第三章 BJT器件

1、1 2主要內(nèi)容主要內(nèi)容 基本工作原理 直流特性 雙極型晶體管模型 頻率特性 功率特性 開(kāi)關(guān)特性3 (1) BJT的基本工作原理 由兩個(gè)背靠背的、相互作用(很靠近)的p-n結(jié)組成; 有兩種載流子參加工作 “雙極”性; 具有電流放大作用; 具有開(kāi)關(guān)作用.4* 基本結(jié)構(gòu) * 構(gòu)成: 由由2個(gè)個(gè)背靠背的背靠背的p-n結(jié)組成結(jié)組成( ( 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)- -基區(qū)基區(qū)- -集電區(qū)集電區(qū)) ) ； 有有 n-p-n 和和 p-n-p 兩種結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)。 放大工作時(shí): 發(fā)射結(jié)正偏 (發(fā)射結(jié)電阻發(fā)射結(jié)電阻r re e很小很小 ); 集電結(jié)反偏 (集電結(jié)電阻集電結(jié)電阻r rC C 很大很大 ).). 制造: Si晶

2、體管常采用平面工藝 (外延, 氧化, 光刻, 擴(kuò)散, ); 合金管？發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)發(fā)射射極極收收集集極極基基極極低阻襯底外延層外延層(集電區(qū))EBBC基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)C5n+pnECBqVBEqVBCCBE要點(diǎn)： re RL rc ； 基區(qū)寬度少子擴(kuò)散長(zhǎng)度； IC IE ，輸出IC RL很大放大。BCEVBE+VBCRLICIEIBRL* 晶體管的放大作用 *6 BJT的輸入和輸出伏安特性:BEC0WXc-XE(n)(p)(n)()()()()VEBIE?(輸入伏安特性輸入伏安特性)VBCIC?(輸出伏安特性輸出伏安特性)7 (2) BJT 的 直 流 特 性 BJT的直流

3、放大系數(shù) BJT的電流-電壓關(guān)系 非理想晶體管中的一些效應(yīng) BJT的低頻小信號(hào)特性8 BJT中的電流成分： (設(shè)發(fā)射結(jié)耗盡層中的復(fù)合電流為IER） IE = IEn + IEp + IER ， IC = ICn + ICBO ， IB = IEp + IER +（IEn ICn） ICBO， IE = IC + IB 。cboncIXII)(4)()(21XIXIInpecborbpbIIXII)(1cebIII9 理想BJT中載流子濃度的分布： * 中性中性基區(qū)基區(qū)(0W)中電子的分布中電子的分布: np(x) = np0 + nP0 (expqVBE/kT1)sinh(W-x)/Ln /

4、sinh(W/Ln) + nP0 (expqVBC/kT1)sinh(x/Ln) / sinh(W/Ln) , 在W kT/q 的有源放大區(qū), 可簡(jiǎn)化為線性分布： np(x) np0 + nP0 expqVBE / kT ( 1 - x / W ) = np0 + nP(0) ( 1 - x / W ) , 即由發(fā)射結(jié)處的最大值nP(0)而下降到集電結(jié)邊緣處的0. * 同樣,可求出E區(qū)和C區(qū)的少子分布pE (x)和pC (x)與電壓的關(guān)系.10 放大狀態(tài)時(shí)的放大狀態(tài)時(shí)的基區(qū)少子存儲(chǔ)電荷基區(qū)少子存儲(chǔ)電荷: QB = - q A np (x) - npo dx - q A W np(0) / 2

5、. BEC0WXc-XE(n)(p)(n)W0pConpopEoW0 x11 理想BJT的電流電壓關(guān)系： * 根據(jù) np (x) , 即可求得擴(kuò)散流過(guò)E結(jié)的電子電流 IE n 以及擴(kuò)散流過(guò)C結(jié)的 電子電流 IC n分別與電壓的關(guān)系; 并且在一定電壓下, 窄基區(qū)晶體管的 電流為常數(shù) (因?yàn)檫@時(shí)少子濃度的梯度等于常數(shù)). *由pE (x)和pC (x) ,可得到注入E區(qū)和C區(qū)的空穴電流IEP和ICP與電壓的關(guān)系. * 輸入和輸出伏安特性為 ( a i j 為與材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù) ) : IE = IE n + IE p = a11exp(qVBE/kT) - 1 + a12exp(qVBC/kT

6、) - 1, IC = IC n + IC p = a21exp(qVBE/kT) -1 + a22exp(qVBC/kT) - 1, IB = IE - IC = (a11-a21)exp(qVBE/kT) - 1 + (a12-a22)exp(qVBC/kT) - 1, * 可求得電流增益o 和o 與材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系.12BJT的四種工作狀態(tài) : 放大狀態(tài)放大狀態(tài) E結(jié)正偏, C結(jié)反偏. 截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài) E結(jié)反偏 (或0偏), C結(jié)反偏; 2個(gè)結(jié)流過(guò)的是反向 電流 ( IB = ICBO + IEBO ); 為大電壓、小電流的狀態(tài). 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài) E結(jié)正偏, C結(jié)正偏 (或0

7、偏); 為低電壓、 大電流的狀態(tài), IC基本上不隨輸入電流IB而變化 ( IC VCC / RL ). 反向放大狀態(tài)反向放大狀態(tài) E結(jié)反偏, C結(jié)正偏. 即把器件反向使用, C結(jié)的注射 效率通常很低.VBEVBC+0反向放大態(tài)截止態(tài)放大態(tài)飽和態(tài)13 電流增益： 共基極(輸出直流短路)電流增益 0 hFB = IC n / IE = 0* ， 注射效率0 IE n / IE ， 輸運(yùn)系數(shù)* IC n / IE n ； 則 IC = 0 IE + ICBO .IC可改寫(xiě)為 IC = 0 (IC + IB) + ICBO ，則有：IC = IB0/(1-0 ) + ICBO/(1-0 ) 0 IB

8、+ ICEO 。 共發(fā)射極(直流短路)電流增益 0 hFE = IC / IB =0 / (10 ) ， ICEO = ICBO /(10 ) = (1 + 0 ) ICBO , 則 IC = 0 IB + ICEO. 14EnBBpEGDGD110nBB1*0BWABBdxxNG0)(EWDEEdxxNG0)(15提高提高BJT直流電流增益的一般考慮直流電流增益的一般考慮： （1）提高注射效率（增大發(fā)射結(jié)的正向電流增大發(fā)射結(jié)的正向電流, ,減小發(fā)射結(jié)的反向注入減小發(fā)射結(jié)的反向注入電流電流, ,減小發(fā)射結(jié)耗盡層中的復(fù)合電流減小發(fā)射結(jié)耗盡層中的復(fù)合電流); （2）提高輸運(yùn)系數(shù) ( (減小基區(qū)的體

9、內(nèi)和表面復(fù)合電流減小基區(qū)的體內(nèi)和表面復(fù)合電流) ) . 提高發(fā)射區(qū)摻雜濃度，降低基區(qū)摻雜濃度提高發(fā)射區(qū)摻雜濃度，降低基區(qū)摻雜濃度; 減小發(fā)射結(jié)耗盡層中的缺陷和復(fù)合中心雜質(zhì)減小發(fā)射結(jié)耗盡層中的缺陷和復(fù)合中心雜質(zhì); 發(fā)射區(qū)的長(zhǎng)度發(fā)射區(qū)的長(zhǎng)度(發(fā)射結(jié)的結(jié)深發(fā)射結(jié)的結(jié)深) 需要需要 LPE ; 減小基區(qū)寬度減小基區(qū)寬度; 增大基區(qū)中載流子的壽命和遷移率增大基區(qū)中載流子的壽命和遷移率擴(kuò)散長(zhǎng)度增大擴(kuò)散長(zhǎng)度增大; 減小發(fā)射結(jié)和基區(qū)表面的復(fù)合電流減小發(fā)射結(jié)和基區(qū)表面的復(fù)合電流 。16問(wèn)題討論 對(duì)于理想的BJT，畫(huà)出其中各個(gè)區(qū)域中的少子濃度分布：（1）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；（2）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏；（3）

10、發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)短路（VCB=0）；（4）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)開(kāi)路（IC=0）；（5）發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；17 對(duì)于理想的BJT，畫(huà)出其中各個(gè)區(qū)域中的少子濃度分布：（6）發(fā)射結(jié)開(kāi)路（IE=0），集電結(jié)反偏；（7）發(fā)射結(jié)短路（VEB=0），集電結(jié)反偏；（8）發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)短路（VCB=0）；（9）發(fā)射結(jié)開(kāi)路（IE=0），集電結(jié)正偏；（10）發(fā)射結(jié)短路（VEB=0），集電結(jié)正偏；（11）BJT處于放大態(tài)時(shí)，但基極開(kāi)路（IB=0）。18 右圖是n-p-n晶體管基區(qū)中少數(shù)載流子濃度的幾種分布情況。試說(shuō)明圖中不同分布所對(duì)應(yīng)的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)分別處于什么樣的狀態(tài)？（是開(kāi)路還是短路？ 是正偏還是反偏？

11、）npo發(fā) 射 區(qū)集 電 區(qū)基 區(qū)19 對(duì)于理想的n-p-n BJT，說(shuō)明集電極電流的大?。海?）發(fā)射極短路時(shí)（2）發(fā)射極開(kāi)路時(shí)（3）基極開(kāi)路時(shí) 對(duì)于理想的BJT，示意畫(huà)出輸入和輸出的伏安特性曲線。+ICESICBOICEO200VCBICIE= 0IEICBOBVCBO共基極輸出特性pConpopEoW0 xn+np少子濃度的分布21BJT發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的影響 帶隙變窄效應(yīng)帶隙變窄效應(yīng): 重?fù)诫s時(shí)將產(chǎn)生能帶尾和雜質(zhì)能帶, 當(dāng)它們重疊時(shí)就使帶 隙變窄. 在室溫下有 Eg = 22.5 ( NE / 1018 )1/2 meV ; 相應(yīng)地, 發(fā)射區(qū)中本征載流子濃度將由 ni2 變

12、為n i e 2 = ni2 expEg / kT.從而使得晶體管的注射效率(少子濃度所致) . Auger效應(yīng)效應(yīng): Auger復(fù)合是電子與空穴直接復(fù)合、而將能量交給另一個(gè)自由 載流子的過(guò)程. N型半導(dǎo)體的Auger復(fù)合壽命A 1/ n2 ; 在重?fù)诫s時(shí), A 的數(shù)值很小. 在Si發(fā)射區(qū)摻雜濃度 1019 cm-3 時(shí), Auger復(fù)合壽命將小于SHR復(fù)合壽命 ( SHR復(fù)合壽命的典型值為10-7 s ). 則發(fā)射區(qū)少子壽命即由A很小的 Auger過(guò)程決定; 從而使發(fā)射區(qū)的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度, 注射效率. 22非理想非理想BJT小電流增益下降的主要原因小電流增益下降的主要原因: Sha效應(yīng) 發(fā)射結(jié)

13、勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流 IE r 使注射效率降低: 因?yàn)镋結(jié)復(fù)合電流 IER exp qVBE /2kT, 而 IC exp qVBE / kT , 則當(dāng)VBE 很小時(shí), IER在IB中將占主要成分; 于是有 0 exp 1- (1/2)qVBE / kT. 故在IC很小時(shí), E結(jié)中的復(fù)合將使0下降 Sah效應(yīng). 基區(qū)的表面復(fù)合電流 ISR 基區(qū)表面復(fù)合項(xiàng)為 ISR / IE n Aeff s W / (A Dn) , 則輸運(yùn)系數(shù)為 0 = 1 (基區(qū)體內(nèi)復(fù)合項(xiàng)) (基區(qū)表面復(fù)合項(xiàng)) = 1 W2/ 2Ln2 Aeff s W / (A Dn) . 在小電流時(shí), 表面復(fù)合的影響比較重要.23 一種非

14、理想的一種非理想的 BJTBJT (漂移晶體管漂移晶體管)： * 雙擴(kuò)散晶體管的雜質(zhì)濃度分布 一般基區(qū)雜質(zhì)濃度的分布 為高斯分布或余誤差分布. (可采用指數(shù)分布來(lái)近似.) * 基區(qū)自建電場(chǎng)的作用 對(duì)注入的少子有加速作用. (表面附近有一點(diǎn)減速電場(chǎng).) * 基區(qū)自建電場(chǎng) E的大小 E = ( kT / q ) / pp(x) dpp(x) / dx - ( kT / q ) / NB(x) dNB(x) / dx . 若雜質(zhì)分布采用指數(shù)近似,則自建電場(chǎng)與位置無(wú)關(guān): E = - (kT/q)(/W) = 常數(shù), 稱(chēng)為電場(chǎng)因子.npn(B)0 xND-NA24* 漂移晶體管的漂移晶體管的基區(qū)電子分布

15、基區(qū)電子分布 和和基區(qū)電子電流基區(qū)電子電流 : 在忽略基區(qū)復(fù)合( In = IEn )和在放大態(tài)時(shí),可得到基區(qū)電子 濃度的分布和基區(qū)的少子電流 np(x) = pp(x)dx NB(x)dx ， IEn = - . 其中GB 表示單位面積中性基區(qū)的雜質(zhì)總量單位面積中性基區(qū)的雜質(zhì)總量( Gummel 數(shù) ): GB = 對(duì)均勻基區(qū)有 GB = W NB . 可見(jiàn): 對(duì)漂移管,只要在均勻基區(qū)晶體管的有關(guān)公式中, 用 GB 來(lái)代替( W NB )即可.0NB(x)dx .WIE nq A Dn pp(x）xWq A Dn ni2 expqVBE / kT pp(x）dxW0q A Dn ni2 ex

16、pqVBE / kTGBq Dn NB(x）IE nWx25* 漂移晶體管的漂移晶體管的電流增益電流增益: 注射效率 0= (1 + IEP / IEn )-1 = 1 + ( DP GB / Dn GE )-1 , GE 是發(fā)射區(qū)的Gummel數(shù). 輸運(yùn)系數(shù) 因?yàn)榛鶇^(qū)體復(fù)合電流為 IVR = qA np(x) / n dx = IEnW2 / Ln2 (指數(shù)分布近似), 1/= - 1 + exp(-) /2 (- 1)/ 2 1 / ; 則輸運(yùn)系數(shù)為 * = 1 IVR / IEn = 1 - W2/ Ln2 . 直流電流增益 (摻雜濃度均是指平均值) 0 = 0 * = 1+ (PE /

17、n) (W/WE) (NB / NE) -1 (1- W2 /Ln2 ) 1 - (PE /n) (W/WE) (NB / NE) - W2 /Ln2 , 1/0 = 1 - 0 = (PE /n) (W/WE) (NB / NE) + W2 /Ln2 . 當(dāng) 取2時(shí), 即得到均勻基區(qū)的結(jié)果.0W26非理想非理想BJT的的: * 基區(qū)擴(kuò)展電阻基區(qū)擴(kuò)展電阻 是在發(fā)射區(qū)的正下方、與結(jié)面平行的電阻(二個(gè)2rbb的并聯(lián)),因?yàn)镮B在 發(fā)射區(qū)下方是不均勻的(在流向發(fā)射極中央時(shí)不斷減小),故為擴(kuò)展電阻. 總的基極電阻rb是二個(gè) ( 2rbb + RDB ) 的并聯(lián), RDB是歐姆電阻. 擴(kuò)展電阻上的橫向電

18、壓為 Vbb = rbb IB . * 減小基極電阻減小基極電阻r rb b的途徑的途徑 減小E-B間距 ; 提高基區(qū)摻雜濃度; 減小基極歐姆接觸電阻.+ B- E+ Bn+pn2rbb2rbbRDBRDB27非理想非理想BJT的的 : * 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流集邊效應(yīng) (基極電阻自偏壓效應(yīng)) 現(xiàn)象現(xiàn)象：在大電流時(shí), 橫向電壓Vbb將明顯改變各點(diǎn)的電壓VEB E極注入 電流密度從邊緣至中央指數(shù)下降 ( IE = I0 exp(qVBE/kT ), 當(dāng)VEB 減小kT/q 時(shí), IE 降為IE /e ) 在Vbb kT/q 時(shí), IE 將集中在發(fā)射結(jié)邊緣附近 電流 集邊效應(yīng)(基極電阻引起

19、的橫向電壓所致), 使得發(fā)射極有效寬度減小 (存 在發(fā)射極有效條寬). 影響影響：發(fā)射結(jié)邊緣處電流密度易產(chǎn)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)和基區(qū)展寬 效應(yīng), 同時(shí)使發(fā)射結(jié)的有效利用面積晶體管最大電流容量取決于發(fā) 射極周長(zhǎng)存在發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量, 極大地影響晶體管的功率特性. * 降低電流集邊效應(yīng)的方法降低電流集邊效應(yīng)的方法 限制電流 (因?yàn)榇箅娏鲿r(shí)容易產(chǎn)生集邊效應(yīng)); 基區(qū)摻雜NB不能太低; 采用高的發(fā)射極周長(zhǎng)/面積比的結(jié)構(gòu)(梳狀結(jié)構(gòu)有很高的周長(zhǎng)/面積比).28 非理想非理想BJT的的 () : * 現(xiàn)象現(xiàn)象 在放大態(tài), VCB變化 C結(jié)寬度變化 基區(qū)寬度W變化 Early效應(yīng). 該效應(yīng)將使增益變化和輸

20、出電阻降低. * Early電壓電壓 因?yàn)?IC IEn , 則有 = - Ic pp(W) - Ic / VA , 其中VA稱(chēng)為Early電壓: VA = Pp(x) dx = GB / Cjc , 基區(qū)多子電荷總量GB = qA pp(x) dx , = Cjc (C結(jié)小信號(hào)電容)1pp(x) dxWVBC pp(W) W/VBC W0W0dQBdVBC ICVBC 0W29* Early電壓電壓VA 的圖解確定的圖解確定 因VA與VCB近似無(wú)關(guān), 故VA常取VCB= 0 時(shí)的值; 再根據(jù) = ， 即可由共發(fā)射極 輸出特性曲線來(lái) 確定 VA .d ICdVBC ICVA0-VAVCEIE

21、= 0IE 0, VBC = 0ICVCEICIC30 非理想非理想BJT的的: * 現(xiàn)象: 在大電流時(shí),基區(qū)發(fā)生展寬的現(xiàn)象即為Kirk效應(yīng). * 影響: 基區(qū)存儲(chǔ)少子電荷增加; 0下降; 頻率特性變差. 嚴(yán)重 影響晶體管的高頻功率特性. * 改進(jìn)方法: 保證 “集電極電流密度 臨界電流密度 Jco q vs NC ”. 提高C區(qū)摻雜濃度; 減小C區(qū)厚度; 設(shè)定集電極最大允許工作電流.B(p)C(n)勢(shì)壘區(qū)xE？31非理想非理想BJT的的() : * 現(xiàn)象現(xiàn)象: 當(dāng)VBE 較大、大注入電子時(shí) 基區(qū)中也有大量的空穴積累 (并維 持與電子相同的濃度梯度), 這相當(dāng)于增加了基區(qū)的摻雜濃度, 使基區(qū)電

22、阻 率下降 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 注射效率降低, 0下降 Webster效應(yīng). * 電阻率的變化電阻率的變化: 若原來(lái)p型基區(qū)的電阻率為 0 (q p NB)-1 , 大注入時(shí), pP = NB + p = NB + n , 則電阻率變?yōu)?= q p ( NB + n ) - 1 = 0 NB / ( NB + n ) . 可見(jiàn): 大注入可使電阻率大大降低, 而且注入越大, 降低得越多. 這對(duì)大電 流狀態(tài)下工作的均勻基區(qū)晶體管的影響特別嚴(yán)重 (是引起大電流0下降 的主要原因).3233 0 IC 的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線: 小電流時(shí), 0 隨 IC 的增大而上升( 0 IC ( 1 - 1/m ) )

23、 ; 中等電流時(shí), 0 與 IC 無(wú)關(guān); 大電流時(shí), 0 隨 IC 的增大而下降 ( 0 1/ IC , Webster效應(yīng) + Kirk效應(yīng)). 注: 均勻基區(qū)的合金管容 易發(fā)生Webster效應(yīng); 而緩變基區(qū)的平面管 容易發(fā)生Kirk效應(yīng).IC0E結(jié)復(fù)合等電流大注入34 非理想非理想BJT的的 (擊穿電壓擊穿電壓BV) : * 擊穿電壓擊穿電壓 是集電極反向電流急劇增加時(shí)的反向VCB 或 VCE值. 大多為雪崩擊穿. E極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓: BVCBo EC2 / 2qNC (EC為臨界擊穿電場(chǎng)). B極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓: BVCEo = BVCBo (1 - o )1/n . 由于這時(shí)發(fā)

24、射結(jié)有注入作用, 故 BVCEo f 時(shí)有 f = 0 f= fT . 最高振蕩頻率最高振蕩頻率fm （Le是發(fā)射極引線電感是發(fā)射極引線電感） fm = fT / 8(rB+fT Le)Cjc fT 8 fT rB Cjc -1/2 . 在 f fT 時(shí)有 f Gp1/2 = fm , 故也稱(chēng)fm為功率增益-帶寬乘積.（F 是正向渡越時(shí)間是正向渡越時(shí)間）50 BJT中載流子的渡越時(shí)間: * E-C有效渡越時(shí)間有效渡越時(shí)間 在計(jì)入電子渡越C結(jié)耗盡層X(jué)dc的時(shí)間D = Xdc / vs 之后, 則有 fT = ( 2EC )-1, EC = E + B + D + C , 決定 fT 的因素: 主

25、要是B , 其次是結(jié)電容( 特別是C結(jié)電容 ). * 少子渡越中性基區(qū)的時(shí)間少子渡越中性基區(qū)的時(shí)間B B = QB / IC * 提高工作頻率的措施提高工作頻率的措施 采用n-p-n結(jié)構(gòu)(Dn較Dp大); 減小W; 結(jié)面積(特別要減小C結(jié) 面積 如用深槽隔離方法來(lái)限制C結(jié)面積); 基極電阻; 引線 電感.V(x)dx0W均勻基區(qū): B = W2 / ( 2 Dn )緩變基區(qū): B = W2 / ( Dn ), 25152 fT 與工作點(diǎn)的關(guān)系： 因fT與工作點(diǎn)有關(guān), 故在使用晶體管和測(cè)試fT時(shí), 需要合理地選擇工作點(diǎn).20406080004812162003004005006002003004

26、00500600fT(MHz)fT(MHz)IC (mA)VCE (V)大注入自建電場(chǎng)(見(jiàn)后)Kirk效應(yīng)rE影響B(tài) ,C ,D 都有影響D 變大53 最佳高頻功率增益GP與工作點(diǎn)的關(guān)系： GP = fT / 8f2 ( rB+fT L ) Cjc 00GP(dB)GP(dB)IC VCE Kirk效應(yīng)使fT下降fT 影響IC 固定VCE 固定54 BJT的輸出功率-頻率限制: * 晶體管的最大輸出功率最大輸出功率Pm 由最大允許電壓Vm 和 最大允許 電流Im決定: Vm = Ec LEC , fT = 1 / (2EC) = vs / (2LEC) , Vm fT = Ec vs / (2

27、) ; Im = Vm / Xc , Xc = (T Cjc )-1 ; Pm = Vm2 / Xc , Vm = Pm Xc ; Pm Xc fT = Ec vs / (2) . * 對(duì)于一定的晶體管阻抗, 晶體管的功率輸出能力將隨著截止 頻率的升高而下降 .55 (5) BJT的功率特性 BJT的功率與電流的關(guān)系 BJT在大注入時(shí)在大注入時(shí)的自建電場(chǎng)BJT的二次擊穿56如何提高BJT的功率? 0 與與IC的關(guān)系的關(guān)系： 在于如何提高ICM ? fT與與IC的關(guān)系的關(guān)系： 大電流時(shí)Kirk效應(yīng) 將使 fT 下降, 如何減弱Kirk效應(yīng)? 安全工作區(qū)安全工作區(qū)(SOA)： 如何改善二次擊穿和

28、提高BVCEO、ICM、PCM？VCEICBVCEOICMPCM熱學(xué)二次擊穿雪崩注入二次擊穿Webster效應(yīng)和Kirk效應(yīng)ICICM00 m大注入自建電場(chǎng)+復(fù)合作用0 m/257大注入自建電場(chǎng) * 大注入自建電場(chǎng)的作用： 在基區(qū)中的自建電場(chǎng)等效于使少子 擴(kuò)散系數(shù)隨注入而增加; 并且使雜質(zhì) 梯度產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)減弱 (可忽略). * 大注入自建電場(chǎng)對(duì)B 的影響： 使少子渡越基區(qū)的時(shí)間縮短 fT 提高. 對(duì)均勻基區(qū)晶體管(使擴(kuò)散系數(shù)加倍): (小注入)B = WB2 /(2DnB) (大注入)B = WB2 /(4DnB) ; 對(duì)非均勻基區(qū)晶體管(雜質(zhì)內(nèi)建電場(chǎng)減弱均勻基區(qū)晶體管): (小注入)B

29、= WB2 /(DnB) (大注入)B = WB2 /(4DnB) . * 大注入(也可能是小電流)自建電場(chǎng)對(duì)器件性能有好處: 使基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)增大 電流放大系數(shù)提高; 使基區(qū)渡越時(shí)間加快 工作頻率提高.nBpBpBnB（B區(qū)）（B區(qū)）小注入大注入58二次擊穿: * 二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿現(xiàn)象 二次擊穿可分為4個(gè)階段個(gè)階段: C結(jié)雪崩擊穿(一次擊穿) IC達(dá)到A點(diǎn), 短暫停留后即從高壓區(qū) 轉(zhuǎn)至低電壓區(qū), 出現(xiàn)負(fù)阻 若無(wú)限流措施, 則IC繼續(xù)增加而進(jìn)入 低壓大電流區(qū)(此時(shí)半導(dǎo)體因高溫而 呈本征性) IC繼續(xù)增大, 使擊穿點(diǎn)熔化而永久性 損壞晶體管.VCEA一次擊穿二次擊穿ICVCEICIB0二次擊穿

30、臨界線59* 電流集中二次擊穿機(jī)理電流集中二次擊穿機(jī)理 * 擊穿過(guò)程特點(diǎn)擊穿過(guò)程特點(diǎn): 電流局部集中形成過(guò)熱點(diǎn)( td 較長(zhǎng)) 局部熱擊穿(局部 熔化而造成CE穿通). * 改進(jìn)措施改進(jìn)措施: 主要是避免電流局部集中(減弱發(fā)射極電流集邊效應(yīng), 均勻分 配 IE , 材料和工藝均勻). * 雪崩注入二次擊穿機(jī)理雪崩注入二次擊穿機(jī)理 * 擊穿過(guò)程特點(diǎn)擊穿過(guò)程特點(diǎn): 對(duì)Si- n+p n n+ 外延平面管, 在 td很短的時(shí)間內(nèi)即發(fā)生這種 擊穿; 產(chǎn)生這種擊穿的條件是: n型C區(qū)中的最大電場(chǎng)要達(dá)到擊穿臨界電 場(chǎng); 一次擊穿后最大電場(chǎng)要從p-n結(jié)轉(zhuǎn)移到n-n+結(jié). * 改進(jìn)措施改進(jìn)措施: 主要是避免在

31、C區(qū)發(fā)生雪崩擊穿.6061 (6) BJT 的 開(kāi) 關(guān) 特 性 BJT的 “開(kāi)”、“關(guān)” 狀態(tài) BJT的 開(kāi)關(guān)時(shí)間 BJT的正向壓降和飽和壓降62“開(kāi)”和“關(guān)”的狀態(tài): 截止區(qū)截止區(qū) IB = ( ICBO + IEBO ) 0 , IC = ICEO , VCE VCC . 輸出高電壓和小電流. 飽和區(qū)飽和區(qū) VBC=0 時(shí)為臨界飽和; 臨界飽和驅(qū)動(dòng)電流為 IBS =ICS /VCC / RL ; IC VCC / RL . 在IC很大時(shí), Ron很小 ; 這時(shí)基區(qū)存儲(chǔ)有電荷 QS . 輸出低電壓和大電流.RLRBVCCVBBIB= 01mA2mA3mAIB=4mAVCEVCCVCC / R

32、LIC截止區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)063 基區(qū)中少數(shù)載流子濃度的分布 (臨界飽和時(shí)的少子分布) 臨界飽和時(shí), C結(jié)電壓VC=0,基區(qū)中有少子存儲(chǔ)電荷QS; 當(dāng)VC0才進(jìn)入深飽和態(tài), 將有少子超量存儲(chǔ)電荷QBS, IC不隨IB變化, 而由外電路決定.(截止時(shí)基區(qū)的少子分布)流出基極的電流是2個(gè)結(jié)的反向電流之和; E結(jié)0偏(相當(dāng)于基極通過(guò)一個(gè)電阻接地)時(shí), 流過(guò)E結(jié)的電流0; 一般用IB0 作為截止區(qū).nnpQSVEB=0VEB0npn64 在輸入脈沖從負(fù)變到正時(shí)，晶體管 如何從截止態(tài)轉(zhuǎn)變到臨界飽和態(tài)？ 并進(jìn)一步又如何轉(zhuǎn)變到深飽和態(tài)？RLVCCVBERB截止態(tài)臨界飽和態(tài)深飽和態(tài)發(fā)射結(jié)電壓集電結(jié)電壓集電極電流

33、基極電流？ 填寫(xiě)下面的表格： 示意畫(huà)出基區(qū)和集電區(qū)中的少數(shù)載流子濃度分布曲線。65開(kāi)關(guān)時(shí)間: * 開(kāi)關(guān)過(guò)程的圖示開(kāi)關(guān)過(guò)程的圖示 延遲時(shí)間 td = t1 - t0 ; 上升時(shí)間 tr = t2 - t1 ; 存儲(chǔ)時(shí)間 ts = t4 - t3 ; 下降時(shí)間 tf = t5 - t4 .開(kāi)啟時(shí)間關(guān)閉時(shí)間0Wnp(x)QSt2 (和t4 )tnt3QBSIBVBQB(t)QStttt(基極輸入脈沖)(基極電流)(基區(qū)存儲(chǔ)電荷)IC(集電極電流)t0t1t2t3t4t5tnIB1IB266 * 延遲時(shí)間 td 主要是對(duì)E結(jié)和C結(jié)充電的時(shí)間 . * 上升時(shí)間(導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)通時(shí)間) tr 導(dǎo)通時(shí)間過(guò)程是基

34、區(qū)存儲(chǔ)電荷積累到QS的過(guò)程: tr = n ln 1 / 1- QS / IBn . * 存儲(chǔ)延遲時(shí)間 ts 存儲(chǔ)時(shí)間主要是過(guò)量存儲(chǔ)電荷消失的過(guò)程. 對(duì)雙擴(kuò)散晶體管有 tS = pc ln IB / ( ICS / 0 ) . * 下降時(shí)間 tf 是上升過(guò)程的逆過(guò)程(QS的消失過(guò)程). 67 * 提高開(kāi)關(guān)速度的措施 主要是減短 tS . 內(nèi)部參數(shù)設(shè)計(jì)考慮內(nèi)部參數(shù)設(shè)計(jì)考慮: a)摻Au, 減短C區(qū)少子壽命; b)采用外延結(jié)構(gòu)（外延層的厚度薄、電阻 率低）；c)減小結(jié)面積（使結(jié)電容,可減短 td、 tr、tf）；d)減小基區(qū) 寬度（使QB, 可大大降低tr、tf ）。 外部使用條件考慮外部使用條件考慮: a)按照S=4來(lái)選取IB1; b)增大抽取，可減短 tS、tf ; c)在臨界飽和狀態(tài)工作(無(wú)超量存儲(chǔ)電荷), 則 tS 0, 但VCE較高(0.7V); d)盡可能選擇較小的RL,