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1、Institute of Microelectronics Circuit & System-1-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管第一節(jié)第一節(jié) 晶體管的直流特性晶體管的直流特性 通過改變一個(gè)PN結(jié)的偏壓來控制其附近另一個(gè)PN結(jié)電流的方法稱為雙極晶體管效應(yīng)。雙極結(jié)型晶體管: Bipolar Junction Transistor3.1.1 基本結(jié)構(gòu)與分類基本結(jié)構(gòu)與分類 1.基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) Institute of Microelectronics Circuit & System-2-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2.晶體管的分類晶體管的分類按使用范圍分;按制作工藝和管芯
2、結(jié)構(gòu)形式分:1) 合金管合金管:雜質(zhì)分布特點(diǎn): 三個(gè)區(qū)近似均勻分布,兩個(gè)pn結(jié)都是突變結(jié)缺點(diǎn):基區(qū)較寬,頻率特性較差-I.晶體管的直流特性2) 合金擴(kuò)散管合金擴(kuò)散管:雜質(zhì)分布特點(diǎn): 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)均勻分布、基區(qū)緩變分布,發(fā)射結(jié)為突變結(jié)集電結(jié)為緩變結(jié)缺點(diǎn):基區(qū)較窄,頻率特性較好Institute of Microelectronics Circuit & System-3-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3) 外延平面管外延平面管 雜質(zhì)分布特點(diǎn): 雜質(zhì)濃度發(fā)射區(qū)最高、基區(qū)次之、集電區(qū)最低,基區(qū)緩變分布,兩個(gè)pn結(jié)都是緩變結(jié) 優(yōu)點(diǎn): 基區(qū)窄,頻率特性好-I.晶體管的直流特性理論分析理論分
3、析: 均勻基區(qū)晶體管(擴(kuò)散型晶體管)和緩變基區(qū)晶體管(漂移型晶體管)3.晶體管少子分布與能帶圖晶體管少子分布與能帶圖 分析晶體管的少子濃度分布時(shí),應(yīng)先根據(jù)邊界條件確定邊界上少子濃度結(jié)定律、電極接觸處; 能帶圖平衡時(shí)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),正偏勢(shì)壘降低,反偏勢(shì)壘升高Institute of Microelectronics Circuit & System-4-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3.1.2 晶體管的放大機(jī)理晶體管的放大機(jī)理 晶體管具有放大信號(hào)的功能.-I.晶體管的直流特性1.晶體管中的電流傳輸晶體管中的電流傳輸1) 兩種基本放大電路兩種基本放大電路 Institute of M
4、icroelectronics Circuit & System-5-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2) 晶體管中的電流傳輸晶體管中的電流傳輸-I.晶體管的直流特性 NPN管共基極偏置電路與晶體管的能帶圖Institute of Microelectronics Circuit & System-6-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管v晶體管中的電流傳輸- I.晶體管的直流特性對(duì)于NPN晶體管,電子電流是主要成分.電子電流的兩次損失結(jié)果:nCnEEIIIInstitute of Microelectronics Circuit & System-7-第三章第三章 雙極結(jié)型晶
5、體管雙極結(jié)型晶體管2.晶體管直流電流放大系數(shù)晶體管直流電流放大系數(shù) 1)定義定義:共基極電路中,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)零偏(輸出端短路)時(shí)的IC與IE之比,稱為共基極直流短路電流放大系數(shù),記為 .- I.晶體管的直流特性0, 0BCBEVVECII0, 0BCBEVVECFBIIh 定義定義:共基極電路中,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時(shí)的IC與IE之比,稱為共基極靜態(tài)電流放大系數(shù),記為hFB. 定義定義:共發(fā)射極電路中,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)零偏(輸出端短路)時(shí)的IC與IB之比,稱為共發(fā)射極直流短路電流放大系數(shù),記為 .0, 0BCBEVVBCII0, 0BCBEVVBCFEIIh 定義定義:共基極電路中,
6、發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時(shí)的IC與IE之比,稱為共射極靜態(tài)電流放大系數(shù),記為hFB.Institute of Microelectronics Circuit & System-8-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2) 晶體管的放大作用晶體管的放大作用- I.晶體管的直流特性共基極電路中共基極電路中,通過輸入輸出端電阻的變化來實(shí)現(xiàn)功率(電壓)的放大功能.即:Transresistor-轉(zhuǎn)移電阻器.問題問題:共基極電路中, 1, 晶體管能對(duì)信號(hào)起放大作用嗎?BJT載流子的運(yùn)動(dòng)與放大作用Institute of Microelectronics Circuit & System-9-第三章
7、第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3.晶體管特性曲線晶體管特性曲線- I.晶體管的直流特性當(dāng)輸入電流一定時(shí),兩種特性曲線的輸出電流基本不變,不隨輸出端電壓的增加而變化,只有當(dāng)輸入電流改變時(shí)輸出電流才會(huì)跟著變化.因此晶體管是一種電流控制器件因此晶體管是一種電流控制器件.1/1/ECECCECBCIIIIIIIII共射電路中共射電路中:輸入特性曲線與輸出特性曲線Institute of Microelectronics Circuit & System-10-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3.1.3 均勻基區(qū)晶體管的均勻基區(qū)晶體管的(直流短路直流短路)電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)- I.
8、晶體管的直流特性測(cè)量方塊電阻是實(shí)際生產(chǎn)中檢驗(yàn)擴(kuò)散或外延結(jié)果的一種重要手段。具體測(cè)量時(shí)并不需要從半導(dǎo)體材料上切一個(gè)方塊下來,只需要用四探針儀器在材料表面進(jìn)行測(cè)量,再經(jīng)過一定的換算就可以得到方塊電阻的值。wwlwl1R1.方塊電阻方塊電阻:表面為正方形的(半導(dǎo)體)薄層材料,電流方向與其某個(gè)邊平行時(shí),在電流方向所呈現(xiàn)的電阻。Institute of Microelectronics Circuit & System-11-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2.對(duì)均勻基區(qū)晶體管的幾個(gè)假設(shè)對(duì)均勻基區(qū)晶體管的幾個(gè)假設(shè)- I.晶體管的直流特性(1)發(fā)/集結(jié)都是突變結(jié),各區(qū)雜質(zhì)均勻分布;(2)發(fā)/集區(qū)
9、長度遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長度,兩端少子濃度等于平衡值;(3)勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度,忽略勢(shì)壘區(qū)中的復(fù)合作用;(4)外加電場(chǎng)都降落在勢(shì)壘區(qū);(5)晶體管是一維的,發(fā)/集結(jié)是平行面;(6)基區(qū)小注入.Institute of Microelectronics Circuit & System-12-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3.晶體管的電流密度晶體管的電流密度 BkTqVpBpBWxenxnBE11/0- I.晶體管的直流特性基區(qū)基區(qū)少子分布:擴(kuò)散電流: 1/0kTqVBpBnBpBnBnEnBBEeWnqDdxxdnqDJJ考慮基區(qū)復(fù)合損失時(shí)考慮基區(qū)復(fù)合損失時(shí): nBBnBBpB
10、pBLWLxWnxnsinhsinh0 nBBnBBnBpBnBnExnBLWLWLnqDJJ/sinh/cosh00 nBBnBpBnBnCWxnBLWLnqDJJB/sinh10Institute of Microelectronics Circuit & System-13-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)少子分布:- I.晶體管的直流特性 pEkTqVnCnCLxxePxPBC2/011擴(kuò)散電流: 1/0kTqVpCnCpCnCpCpCBCeLPqDdxxdpqDJ集電區(qū)集電區(qū)少子分布: pEkTqVnEnELxxePxPBE1/011擴(kuò)散電流 1/0kTqVpE
11、nEpEnEpEpEBEeLPqDdxxdpqDJInstitute of Microelectronics Circuit & System-14-Institute of Microelectronics Circuit & System-14-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管4.電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)nEpEnEpEpEnEnEEnEJJIIIIIII111- I.晶體管的直流特性1)發(fā)射結(jié)注入效率發(fā)射結(jié)注入效率pEEnEBBpBpEEnBBBpEBpBnBpEnEpELNDWNDLNDWNDWnDLpD11/100BEpEEnEBBpBRRLNWN口口11Institute
12、 of Microelectronics Circuit & System-15-Institute of Microelectronics Circuit & System-15-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2) 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)nEnCnEnCJJII*- I.晶體管的直流特性BpBpBnBnEWnnAqDI0)0(22222nBBnBnBBnEVBLWDWII電荷控制法求集區(qū)輸運(yùn)系數(shù)電荷控制法求集區(qū)輸運(yùn)系數(shù)nBpBpBBnBnBVBnnAqWQI2)0(0BpBpBnBWnnqAQ0)0(212221seccosh1nBBnBBnBBLWLWhLWInstitute
13、 of Microelectronics Circuit & System-16-Institute of Microelectronics Circuit & System-16-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管基區(qū)渡越時(shí)間基區(qū)渡越時(shí)間- I.晶體管的直流特性3) 均勻基區(qū)晶體管短路電流放大系數(shù)均勻基區(qū)晶體管短路電流放大系數(shù)nBbBEnBbBERRRR口口口口111*bnEnBIQnBbnBnBBnBBDWLW12121222*nBBnEnBbDWIQ22定義定義:少子在基區(qū)從發(fā)射結(jié)渡越到集電結(jié)所需要的平均時(shí)間,記為b在t=0 到t=b 這段時(shí)間內(nèi),注入到基區(qū)中的少子電荷為QnB
14、,即:Institute of Microelectronics Circuit & System-17-Institute of Microelectronics Circuit & System-17-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3.1.4 緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)緩變基區(qū)晶體管的電流放大系數(shù)0)()(BpBpBpBpBpBExpqdxxdpqDJ- I.晶體管的直流特性dxxdNxNqkTdxxdPxPqkTEBBpBpBB)()(1)()(1)()(xNxPBpB基區(qū)雜質(zhì)近似為指數(shù)分布:xWBBBeNxN)0()(BBWqkTE雜質(zhì)濃度為指數(shù)分布時(shí):內(nèi)建電場(chǎng)是與內(nèi)建電
15、場(chǎng)是與x無關(guān)的常數(shù)無關(guān)的常數(shù)1.基區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的形成基區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的形成 空穴濃度的不均勻性導(dǎo)致空穴的擴(kuò)散,產(chǎn)生電場(chǎng),類似pn結(jié)自建電場(chǎng)的形成,平衡時(shí)空穴電流密度為零。Institute of Microelectronics Circuit & System-18-Institute of Microelectronics Circuit & System-18-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2. 基區(qū)少子濃度分布基區(qū)少子濃度分布dxxdnqDExnqJJpBnBBpBnBnEnB)()(- I.晶體管的直流特性BBBWxnBBnBWxxWBBnBnBpBeqDWJdxeNxNqDJ
16、xn11)0()(1)(BBWxpBBWxBnBnBxnxNddxxNqDJ)()()(3.少子電流密度少子電流密度BBEBWBkTqVinBWBpBBnBnBnEdxxNenqDdxxNnNqDJJ0/20)() 1()()0()0(Institute of Microelectronics Circuit & System-19-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管發(fā)射區(qū)雜質(zhì)緩變分布發(fā)射區(qū)雜質(zhì)緩變分布,類似有類似有- I.晶體管的直流特性EBEWEkTqVipEpEdxxNenqDJ0/2)() 1(平面管集電區(qū)雜質(zhì)均勻分布平面管集電區(qū)雜質(zhì)均勻分布,有有1/0kTqVpCnCpCpC
17、BCeLpqDJ4.電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)1) 發(fā)射結(jié)注入效率發(fā)射結(jié)注入效率EBEBWEnEWBpBWEnBWBpEnEpEdxxNdxxNdxxNDdxxNDJJ0000)()(1)()(11BERR口口1Institute of Microelectronics Circuit & System-20-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2) 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)渡越時(shí)間基區(qū)渡越時(shí)間eDWnBB11222- I.晶體管的直流特性F內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)少子是加速場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)少子是加速場(chǎng),使基區(qū)渡越時(shí)間大為縮短使基區(qū)渡越時(shí)間大為縮短nEWBnEnbAJdxxnAqIQB0)(BWxnBB
18、nEpBeqDWJxn11)(dBBBnBBnBBbvWEWDWeDW221122足夠大時(shí)足夠大時(shí)BnBnBBBWDWqkTEInstitute of Microelectronics Circuit & System-21-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)22222*1111BBBBnBbLWeLW- I.晶體管的直流特性提高晶體管電流放大系數(shù)的主要措施提高晶體管電流放大系數(shù)的主要措施:3) 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)22nBBBEnBbBELWRRRR口口口口11BERR口口) 1 (BW)2() 3(nB)4(Institute of Microelect
19、ronics Circuit & System-22-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管5.影響電流放大系數(shù)的一些因素影響電流放大系數(shù)的一些因素- I.晶體管的直流特性nEBEnErEnEpErEpEnEnEIKRRIIIIIIII口口111勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流kTqVnEBEeI/kTqVrEBEeI2/nEkTqVinErEIKenKIIBE2/12) 發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng): NB偏低偏低? NE偏高偏高?2/1EgNE kTEnkTEENNngiggVCiEexpexp22發(fā)射區(qū)禁帶變窄發(fā)射區(qū)禁帶變窄 重?fù)诫s時(shí),雜質(zhì)能級(jí)互相靠近形成能帶,并與導(dǎo)帶交疊,使Eg變
20、窄. 1) 發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合的影響發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合的影響-小電流效應(yīng)小電流效應(yīng)Institute of Microelectronics Circuit & System-23-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管俄歇復(fù)合增強(qiáng)俄歇復(fù)合增強(qiáng)- I.晶體管的直流特性輕摻雜時(shí),非平衡載流子主要通過復(fù)合中心進(jìn)行復(fù)合;在重?fù)诫s時(shí),俄歇復(fù)合大為增強(qiáng).kTEpEpEWEkTqVipEpEgEBEeJJdxxNenqDJ/0/2)(kTEBEnEpEgeRRJJ/11口口發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的另一個(gè)影響發(fā)射區(qū)重?fù)诫s的另一個(gè)影響-基區(qū)陷落效應(yīng)基區(qū)陷落效應(yīng)Institute of Microelectronics
21、Circuit & System-24-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3) 表面復(fù)合的影響表面復(fù)合的影響- I.晶體管的直流特性BBnBBnESRnEVBnESRVBnEDWLWIIIIIIII22*2111口5) 基區(qū)寬變效應(yīng)基區(qū)寬變效應(yīng)*4) 溫度的影響溫度的影響kTEBEgeRR/1口口改進(jìn):改進(jìn):LEC晶體管、晶體管、HBTInstitute of Microelectronics Circuit & System-25-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3.1.5 雙極晶體管的直流電流電壓方程雙極晶體管的直流電流電壓方程- I.晶體管的直流特性1. 集電結(jié)短路時(shí)的
22、電流集電結(jié)短路時(shí)的電流 VBC=0, VBE01/kTqVESpEnEEEBEeIJJAI* IES相當(dāng)于單獨(dú)一個(gè)發(fā)射結(jié)構(gòu)成的相當(dāng)于單獨(dú)一個(gè)發(fā)射結(jié)構(gòu)成的PN結(jié)二極管的反向飽和電流結(jié)二極管的反向飽和電流1/kTqVESCBEeII1)1 (/kTqVESBBEeIIEBWEpEWBnBiEESdxxNDdxxNDqnAI002)()(Institute of Microelectronics Circuit & System-26-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2.發(fā)射結(jié)短路時(shí)的電流發(fā)射結(jié)短路時(shí)的電流 VBC 0, VBE=0倒向的晶體管倒向的晶體管-1.晶體管的直流特性1/kTqV
23、CSREBCeII1)1 (/kTqVCSRBBCeII1/kTqVCSCBCeII* ICS相當(dāng)于單獨(dú)一個(gè)集電結(jié)構(gòu)成的相當(dāng)于單獨(dú)一個(gè)集電結(jié)構(gòu)成的PN結(jié)二極管的反向飽和電流結(jié)二極管的反向飽和電流3.晶體管的直流電流電壓方程晶體管的直流電流電壓方程對(duì)于共基電路對(duì)于共基電路:11/kTqVCSkTqVESCBCBEeIeII11/kTqVCSRkTqVESEBCBEeIeIIInstitute of Microelectronics Circuit & System-27-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管 對(duì)于共射電路對(duì)于共射電路:- I.晶體管的直流特性輸出特性輸出特性共基電路-111
24、/kTqVCSCBOBCBCeIIII11/kTqVCSRECBCeIII1)1 (1)1 (/kTqVCSRkTqVESBBCBEeIeII11/kTqVCSkTqVESCBCBEeIeII共射電路-CSRCBOII 1CBOCEOII 1Institute of Microelectronics Circuit & System-28-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管4. 基區(qū)寬變效應(yīng)基區(qū)寬變效應(yīng)- I.晶體管的直流特性厄爾利電壓:厄爾利電壓: - 由于外加電壓的變化引起有效基區(qū)寬度變化的現(xiàn)象,也稱厄爾厄爾利利(Early)效應(yīng)效應(yīng).001)()(rVIdVdWdxxNWNIVI
25、EACCEBWBBBCVCECBBE1)(/02kTqVWBinBnEECBEBedxxNnAqDJAIBCDpBCEpBCEBBBWBEAVVxWdVdxWdVdWWNdxxNVB2)()(0均勻基區(qū)Institute of Microelectronics Circuit & System-29-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3.1.6 雙極晶體管的反向特性雙極晶體管的反向特性- I.晶體管的直流特性1.晶體管的反向電流晶體管的反向電流 不受輸入端電流控制,對(duì)放大無貢獻(xiàn),有功耗。CBOCBOCEOIII)1 (1CSRCBOII)1 (2) IEBO: 集電極開路、發(fā)射電結(jié)反偏
26、時(shí),基-射極間的反向電流。ESREBOII)1 (1) ICBO: 發(fā)射極開路、集電結(jié)反偏時(shí),集-基極間的反向電流。11/kTqVCSRkTqVESEBCBEeIeII)1ln(qkTVBE浮空電勢(shì)浮空電勢(shì)-Institute of Microelectronics Circuit & System-30-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3) ICEO: 基極開路、集電結(jié)反偏時(shí),集-射極間的反向電流。- I.晶體管的直流特性2.擊穿電壓擊穿電壓1)BVCBO: 發(fā)射極開路時(shí),集-基極間的擊穿電壓,又稱共基極共基極(雪崩雪崩)擊擊穿電壓。穿電壓。 BVEBO: 集電極開路時(shí),射-基極間
27、的擊穿電壓,又稱發(fā)射結(jié)擊穿電壓。發(fā)射結(jié)擊穿電壓。CBOCEOICBOECIIIIIB10CBOECIII共基電路中:CBOECBOEIAIMIMI發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)時(shí)擊穿條件: MA)(BCBOVVInstitute of Microelectronics Circuit & System-31-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管2) BVCEO: 基極開路時(shí),集-射極間的擊穿電壓. (共射雪崩擊穿電壓共射雪崩擊穿電壓)- I.晶體管的直流特性雪崩倍增效應(yīng)對(duì)共射接法比對(duì)共基接法的影響大得多雪崩倍增效應(yīng)對(duì)共射接法比對(duì)共基接法的影響大得多.CEOBCIII負(fù)阻特性負(fù)阻特性-原因原因:小電流小
28、電流 的下降的下降 CBOBIMMIMM11發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)時(shí)擊穿條件:1MInstitute of Microelectronics Circuit & System-32-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管v發(fā)射極與基極間有外接電路時(shí)發(fā)射極與基極間有外接電路時(shí)- I.晶體管的直流特性BVCEX: 基-射極間接電阻Rb時(shí)和反偏電壓VBB時(shí),C-E極間的擊穿電壓; BVCER: 基-射極間接電阻Rb時(shí),C-E極間的擊穿電壓;BVCES: 基極發(fā)射極短路時(shí), C-E極間的擊穿電壓。Institute of Microelectronics Circuit & System-33-第三章第
29、三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3) 基區(qū)穿通電壓基區(qū)穿通電壓: 集電結(jié)上反向電壓增加,勢(shì)壘區(qū)向兩側(cè)擴(kuò)展,基區(qū)寬度WB減小,當(dāng)集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿前WB減小為零,稱基區(qū)穿通,這時(shí)集電結(jié)上的電壓稱為基區(qū)穿通電壓Vpt。 - I.晶體管的直流特性2/1)(2ptbiBCBCBVVNNqNNW22)(BCBCBptWNNNqNV一般只有IC中的橫向管,基區(qū)低摻雜的Ge合金管,易發(fā)生基區(qū)穿通,對(duì)于Si平面管,集電區(qū)雜質(zhì)最低,勢(shì)壘區(qū)向集電區(qū)擴(kuò)展,一般不會(huì)發(fā)生基區(qū)穿通,但若pn結(jié)不平有尖峰例外。發(fā)射極開路發(fā)射極開路 BVCBO=Vpt+BVEBO (或BVCBO=VB,兩者取小) 基極開路基極開路 BVC
30、EO=Vpt+VF Vpt (BVCEO , 兩者取小)SCBOBV/Institute of Microelectronics Circuit & System-34-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管3.1.7 基極電阻基極電阻基區(qū)中的兩種電流:少子電流少子電流與多子電流多子電流基極電阻:IB經(jīng)基極引線到工作基區(qū),要產(chǎn)生壓降,經(jīng)過一定的電阻,稱基極電阻基極電阻。直流應(yīng)用中電流集邊效應(yīng)電流集邊效應(yīng),交流應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生電壓反饋電壓反饋,設(shè)計(jì)管子時(shí)要盡可能減小基極電阻盡可能減小基極電阻。- I.晶體管的直流特性基極電阻由四部分串聯(lián)構(gòu)成基極電阻由四部分串聯(lián)構(gòu)成 :基極金屬電極與半導(dǎo)體的歐姆接
31、觸電阻歐姆接觸電阻 :基極金屬電極正下部的電阻 :發(fā)射極與基極間的電阻 :發(fā)射區(qū)正下部的電阻(工作基區(qū)的電阻)conrbrcbrbrInstitute of Microelectronics Circuit & System-35-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管1)歐姆接觸電阻歐姆接觸電阻22BbeRdrl- I.晶體管的直流特性2)發(fā)射極與基極間的電阻發(fā)射極與基極間的電阻3) 發(fā)射區(qū)下的電阻與工作基區(qū)的電阻發(fā)射區(qū)下的電阻與工作基區(qū)的電阻ebconlSCr2xSIxIeBB)(eBldxRxdR1)(口dxlSxRIxRxIdPeeBBBb22122)()(口eBeBblRSIP1
32、212口Institute of Microelectronics Circuit & System-36-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管v減小基極電阻的方法減小基極電阻的方法112ebBeSrRl312bcbBeSrRl- I.晶體管的直流特性(1)基區(qū)雜質(zhì)濃度; (2)寬長比S/l ;(3)發(fā)射極條個(gè)數(shù) (4)歐姆接觸Institute of Microelectronics Circuit & System-37-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管第二節(jié)第二節(jié) 晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性小信號(hào)小信號(hào)條件下:信號(hào)電壓的振幅遠(yuǎn)小于(kT/q). 符號(hào)說明符號(hào)說明BB
33、biIi直流分量小信號(hào)分量小信號(hào)分量幅值總瞬時(shí)值tjbbeIi信號(hào)角頻率兩個(gè)結(jié)果兩個(gè)結(jié)果:電流增益下降與信號(hào)延遲1.概述概述晶體管中高頻小信號(hào)電流的變化Institute of Microelectronics Circuit & System-38-v 小信號(hào)電流的四個(gè)階段變化:小信號(hào)電流的四個(gè)階段變化: 第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管-.晶體管的頻率特性高頻小信號(hào)電流在管中的變化eincinccineicieincinccicinei(1)發(fā)射區(qū)復(fù)合發(fā)射區(qū)復(fù)合(2)勢(shì)壘電容充放電勢(shì)壘電容充放電(1)基區(qū)復(fù)合基區(qū)復(fù)合(2)擴(kuò)散電容充放電擴(kuò)散電容充放電集電結(jié)寬度的影響集電結(jié)寬度的影
34、響集電結(jié)勢(shì)壘電容的影響集電結(jié)勢(shì)壘電容的影響Institute of Microelectronics Circuit & System-39-v定義定義: :輸出端對(duì)高頻小信號(hào)短路(vcb=0,但VCB0)條件下的共基極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)為- 0cnencnccccbeenencncciiiiiviiiii第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性n cn eii2.基區(qū)輸運(yùn)過程基區(qū)輸運(yùn)過程基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)與頻率關(guān)系 定義定義高頻小信號(hào)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù):0 少子壽命 ,單位時(shí)間復(fù)合幾率( ),在基區(qū)逗留時(shí)間 內(nèi)復(fù)合損失占少子總數(shù) ,則到達(dá)集電極的未復(fù)合少子占進(jìn)入基區(qū)少子總
35、數(shù)的( ),即直流輸運(yùn)系數(shù),是 中的因子,記為nB1/nBb/bnB1/bnB1)1)渡越時(shí)間的作用渡越時(shí)間的作用(1)復(fù)合損失使得復(fù)合損失使得 小于小于10Institute of Microelectronics Circuit & System-40-v定義定義: :輸出端對(duì)高頻小信號(hào)短路(vcb=0,但VCB0)條件下的共基極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)為- 0cnencnccccbeenencncciiiiiviiiii第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性n cn eii2.基區(qū)輸運(yùn)過程基區(qū)輸運(yùn)過程基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)與頻率關(guān)系 定義定義高頻小信號(hào)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù):0
36、少子壽命 ,單位時(shí)間復(fù)合幾率( ),在基區(qū)逗留時(shí)間 內(nèi)復(fù)合損失占少子總數(shù) ,則到達(dá)集電極的未復(fù)合少子占進(jìn)入基區(qū)少子總數(shù)的( ),即直流輸運(yùn)系數(shù),是 中的因子,記為nB1/nBb/bnB1/bnB1)1)渡越時(shí)間的作用渡越時(shí)間的作用(1)復(fù)合損失使得復(fù)合損失使得 小于小于10Institute of Microelectronics Circuit & System-41-(2)(2)渡越時(shí)間的分散使得渡越時(shí)間的分散使得 減少減少 少子在基區(qū)的運(yùn)動(dòng)是熱運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上疊加擴(kuò)散(+漂移)第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性(3)時(shí)間延遲使相位滯后時(shí)間延遲使相位滯后 中應(yīng)包括
37、: 集電結(jié)上輸出信號(hào)電流比從發(fā)射結(jié)輸入信號(hào)電流在相位上滯后了 .bjebBncbQIbncbqi1/bBQ2)電荷控制法求電荷控制法求 的意義:注入基區(qū)的每個(gè)少子,單位時(shí)間內(nèi)被集電結(jié)取出的幾率?;鶇^(qū)少子總電荷 ,單位時(shí)間被集電結(jié)取走的電荷即 對(duì)于交流小信號(hào):Institute of Microelectronics Circuit & System-42-基區(qū)少子高頻小信號(hào)電荷控制方程電荷控制方程:加入基區(qū)復(fù)合損失:1()2211bj tgoobbej第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性ncj tnciI e3) 延遲時(shí)間與超相移因子延遲時(shí)間與超相移因子實(shí)際上,當(dāng)發(fā)
38、射結(jié)剛向基區(qū)注入少子時(shí),集電結(jié)并不能立刻得到的電流。/bbqncbtjncbncbbncneijjeIdtdidtdqiibnencjii11Institute of Microelectronics Circuit & System-43- 少子從發(fā)射結(jié)注入基區(qū)后,經(jīng)過 的時(shí)間后能達(dá)到和定態(tài)一樣的分布。在延遲時(shí)間 內(nèi),集電結(jié)還取不到少子電流。超相移因子超相移因子或剩余相因子剩余相因子 第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性1.22bbbdB則集電結(jié)取走少子的平均時(shí)間實(shí)為: 集電極電流比發(fā)射極電流再滯后一個(gè)相角:dB令令:0.22bbdBbbm*1dBjobej 基區(qū)
39、輸運(yùn)系數(shù)的精確式為基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的精確式為:BBbdBDW218. 018. 02dBInstitute of Microelectronics Circuit & System-44-m m物理意義物理意義:發(fā)射極電流的變化,不能立即反映為集電極電流的變化,必須經(jīng)過 的相位滯后,集電極電流才會(huì)變化,其后的相位滯后才由基區(qū)渡越時(shí)間所引起。m就是由基區(qū)渡越時(shí)間所引起的相移之外再附加部分因子。*0*1bmjbejbm第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性bmmjbemj1*011*11bbm*122bmf*11fjmjmfooeefjjf_Institute of Micr
40、oelectronics Circuit & System-45-4)4) 在復(fù)平面上的表示在復(fù)平面上的表示*第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性復(fù)平面上,半圓上P點(diǎn)軌跡就是 ,點(diǎn)A是直流輸運(yùn)系數(shù) , , 向點(diǎn)0移動(dòng)。*0(0)* 考慮超相移因子考慮超相移因子m m時(shí)時(shí), ,將 替代 ,再延遲一個(gè)角 .OBOBOBOAOP2*01bjbbj11*0222*02*0Institute of Microelectronics Circuit & System-46-5)5)緩變基區(qū)晶體管的緩變基區(qū)晶體管的*第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性
41、忽略擴(kuò)散時(shí)忽略擴(kuò)散時(shí)BBsdBDW20b考慮漂移、擴(kuò)散時(shí)考慮漂移、擴(kuò)散時(shí)0.22 0.0981.22 0.098dBb11.220.098bbdBb0.220.098m*00*11bjmjmbeejj*11.220.098bbbm1Institute of Microelectronics Circuit & System-47-3.3.高頻小信號(hào)電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系高頻小信號(hào)電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性現(xiàn)代微波晶體管基區(qū)寬度亞微米,高頻下必須計(jì)及結(jié)勢(shì)壘電容、集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度等的影響1)1)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電時(shí)間常數(shù)發(fā)射極延遲時(shí)
42、間常數(shù)發(fā)射極延遲時(shí)間常數(shù)enepeiiereTeCiTeCei發(fā)射極支路小信號(hào)等效電路EebeIekTqrvi發(fā)射結(jié)增量電阻()TeCnepeeTeCiiirjInstitute of Microelectronics Circuit & System-48-2)2)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容充放電時(shí)間常數(shù)發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容充放電時(shí)間常數(shù)Dbebb nceebebebCqqqi()ebenepee ncr iiri發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容充放電時(shí)間常數(shù)就是基區(qū)渡越時(shí)間發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容充放電時(shí)間常數(shù)就是基區(qū)渡越時(shí)間第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性發(fā)射結(jié)的小信號(hào)等效電路對(duì)CDE的充放電電流:則
43、:beDEnencjrCjii1111bj1*0*nceDEncbebDEebDECirCjijvCjdtdvCiDEInstitute of Microelectronics Circuit & System-49-3)3)集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延遲集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延遲/ /渡越時(shí)間渡越時(shí)間/tdcmxv第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性nccdncii少子越過集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)時(shí)間定義:集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù) 少子以有限速度通過勢(shì)壘區(qū)時(shí),改變勢(shì)壘區(qū)的空間電荷分布,即改變勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電場(chǎng)分布,產(chǎn)生位移電流, 產(chǎn)生電場(chǎng)的電力線終止于耗盡區(qū)邊緣中性區(qū)上,有附加的正電荷來終止,對(duì)于集電區(qū),就有
44、電子離開那里流向集電極,形成傳導(dǎo)電流 。nccidx211tdjjnccdncdieeij222 sin()12()ttttjjnccncncncjttjeiiieijejInstitute of Microelectronics Circuit & System-50-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性4)4)集電極延遲時(shí)間常數(shù)集電極延遲時(shí)間常數(shù) 集電結(jié)勢(shì)壘電容充放電時(shí)間常數(shù)csr:輕摻雜外延層,存在一定的體電阻C:緊靠勢(shì)壘區(qū)的本征集電極,內(nèi)電極定義:定義: 集電極衰減因子ncccciic集電區(qū)小信號(hào)等效電路bTCCcsrcic0cbvncci 一部分對(duì) 充電,
45、一部分經(jīng) 流到外電路11cccccciiijTCCcsr充放電電流為充放電電流為:ccsTCccsTCbcTCccirCjdtdirCdtdVCicsTCcrCInstitute of Microelectronics Circuit & System-51-01()bjmnencncccenencnccebcdiiiieiiiij第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性5)5) 共基極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)與截止頻率共基極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)與截止頻率 為極低頻或直流小信號(hào)共基極短路電流放大系數(shù),或共基極增量電流放大系數(shù)。*000EEECecdIdIdIdI
46、ii0ECII(1)信號(hào)延遲時(shí)間)信號(hào)延遲時(shí)間定義:載流子從流入發(fā)射極開始到從集電極流出為止總渡越時(shí)間。0221()ecjecbem1bbbbmmInstitute of Microelectronics Circuit & System-52-(2) 截止角頻率截止角頻率 、截止頻率、截止頻率 f11()1becdecbmm12 ()1becdfm 01bjmefjf (下降了3dB)時(shí)的角頻率 、頻率分別稱為截止角頻率、 截止頻率。02定義:第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性6) 共發(fā)射極高頻小信號(hào)電流放大系數(shù)與特征頻率共發(fā)射極高頻小信號(hào)電流放大系數(shù)與特征頻率
47、(1)定義:集電結(jié)對(duì)高頻小信號(hào)短路(vbc=0, VBC0)條件下的 ic與ib 之比為共射極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)Institute of Microelectronics Circuit & System-53-0001第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性極低頻或直流小信號(hào)共發(fā)射極短路電流放大系數(shù)、或共發(fā)射極增量電流放大系數(shù) 下降到 (下降3dB)時(shí)的角頻率、頻率分別稱為的截截止角頻率止角頻率、截止頻率截止頻率 * 截止角頻率 、與截止頻率 定義:f0/2001100020011 ()ejececej 00又 ,c00001111ecvbcjiicbInst
48、itute of Microelectronics Circuit & System-54-0011ecec 即:012ecf 第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性0011fjjf500MHz時(shí),Wb較小,只占 中很小一部分,可忽略 fbec bm0001(1)bm 比 截止頻率低的多Institute of Microelectronics Circuit & System-55-()晶體管的()晶體管的特征頻率特征頻率01fjff增一倍降一半,或降10lg23dB(倍頻程),功率正比于電流的平方,則功率增益降14或20lg26dB1時(shí)的頻率,稱晶體管的特征頻率晶
49、體管的特征頻率fT00012Tecff 020 lg20 lg10lg flg f20 lg3dB6/dB倍頻第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性0時(shí)與f無關(guān)ff 時(shí)0ffff 高頻晶體管的工作頻率一般在 的范圍 Tfff此時(shí), 又稱為增益帶寬積增益帶寬積,與 無關(guān)。0TfffTffInstitute of Microelectronics Circuit & System-56-1122TecebbdcecTffebeTeTeEkTrCCqI其中, , 或 , , 或 很大時(shí), 的EICITfEICIeb影響很小,可略去;大注入時(shí),基區(qū)擴(kuò)展,b 增加更多,集電結(jié)勢(shì)
50、壘區(qū)減小,勢(shì)壘區(qū)延遲 d 減小的少一些,故 IC 很大時(shí),fT 隨 IC 增加而下降。第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的頻率特性(3)電流對(duì))電流對(duì) 的影響的影響Tf(4 4)提高特征頻率的途徑)提高特征頻率的途徑 一般高頻管中,四個(gè)時(shí)間常數(shù)以 最長,減小 是提高的主要途徑 減小 減小 減小bbTfedcInstitute of Microelectronics Circuit & System-57- 晶體管工作在大電流狀態(tài)時(shí),較大的基極電流流過基極電阻,將在基區(qū)中產(chǎn)生較大的橫向壓降,使發(fā)射結(jié)正向偏置電壓從邊緣到中心逐漸減小,發(fā)射極電流密度則由中心到邊緣逐漸增大 。 第
51、三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性1)集邊效應(yīng)集邊效應(yīng)3.3. 發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)基極電流IB(y)在dy段電阻上產(chǎn)生的壓降為: 集電結(jié)零偏時(shí)發(fā)射極電流:()expBEEESq VVJJkT 1)(BeBEEERldyyIkTqyJdVkTqyJydJ口1)(BeBRldyyIdV口Institute of Microelectronics Circuit & System-58-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性設(shè)發(fā)射極條很寬,有邊界條件: 0,0/,0,BBCIdydIJy時(shí)112)0(1)(ykTlqRIyIeB
52、BB口 201)0()()()(yyJdyydIlyJyJldyydIEBeEEeB ,20)0(221eBBEkTlIRqJ口2/110)0(2EBJqRkTy口 dyydIkTlRyqIdyydJldyyIdBeBBEeB122口 yJldyydIdylyJydIydIEeBeEEBIB(y)的表達(dá)式:其中: Institute of Microelectronics Circuit & System-59-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性2/10BKWy 2/1121npK其中大注入時(shí)大注入時(shí)電流集邊效應(yīng)使工作基區(qū)局限在發(fā)射結(jié)邊緣下面,基極電流流經(jīng)的路程縮短,因此基極電阻將減小.10106122BBbbRlyRlyr口口時(shí)02 ySe2)發(fā)射極有效條寬發(fā)射極有效條寬00)0()(EeEeEJyldyyJlI3)電流集邊效應(yīng)對(duì)電流集邊效應(yīng)對(duì) 及及rbb的影響的影響CECBEEEOBCCBEEEOBJAWWDQDIWWDQD22224422CCBIWW)/(0ylIJeCCInstitute of Microelectronics Circuit & System-60-第三章第三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管- .晶體管的功率特性4)4)發(fā)射極單位長度的電流容量發(fā)射極單位長度的電流容量單位發(fā)射極長度內(nèi)不發(fā)生大注入效
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