如下頁所示,back,緩 變 基 區(qū) 晶 體 管 的 增 益,發(fā)射效率 基區(qū)輸運系數(shù) 直流電流增益,*,*,*,求,基區(qū)電子的復(fù)合率,基區(qū)復(fù)合電流,認(rèn)為此時基區(qū)電子指數(shù)分布,back,可得基區(qū)復(fù)合電流,緩變基區(qū)的情況,求,基區(qū)電子的復(fù)合率,基區(qū)復(fù)合電流,認(rèn)為此時基區(qū)電子線性分布,back,可得基區(qū)復(fù)合電流,均勻基區(qū)的情況, 減小基區(qū)寬度,3）提高增益的方法, 提高發(fā)射區(qū)與基區(qū)摻雜濃度比。,*,*,發(fā)射區(qū)摻雜濃度一般比基區(qū)高兩個數(shù)量級。 在實際工藝中，我們可以通過提高發(fā)射區(qū)摻雜水平或降低基區(qū)摻雜水平來實現(xiàn)，但是發(fā)射區(qū)摻雜不能超過雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料中的固溶度，同時，基區(qū)摻雜過低也會使器件的基區(qū)電阻變大，導(dǎo)致其功率增益下降，噪聲系數(shù)上升，大電流特性變壞。,主要受工藝水平和基區(qū)穿通電壓的限制。,back, 提高基區(qū)電場因子, 提高基區(qū)載流子壽命和遷移率,*,*,即增大基區(qū)的雜質(zhì)濃度梯度，增大基區(qū)兩側(cè)的雜質(zhì)濃度之比。 主要目的是增大基區(qū)的加速場，使基區(qū)輸運系數(shù)變大。,2）發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響：,2.4.2 影響直流增益的一些因素,back,. 實際晶體管影響直流增益的一些因素,1）發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合的影響,3）表面復(fù)合的影響(見下頁圖2-19),4）基區(qū)寬變效應(yīng),帶隙變窄效應(yīng),俄 歇 效 應(yīng),以晶體管在有源放大區(qū)為例， 解釋基區(qū)寬變效應(yīng)的形成,定量分析不作要求,IE,IB,IC,InE,IpE,IVB,ICBO,InC,IrE,考慮IrE之前,考慮IrE之后,考慮發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合的時候，示意圖如下,1）發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合的影響,不考慮發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合的時候,*,*,*98,圖2-16很好的說明了IrE對管子增益的影響，如下,電流增益隨 工作電流的 變 化 關(guān)系,2.隨著工作電流增大， 的影響逐漸減小，使發(fā)射效率增加，電流增益變大；,1.工作電流較小時， 變得與 可比擬，故 減小導(dǎo)致 明顯下降；,3.高電流時由于大注入效應(yīng)的發(fā)生，電流增益下降。,back,2）發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響：,帶隙變窄效應(yīng),思考1：重?fù)诫s時帶隙為什么變窄？,發(fā)射區(qū)重?fù)诫s以提高發(fā)射效率,*101,思考2：帶隙變化和晶體管增益的關(guān)系？,由固體電子學(xué)的知識分析非簡并半導(dǎo)體和簡并半導(dǎo)體中狀態(tài)密度和能量的關(guān)系圖即可。,輕摻雜時,主要原因：帶隙變窄引起ni發(fā)生改變,重?fù)诫s時,定性分析如下：,對重?fù)诫sSi,back,思考2：帶隙變化和晶體管增益的關(guān)系？,由公式可得,*101,back,俄歇復(fù)合的壽命為,俄 歇 效 應(yīng),2）發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響：,什么是俄歇復(fù)合？,G俄歇復(fù)合系數(shù),摻雜很高時,*,*,考慮了俄歇復(fù)合時，發(fā)射區(qū)空穴壽命表達(dá)式為：,前面說了，載流子在管內(nèi)傳輸時要發(fā)生復(fù)合，這個體內(nèi)復(fù)合主要是間接復(fù)合(SHR復(fù)合) ，此時發(fā)射區(qū)空穴壽命表達(dá)式為：,back,俄歇復(fù)合與增益的關(guān)系可用以下關(guān)系圖描述：,3）表面復(fù)合的影響,3）表面復(fù)合的影響(見下頁圖2-19),具體分析如下頁,顯然，考慮了基區(qū)表面復(fù)合時，基區(qū)輸運系數(shù)會下降。,沒有考慮表面復(fù)合時基區(qū)輸運系數(shù)如下：,考慮表面復(fù)合時基區(qū)輸運系數(shù)如下：,為了減小表面復(fù)合的影響，應(yīng)注意表面清潔， 減少表面復(fù)合中心,基區(qū)表面復(fù)合電流密度,back,傳輸系數(shù),基區(qū)表面復(fù)合電流,*,4）基區(qū)寬變效應(yīng),形成過程,基區(qū)寬度變化會引起增益怎樣的變化？ （定性的分析）,4）基區(qū)寬變效應(yīng),對電流增益影響的詳細(xì)討論,例如在放大狀態(tài)下（畫圖分析）,此效應(yīng)使得晶體管的電流增益隨外加電壓變化而變化，降低了放大性能的線性度，使信號失真。,b. 基區(qū)寬變效應(yīng)在管子特性曲線上的體現(xiàn)。 見下頁圖（借助此圖我們可對其進(jìn)行定量的分析）,*,黑板上畫圖對比分析,厄利電壓？,*106,設(shè)基極電流IB，集電極電壓VCE， 有寬變效應(yīng)時集電極電流為IC， 沒有時為 ，則有寬變效應(yīng) 時電流放大系數(shù)為： 沒有時為： 從圖中的幾何關(guān)系上可得 等式兩邊除以IB，可得 兩邊對VCE微分 變形得,在黑板上記下此式，分別求下面兩項,1）求 已知 令發(fā)射效率為1，則 所以 2）求 由 對合金管,在黑板上記下此式,所以對合金管 對緩變基區(qū)，如果認(rèn)為集電結(jié)為 為線性緩變結(jié)則 此時基區(qū)寬變因子 于是可以得到厄利電壓,back,反向直流參數(shù)和基極電阻,5、反向直流參數(shù)及基極電阻,晶體管的反向直流參數(shù)主要是指反向截止電流和反向擊穿電壓，在晶體管的研制和使用中，這是基本的參數(shù)。 反向截止電流不受信號控制，增加了器件的空載功耗，對放大沒有貢獻(xiàn)，所以越小越好。 反向擊穿電壓反映了器件可外加電源電壓的高低，也意味著輸出電流及輸出功率的大小，要盡可能高一些。 基極電阻也是晶體管的重要參數(shù)之一，它增加了器件本身的功率損耗，影響器件的功率特性、噪聲特性。,5.1 反向截止電流,5.2 擊穿電壓和安全工作區(qū),back,5.3 基極電阻,*,a、 ICBO 定義； 測試電路,b、IEBO 和ICBO情況類似。通常要求不高。,1. 反向電流,ICBO、IEBO、ICEO,Si管主要是產(chǎn)生電流。 晶體管對 ICBO的要求較高，它直接關(guān)系到ICEO的大 小。要減小它，就要盡量減小材料復(fù)合中心。,*,5.1 反向截止電流,c、ICEO . 定義 測試電路 . 電流的形成,. 和ICBO的關(guān)系,討論：,（不過這里的增益是集電極電流為ICEO時的增益，比正常條件下的增益小得多）,可見，要減小ICEO：,注意：ICBOIEBO是溫度的靈敏函數(shù)。,一、是要減小ICBO，,二、是電流增益不要太大。,*,*,*,*,back,5.2 擊穿電壓,*,*,*,*,*,a、 BVCBO,決定因素：一般由集電極雪崩擊穿電壓決定；,定義；,b、 BVEBO,硬、軟擊穿。 見右圖：,和BVCBO類似。在晶體管中對其要求比較低，一 般其大于4V即可。所以在設(shè)計中多不作考慮。,5.2 擊穿電壓和安全工作區(qū),*,*,c、BVCEO, 定義, BVCEO和BVCBO的關(guān)系下頁,*, 測試電路,畫在黑板上進(jìn)行說明,*,*,*,*,集電結(jié)沒有發(fā)生雪崩倍增時，有以下關(guān)系,集電結(jié)發(fā)生雪崩倍增時，有以下關(guān)系,*,可見：BVCEOBVCBO,由經(jīng)驗公式下頁,這是前面推導(dǎo)出來的關(guān)系式, BVCEO和BVCBO的關(guān)系下頁,顯然當(dāng) 時，電流趨向無窮大，發(fā)生擊穿,兩者之間數(shù)值上的關(guān)系可以由經(jīng)驗公式得到 由經(jīng)驗公式,n為常數(shù)，當(dāng)集電結(jié)低摻雜N型：硅管4鍺管3 當(dāng)集電結(jié)低摻雜P型：硅管2鍺管6,下頁討論其安全工作區(qū),(1) 集電極最大允許電流ICM,(2) 集電極最大允許功率損耗PCM,PCM= ICVCE,其安全工作區(qū)由器件的 極限參數(shù) 決定,BJT的安全工作區(qū),(3) 擊穿電壓,back,5.3 基極電阻,下面以梳狀管、圓形管為例，具體的分析基極電阻與哪些因素有關(guān)，并介紹其計算方法。,所以在設(shè)計和制造中，應(yīng)盡可能的減小其基極電阻。,BJT的基極電阻是表征其性能好壞的一個重要參數(shù)。其主要由基區(qū)體電阻和接觸電阻組成，其大小主要決定于管子的結(jié)構(gòu)尺寸及基區(qū)電阻率。,基極電阻對BJT的功率特性、頻率特性、噪聲系數(shù)等都有著重要的影響,*,*,*,*,. 梳狀晶體管,先看看梳狀晶體管的制造過程和結(jié)構(gòu)：,*,平面圖,剖面圖,*121,下頁標(biāo)注,N+,N,P,. 梳狀晶體管,我們考慮梳狀晶體管一個單元：,*,平面圖,剖面圖,*121,N+,N,P,下頁提出其一個單元的后的圖,可以分為以下四個部分：,*122,其一個單元的圖,a、E區(qū)正下方的電阻,b、E區(qū)邊界與B極邊界之間的電阻,c、基極金屬條下方的電阻,d、基極金屬電極與半導(dǎo)體歐姆接觸的電阻,為了算出電阻，先看看基極電流在基區(qū)的流動情況下頁,返回定義參數(shù),*122,基極電流在基區(qū)的流動情況,由右上圖可見：,a、基極電流是一股橫向電流,b、基極電流是多子電流。對npn管是空穴電流,c、基極電流在發(fā)射區(qū)下方區(qū)域是不均勻的，它向發(fā)射區(qū)中心流動過程中是不斷減小的。,由于基極電流流動過程中不斷有空穴注入到發(fā)射區(qū)，還有部分空穴不斷和注入到基區(qū)的電子復(fù)合。,下面分別計算各部分的基極電阻的大?。?*,*,*,（1）E區(qū)正下方的電阻rb1,*123,標(biāo)注見講稿,求解時看右圖： 由于基極電流在流動過程中是個變量，不能采用通常的方法計算，這里我們通過等效功率來求解：方法如下,下面求解rb2,計算前定義幾個參數(shù),（2）E區(qū)邊界與B極邊界之間的電阻rb2,*124,通過這一部分基區(qū)的基極電流不變，若假設(shè)在垂直電流流動方向的截面上電流均勻分布，可直接寫出其電阻值：,下面求解rb3,（3）基極金屬條下方的電阻rb3,*124,和求解rb1的方法一樣 在這個區(qū)域，電流密度沿藍(lán)色箭頭的方向減小，也可以認(rèn)為是一個線性分布。,下面求解rCON,（4）基極金屬電極與半導(dǎo)體歐姆接觸的電阻rCON,*124,直接求解：,于是可以得到梳狀晶體管半個小單元的電阻值如下頁所示,*,從上式可見，減小基極電阻的主要途徑是：,從設(shè)計上，盡量減小發(fā)射極條、基極條的寬長比，發(fā)射極與基極間距盡可能小，增加發(fā)射極條數(shù),做好歐姆接觸，減小基極金屬條與半導(dǎo)體的接觸電阻,從工藝上，盡量提高基區(qū)摻雜濃度，以減小基區(qū)電阻率或方塊電阻。但是這與提高發(fā)射效率矛盾，要綜合考慮,下頁是圓形晶體管的模型,基極電阻到此為止,圓形晶體管,和前面梳狀晶體管的情況類似，有興趣同學(xué)可自己分析,硅片表面,硅片外延層,硅片襯底,back,特性曲線和E-M模型,back,6、特性曲線和晶體管E-M模型,6.1 特性曲線,6.2 晶體管E-M模型,6.1 特性曲線,back,特性曲線 能夠直觀的表示出晶體管的直流特性，從其特性曲線上我們可以得到晶體管的一些直流參數(shù)，例如直流增益等,共基極接法,共射極接法,共集極接法,A、輸入特性曲線,B、輸出特性曲線,特性曲線的種類：,*,*,晶體管特性圖示儀,A、輸入特性曲線,掃描劉剛書105頁圖,共基極連接,共射極連接,RL,RL,*128,a 共基極輸入特性曲線（VBC一定時 IEVBE ） 與單獨PN結(jié)區(qū)別：隨著VBC增大，IE增加更快。這是基區(qū)寬變效應(yīng)引起。,b 共射極輸入特性曲線（VCE一定時 IBVBE ） 注意，如VBE=0，當(dāng)VCE0和VCE0兩種情況下IB的值有區(qū)別。,back,b 共射極輸出特性曲線（IB一定時 ICVCE ） 注意IC隨IB的變化：當(dāng)IB=0時，ICICEO 當(dāng)IB增大時，IC按照IB的規(guī)律增大 注意IC隨VCE的變化（基區(qū)寬變效應(yīng)使曲線傾斜）,B、輸出特性曲線,a 共基極輸出特性曲線（IE一定時 ICVCB ） 注意IC隨IE的變化：當(dāng)IE=0時，ICICBO 當(dāng)IE增大時,IC按照IE的規(guī)律增加,*124,b 共射極直流電流增益,a 共基極直流電流增益, 輸出特性曲線與晶體管的參數(shù) ：, 共射曲線在VCE下降為零之前，IC已開始下降，而共基曲線在VCB為負(fù)值時才開始下降。, 兩種組態(tài)輸出特性的比較 ：, IC隨IB變化較快，這是由于共射極電流增益遠(yuǎn)大于共基極電流增益,共同點：輸入電流一定時，輸出電流基本不變，即晶體管是一種電流控制器件。,不同點, 共射極輸出特性曲線上翹，而共基的基本保持水平，這是由于基區(qū)寬變效應(yīng)對共射極電流增益的影響比較大,從電流關(guān)系討論BJT的放大態(tài)和飽和態(tài)：, 晶體管的電流關(guān)系與工作狀態(tài),什么是BJT的放大態(tài)，什么是飽和態(tài)？,臨界飽和：,臨界飽和驅(qū)動電路 IBS,過驅(qū)動電流 IBX=IB-IBS,飽和深度（過驅(qū)動因子） S=IB/IBS,*,*,*,*,*,放大態(tài)和飽和態(tài)在輸出特性曲線上的體現(xiàn)見下頁,IC=ICS,晶體管四種工作狀態(tài)：, 晶體管的輸出特性曲線與工作狀態(tài) ：以共射極為例,飽和區(qū),截止區(qū),back,6.2 晶體管E-M模型,假如我們進(jìn)行電路模擬，就必須先建立電路各元器件的模型。,晶體管模型的意義：用于計算機分析（CAA）和計算機輔助設(shè)計（CAD）中使用。,元器件的模型不唯一；,元器件的模型的精度越高，模型本身就越復(fù)雜，所要求的模型參數(shù)個數(shù)越多；,對于一般的電路分析，特別是大規(guī)模的電路，盡可能采用能滿足一定精度的簡單模型。,先回顧一下我們熟悉的二極管的模型：下頁,二極管直流模型,二極管小信號模型,A,K,rS,gd,Cd,rS,VD,ID,rS是接觸電阻和大注入時等效電阻,超大規(guī)模集成電路設(shè)計,所以原則上講，如何構(gòu)造器件的模型有一定的任意性。因此，在不同的應(yīng)用場合，為了電路分析的方便，晶體管有不同的模型：我們來看,*,*,對晶體管而言，也有很多一些模型，在這里我們主要討論一下EM模型（非線性直流模型），其參數(shù)能較好的反映物理本質(zhì)且易于測量，所以