【學(xué)習(xí)課件】第三章雙極晶體管

1、第三章： 雙極型晶體管3.1 基本原理3.2 靜態(tài)特性3.3 雙極晶體管模型3.4 頻率響應(yīng)3.5 功率特性3.6 開關(guān)特性3.7 異質(zhì)結(jié)晶體管HBT7/29/20221精選課件簡介雙極型器件是電子和空穴兩種載流子都參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件 從P-N結(jié)理論的討論中已知電流輸運(yùn)是由電子和空穴兩種載流子組成的，故由P-N結(jié)組成的晶體管又稱作雙極晶體管。雙極晶體管是最重要的半導(dǎo)體器件之一。 1947年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的一個研究小組發(fā)明。 7/29/20222精選課件The ”Planar Process” developed by Fairchild in the late 50s shaped the b

2、asic structure of the BJT, even up to the present day. 雙極型晶體管7/29/20223精選課件Modern BJT7/29/20224精選課件7/29/20225精選課件Bipolar operationOperation depends on the bias conditionIBICIE7/29/20226精選課件3.1 晶體管的基本原理1、基本結(jié)構(gòu)及其雜質(zhì)分布基本結(jié)構(gòu) 由兩個P-N結(jié)共用一個基區(qū)組成的。 在兩個結(jié)中，一個叫發(fā)射結(jié)，一個叫集電結(jié)。中間區(qū)域就叫基區(qū)，而另兩個區(qū)與結(jié)相對應(yīng)的被稱作發(fā)射區(qū)和集電區(qū)。 器件具有三個電極端子，分

3、別稱作發(fā)射極，基極和集電極。 7/29/20227精選課件雙極型晶體管n+pnp+np7/29/20228精選課件晶體管工藝與雜質(zhì)分布(a)合金管 雜質(zhì)分布的特點(diǎn)：三個區(qū)內(nèi)雜質(zhì)均勻分布，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)為突變結(jié) . (b)雙擴(kuò)散管 雜質(zhì)分布特點(diǎn)：基區(qū)為緩變雜質(zhì)分布，發(fā)射區(qū)雜質(zhì)分布也緩變。 7/29/20229精選課件分類 晶體管內(nèi)部，載流子在基區(qū)的傳輸過程是決定晶體管的增益、頻率特性等性能參數(shù)的重要指標(biāo)。在基區(qū)寬度確定后，基區(qū)雜質(zhì)分布是影響基區(qū)輸運(yùn)過程的關(guān)鍵因素，一般的，可以分為兩大類： (a)均勻基區(qū)晶體管，傳輸機(jī)構(gòu)以擴(kuò)散為主，如合金管和全離子注入管。傳輸以擴(kuò)散為主。(b)緩變基區(qū)晶體管。如各

4、種擴(kuò)散管。由于基區(qū)中存在自建電場，以漂移為主，7/29/202210精選課件NPN晶體管共基極(a)、共發(fā)射極（b）和共集電極（c）的三種連接法 (a) (b) (c) 7/29/202211精選課件2、晶體管的放大原理以均勻基區(qū)P-N-P晶體管為例分析其基本物理圖象：內(nèi)部載流子的運(yùn)動。 電壓增益：功率增益：7/29/202212精選課件P-N-P均勻基區(qū)晶體管的物理結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)分布、電場分布和平衡態(tài)能帶圖 7/29/202213精選課件P-N-P均勻基區(qū)晶體管正常偏置條件下的的物理結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)分布、電場分布和平衡態(tài)能帶圖 7/29/202214精選課件3、晶體管端電流的組成工作在放大狀態(tài)下pnp

5、晶體管的各個電流分量為：IEP：從發(fā)射區(qū)注入的空穴電流，IEN：從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的電子電流，ICN：集電區(qū)基區(qū)結(jié)附近的熱電子漂移到基區(qū)形成的電流，ICP：集電區(qū)基區(qū)結(jié)的空穴注入電流。IBRIEPICP，基區(qū)內(nèi)電子與空穴電流的復(fù)合而必須補(bǔ)充的電子電流。 7/29/202215精選課件Current GainIE=IEp+IEnIC=ICp+ICnIB=IE-IC=IEn+(IEp-ICp)-ICn7/29/202216精選課件Current Flowemitter current injected into the base base current injected into the emi

6、tter recombination in the base current region reverse biased current across the BCJ reverse biased current across the BCJ electron current from the emitter7/29/202217精選課件4、晶體管的電流增益直流共基極電流放大系數(shù)（或電流增益）的定義為 其中， 發(fā)射效率： 基區(qū)傳輸因子 即7/29/202218精選課件集電極電流表達(dá)式：下標(biāo)CB: 表示C和B結(jié)的端電流O: 表示對應(yīng)的第三端與第二端之間為開態(tài)7/29/202219精選課件共發(fā)射極

7、晶體管的電流放大系數(shù)（電流增益）為 電路應(yīng)用中，晶體管的共射級組態(tài)最常用，即發(fā)射極作為公共端，基極和集電極為輸入和輸出端。7/29/202220精選課件5、提高電流增益的一般原則 晶體管的電流傳輸作用是晶體管具有放大能力的基礎(chǔ)，晶體管具有放大作用需要滿足下列條件，內(nèi)部：發(fā)射結(jié)與集電結(jié)要相距很近，即WBpn0時(shí) 即陰影部分面積7/29/202232精選課件理想晶體管的電流一電壓方程均勻基區(qū)P-N-P晶體管電流一電壓方程：7/29/202233精選課件7/29/202234精選課件由基區(qū)內(nèi)總的少子存貯電荷 可得集電極電流的另一表達(dá)式：7/29/202235精選課件討論晶體管三個極的電流和基區(qū)內(nèi)的少

8、子分布有關(guān)，理想晶體管的基本關(guān)系式為： 外加電壓通過因子eqV/kT控制邊界上的載流子濃度；發(fā)射極和集電極電流由邊界處的少子濃度梯度給出，這兩個電流和基區(qū)存貯電荷成正比；P-N-P晶體管的發(fā)射效率 基區(qū)傳輸因子 7/29/202236精選課件2、晶體管的工作狀態(tài) 晶體管的工作狀態(tài)取決于發(fā)射結(jié)、集電結(jié)上所加的電壓極性。放大狀態(tài)：VEB正偏，VCB反偏；飽和狀態(tài)：VEB正偏，VCB正偏；截止?fàn)顟B(tài)：VEB反偏，VCB反偏；反轉(zhuǎn)狀態(tài)：VEB反偏，VCB正偏； 飽和狀態(tài)時(shí)，晶體管處于小偏置電壓、大輸出電流情況，即導(dǎo)通狀態(tài)。截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，基區(qū)內(nèi)無存貯電荷，集電極電流接近0，即關(guān)斷狀態(tài)。反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，電流增益小

9、于放大狀態(tài)，因?yàn)榧姌O摻雜濃度比基極濃度要低，因此發(fā)射效率也較低。 7/29/202237精選課件工作模式：VCBSaturationForward activeCutoffInverted activeVEBPNPNPNSaturationForward activeCutoffInverted activeVBCVBE放大反轉(zhuǎn)飽和截止正偏反偏正偏反偏正偏反偏反偏正偏E-BC-B狀態(tài)7/29/202238精選課件3、靜態(tài)特性的修正（1）緩變基區(qū)晶體管熱平衡下，中性基區(qū)內(nèi)將存在一個自建電場來抵消由于基區(qū)雜質(zhì)濃度梯度分布而引起的擴(kuò)散電流。在放大偏置狀態(tài)下，所注入的少子不僅有擴(kuò)散運(yùn)動，還有由基區(qū)內(nèi)

10、建電場引起的漂移運(yùn)動。內(nèi)建電場的主要作用是減少注入少子渡越基區(qū)所需的時(shí)間，從而改善晶體管的高頻特性。 還可以減小少子在基區(qū)的復(fù)合，從而改善基區(qū)的傳輸因子。7/29/202239精選課件基區(qū)內(nèi)建電場的表達(dá)式基區(qū)中自建電場對電流的貢獻(xiàn)，平衡時(shí)，基區(qū)內(nèi)多子電流為零。即 7/29/202240精選課件雙擴(kuò)散管中，基區(qū)雜質(zhì)分布一般滿足高斯分布或余誤差分布，都可以近似為指數(shù)分布。即： 其中，是由基區(qū)兩邊的雜質(zhì)濃度比值決定的一個常數(shù)，稱其為場因子 ?；鶇^(qū)內(nèi)建電場的表達(dá)式為：式中負(fù)號表示自建電場方向與x方向相反。 7/29/202241精選課件基區(qū)中少子分布與電場因子有密切關(guān)系，=0相當(dāng)于均勻基區(qū)，越大，基區(qū)

11、電場越強(qiáng)?；鶇^(qū)中大部分區(qū)域的少子濃度梯度較小，只有在近集電結(jié)處少子濃度梯度才增大。 7/29/202242精選課件推導(dǎo)緩變基區(qū)的少子分布和各區(qū)少子電流時(shí)有兩種方法：（1）求解包括漂移分量在內(nèi)的少子連續(xù)性方程，得到少子分布和少子電流分布從而導(dǎo)出緩變基區(qū)晶體管的I-V方程，這種方法精確，但過程繁雜。（2）忽略少子在基區(qū)輸運(yùn)過程中的復(fù)合損失，認(rèn)為基區(qū)少子電流近似為常數(shù)（WB0時(shí)，對給定的基極電流IB，集電極電流IC不依賴于VEC。但實(shí)際上，IC隨VEC的增加而增加。這種集電極電流不飽和現(xiàn)象可以用厄爾利效應(yīng)來解釋。 當(dāng)VEC增加時(shí)，基區(qū)寬度W減小，導(dǎo)致0增加，故IC增大。7/29/202255精選課件

12、Early effect: impact of VBC on WB注意:VBC 越負(fù)，7/29/202256精選課件利用共發(fā)射極輸出特性曲線的切線來確定VA:7/29/202257精選課件（4）Kirk效應(yīng)（基區(qū)展寬效應(yīng)）在大電流密度工作下的晶體管基區(qū)將會發(fā)生擴(kuò)展，這一現(xiàn)象是柯克于1962年首先提出來的，所以也被稱為柯克效應(yīng)。由于現(xiàn)代大功率晶體管都是用擴(kuò)散工藝制造，所以下面的討論都是針對緩變基區(qū)晶體管的。在放大工作狀態(tài)下，理想晶體管假定邊界處的少子濃度為0，但實(shí)際上存在少子濃度?？昭舛仍谥行曰鶇^(qū)內(nèi)被多子電子中和，但在耗盡區(qū)內(nèi)將改變正負(fù)電荷層的濃度。若維持集電結(jié)偏壓不變，則負(fù)電荷層減小，正電荷

13、層寬度增加，整個耗盡區(qū)向襯底移動，中性基區(qū)趨于加寬。一定條件下，中性基區(qū)寬度超過擴(kuò)散時(shí)形成的原始基區(qū)寬度，這種現(xiàn)象稱為基區(qū)展寬效應(yīng)（Kirk效應(yīng)）7/29/202258精選課件（5）產(chǎn)生復(fù)合電流和大注入效應(yīng)（a）基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 以PNP晶體管為例： 由基區(qū)電中性要求，基區(qū)中多子與少子分布相同，即滿足：dnB(x)/dx=dpB(x)/dx和 nB(0)=nB0+pB(0） 基區(qū)多子（電子）濃度可以用下式表示： 考慮到基區(qū)大注入的少子對多子分布帶來的影響后，基區(qū)電導(dǎo)率為7/29/202259精選課件若只考慮基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)附近的電導(dǎo)率可近似為： 對應(yīng)電阻率為： 隨著注入的加大，pB(0)不斷加大

14、，基區(qū)電導(dǎo)率B相應(yīng)地不斷上升，電阻率不斷下降。這一現(xiàn)象被稱為基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。 式中的pB(0)/NB稱為注入比。7/29/202260精選課件（b）產(chǎn)生復(fù)合電流實(shí)際晶體管在反向偏壓下，集電區(qū)基區(qū)內(nèi)耗盡層存在產(chǎn)生電流，而發(fā)射區(qū)基區(qū)正偏，耗盡層內(nèi)有復(fù)合電流。如果產(chǎn)生電流在ICBO中起支配作用，對突變的集電結(jié)，ICBO隨 增加，對線性緩變的集電結(jié)，ICBO隨 增加，同時(shí) 也增加。在小電流下，復(fù)合電流占支配作用， m2。 IC是由注入基區(qū)的空穴擴(kuò)散到集電區(qū)形成的空穴電流，不受發(fā)射區(qū)基區(qū)的復(fù)合電流影響。 7/29/202261精選課件（c）大注入自建電場大注入時(shí)，由于電子（多子）濃度梯度的存在，必定會

15、向集電結(jié)方向擴(kuò)散，集電結(jié)上加的是反向偏壓，它阻止電子流向集電區(qū)，因此在集電結(jié)的基區(qū)側(cè)有電子積累，由于擴(kuò)散運(yùn)動，在發(fā)射結(jié)的基區(qū)側(cè)電子濃度將降低，從而在基區(qū)中產(chǎn)生由發(fā)射結(jié)指向集電結(jié)的電場B，這一自建電場稱為大注入自建電場。它同時(shí)改變了基區(qū)少子分布。基區(qū)電子和空穴的電流方程應(yīng)為： 7/29/202262精選課件式中等號右邊第一項(xiàng)為大注入引起的自建電場形成的漂移電流，第二項(xiàng)為濃度梯度引起的擴(kuò)散電流。自建電場阻止多子（電子）的擴(kuò)散，即InB =0式中，EB為基區(qū)本身摻雜分布形成的內(nèi)建電場7/29/202263精選課件（6）飽和電流和擊穿電壓（a）飽和電流當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)，集電極一基極結(jié)的反向電流定義為IC

16、BO。當(dāng)基極開路時(shí)，集電極-發(fā)射極結(jié)的反向電流定義為ICEO。 通常， ICBO ICEO， ICBO 發(fā)射結(jié)短路時(shí)的電流IC。7/29/202264精選課件（b）擊穿電壓放大狀態(tài)下，當(dāng)VBC（共基極接法）或VEC（共射極接法）超過擊穿電壓臨界值時(shí)，晶體管的集電極電流IC急劇增加，稱為雪崩擊穿。原因是集電結(jié)耗盡區(qū)內(nèi)的電場太強(qiáng)而產(chǎn)生大量電子空穴（雪崩倍增）。共基極接法：定義發(fā)射極開路時(shí)集電極一基極擊穿電壓為BVCBO ，對集電區(qū)摻雜遠(yuǎn)低于基區(qū)時(shí)：式中，EC是臨界擊穿電場，NC是集電區(qū)的摻雜濃度7/29/202265精選課件共射極接法：定義基極開路時(shí)集電極一發(fā)射極的擊穿電壓為BVCEO，當(dāng)外加電壓

17、較高以至集電結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)， 利用PN雪崩倍增因子的經(jīng)驗(yàn)公式 ：可得：對于Si，n26，且0較大，因此BVCEOBVCBO7/29/202266精選課件（c）基區(qū)穿通 隨著集電結(jié)反向電壓的增加，集電結(jié)勢壘區(qū)向兩邊擴(kuò)展，基區(qū)有效寬度WBeff減小。如果晶體管的基區(qū)摻雜濃度比集電壓低，基區(qū)寬度WB又較小，則有可能在集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿之前，WBeff減小到零，即發(fā)射區(qū)到集電區(qū)之間只有空間電荷區(qū)而無中性的基區(qū)，這種現(xiàn)象稱為基區(qū)穿通。發(fā)生基區(qū)穿通時(shí)的集電極電壓稱穿通電壓VPT，在VPT下，集電極電流將迅速上升。 顯然，基區(qū)較薄的合金結(jié)晶體管容易出現(xiàn)基區(qū)穿通效應(yīng)，或者發(fā)生在集電區(qū)摻雜濃度高于基區(qū)的晶體

18、管中。7/29/202267精選課件假設(shè)基區(qū)、集電區(qū)均勻摻雜，根據(jù)勢壘寬度的公式，有 對于給定的基區(qū)寬度WB，只有當(dāng)NB較大時(shí)才能防止基區(qū)穿通，使器件的電壓只受集電結(jié)耗盡區(qū)的雪崩倍增作用限制。（NCNB時(shí)，容易發(fā)生基區(qū)穿通） 7/29/202268精選課件4、輸入和輸出特性曲線晶體管應(yīng)用在電路中可以有三種連接方式。這三種連接方式中應(yīng)用最廣的是共發(fā)射極連接，因?yàn)樗哂写蟮碾娏髟鲆婧凸β试鲆?，電流增益定義為：而共基極連接具有更高些的截止頻率。共集電極連接運(yùn)用很少。故在此主要討論共基極和共發(fā)射兩種連接。 7/29/202269精選課件NPN晶體管(a)共基極、 （b）共發(fā)射極和（c）共集電極三種連接

19、法 (a) (b) (c) 7/29/202270精選課件PNP晶體管共基極輸入輸出特性輸入特性：IE隨VEB指數(shù)上升，與正向P-N結(jié)特性一致，隨著VBC增加，IE隨VEB而上升得更快，這是由于基區(qū)寬度WB隨VBC增加而減小，從而導(dǎo)致IE增大。 輸出特性：IE=0時(shí)IC=ICBO，即集電結(jié)反向飽和電流。IC按IE的規(guī)律隨IE而增加，若IE一定，IC基本上不隨VBC變化，在VBC下降到0以后IC才逐步下降到0，這是由于只有當(dāng)集電結(jié)處于正偏狀態(tài)后，才能阻止由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子流向集電區(qū)。此時(shí)，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。 7/29/202271精選課件基區(qū)內(nèi)少子分布：（a）VBC=0或0的放大狀態(tài) （b）

20、兩個結(jié)都正偏時(shí)的飽和狀態(tài)7/29/202272精選課件PNP晶體管共發(fā)射極輸入輸出特性輸入特性：與正向P-N結(jié)特性一致，隨著VEC增加，IB減小。這是由于增加VEC會使WB減小，基區(qū)中的復(fù)合電流減小，從而使IB減?。恢劣赩EB=0時(shí)，IB不為0，這是由于此時(shí)VBC0，集電結(jié)有ICBO流過，使IB=ICBO。 輸出特性：當(dāng)IB=0時(shí)，流過晶體管的電流為ICEO，隨著IB增加，IC以IB的規(guī)律上升；且隨著VEC增加IC略上升，這是由于Early效應(yīng)（WB減小而使增大）的結(jié)果；當(dāng)VEC減小到一定值（對硅管來說，該值約為0.7V）而使集電結(jié)轉(zhuǎn)為正偏后，IC迅速下降，此時(shí)，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。 7/29/

21、202273精選課件NPN晶體管共基極接法輸出特性曲線7/29/202274精選課件NPN晶體管共發(fā)射極接法輸出特性曲線7/29/202275精選課件晶體管輸出特性分為三個區(qū)域：I為線性工作區(qū)，為飽和區(qū)，為截止區(qū)。I區(qū)工作的晶體管，發(fā)射結(jié)處于正偏，集電結(jié)處于反偏；區(qū)工作的晶體管，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏；區(qū)工作的晶體管，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都為反偏。 7/29/202276精選課件3.3 雙極晶體管模型 晶體管內(nèi)部物理過程非常復(fù)雜，而在電路應(yīng)用中，只需要關(guān)心器件的端特性。如果用一些基本的元件構(gòu)造一個端網(wǎng)絡(luò)，與晶體管的端網(wǎng)絡(luò)相同，稱為晶體管的等效電路或模型。因此在不同的應(yīng)用場合可以有不同的模型。從構(gòu)造

22、途徑劃分可以分為兩類：(1)由器件物理分析給出，稱為物理模型，其物理意義明確，反映了器件內(nèi)部的物理過程；(2)從應(yīng)用角度出發(fā)，將器件視為“黑匣子”，不管其內(nèi)部發(fā)生的過程，僅根據(jù)器件的端特性來構(gòu)造模型，稱為電路模型，這類模型的參數(shù)也可以與晶體管的內(nèi)部參數(shù)聯(lián)系起來。7/29/202277精選課件多年來，在SPICE之類的電路模擬器中，概括雙極型晶體管的電學(xué)特性模型主要有EM模型(J.J.Ebers-J.L.Moll)和GP模型（Gummel-Poon）。其中EM模型使器件的電學(xué)特性和器件的工藝參數(shù)相聯(lián)系，1954年提出的。而GP模型則是建立在器件電學(xué)特性和基區(qū)多子電荷相聯(lián)系的基礎(chǔ)之上的。 7/29

23、/202278精選課件1物理模型為了模擬雙極晶體管的特性，可以使用各種模擬工具對電子、空穴分布、電場、電流等進(jìn)行物理計(jì)算。一維模型在許多情況下有效，但是電流集邊效應(yīng)、邊緣泄漏特性、發(fā)射極周邊電容等，從本質(zhì)上講要用兩維或三維模型來分析。對于硅基器件，通常用基于擴(kuò)散漂移輸運(yùn)機(jī)制的計(jì)算公式就足夠了，但在計(jì)算一些與尺寸有關(guān)的特性時(shí)這些公式不再精確。對于族HBT，上述輸運(yùn)機(jī)制的模擬精度會進(jìn)一步受到影響。使用蒙特卡羅模擬是比較精確的，但是需要大量的計(jì)算。因而引入了流體動力學(xué)或能量平衡模擬，模擬的精度較差但計(jì)算較簡單。 7/29/202279精選課件埃伯斯莫爾模型（EM模型）是1954年由J.J.Ebers

24、和J.L.Moll首先提出的，屬于晶體管的物理模型，其模型參數(shù)能較好反映物理本質(zhì)且易于測量。基本思想是晶體管可以認(rèn)為是基于正向的二極管和基于反向的二極管的疊加。IF0為正偏時(shí)二極管的飽和電流 IR0為反偏時(shí)二極管的飽和電流 7/29/202280精選課件基本EM模型的等效電路7/29/202281精選課件基本的EM模型表達(dá)式7/29/202282精選課件由此得到基本的EM模型：由上面兩式可得，式中IEBO和ICBO分別為集電極開路時(shí)發(fā)射極飽和電流和發(fā)射極開路時(shí)的集電極飽和電流。 7/29/202283精選課件為了改善模型的精確度，在基本模型基礎(chǔ)上加串聯(lián)電阻和耗盡層電容的改進(jìn)模型?？梢钥紤]在內(nèi)部

25、發(fā)射極和集電極兩端之間加上額外的電流源來包括厄而利效應(yīng)。還可以在基極引線上加上二極管以解釋沿基極發(fā)射極結(jié)的兩位電流擁擠效應(yīng)?？偨Y(jié)：器件模型越精確，所需模型參數(shù)就越多，器件模型就越復(fù)雜。7/29/202284精選課件Ebers-Moll Model7/29/202285精選課件2電路級的模型GummelPoon模型(GP模型)的主要特點(diǎn)是把晶體管的電學(xué)特性（結(jié)電壓、集電極電流等）和基區(qū)多子電荷聯(lián)系在一起。 其中QB0為熱平衡時(shí)基區(qū)的多子電荷總量。QjE代表發(fā)射結(jié)正偏時(shí)其耗盡區(qū)寬度變化而使基區(qū)多子電荷增加的數(shù)量，QjC代表集電結(jié)正偏時(shí)其耗盡區(qū)寬度變化而使基區(qū)多子電荷增加的數(shù)量，QdEQdC代表基區(qū)

26、中存儲電荷的數(shù)量。具體的計(jì)算見課本半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)P83。 7/29/202286精選課件Gummel-Poon Model( ) 7/29/202287精選課件GummelPoon模型的不足之處 不能很好描述電流集邊效應(yīng)。電流集邊效應(yīng)對硅雙極晶體管是重要的問題，而對大多數(shù)HBT而言，因?yàn)镠BT的基區(qū)摻雜通常較大，則可忽略。為了部分的考慮這些效應(yīng)，SPICE模型提供一個表達(dá)式來描述基區(qū)電阻隨正向電流的變化。不能很好描述電荷貯存效應(yīng)和集電區(qū)在飽和時(shí)的電阻，特別是對于承受中等偏壓、具有較厚和輕摻雜集電區(qū)的晶體管。當(dāng)晶體管工作在VBC較低的情形下，集電區(qū)沒有耗盡，串聯(lián)電阻顯著增大。然而，如果VBC

27、正偏且足夠大時(shí)，注入到集電區(qū)的空穴使電阻減小。 用電荷控制模型描述晶體管的瞬態(tài)行為，只能是一種近似。特別是，瞬態(tài)電荷的分布與由電荷控制模型得到的穩(wěn)態(tài)分布是不同的，至少非靜態(tài)電荷分布會導(dǎo)致輸出電流相對于輸入偏壓在時(shí)間上有所延遲。通常將時(shí)間延遲因子納入到集電極電流源中，以用來校正已經(jīng)包括在電荷控制模型中被稱作延遲相位的延遲量。7/29/202288精選課件為了精確描述晶體管的基區(qū)電阻和集電結(jié)電容，需要使用分布電阻電容網(wǎng)絡(luò)。為簡化起見，GummelPoon模型只考慮了單一的基極電阻，器件的大部分電容必須通過該電阻進(jìn)行充電，而在更精確的模型中，基區(qū)被分成幾部分，分別定義了不同的串聯(lián)電阻和相關(guān)的電容。雙

28、極晶體管中的電流密度可能會很大，這樣電流流過器件時(shí)會產(chǎn)生很可觀的熱量，由于晶體管的各種特性強(qiáng)烈依賴于溫度的變化，自加熱效應(yīng)將對測量的特性產(chǎn)生影響。這對于族器件尤為重要，因這種器件基區(qū)的電阻率高從而要求的發(fā)射區(qū)寬度也大。而且族材料的導(dǎo)熱率比硅低。為了計(jì)及自加熱效應(yīng)，可以考慮附加一個與晶體管有關(guān)的熱電路。 考慮串聯(lián)電阻等影響后，模型可以十分精確，但所需參數(shù)多達(dá)25個。為了對特定電路進(jìn)行分析，必須在精確度和模型復(fù)雜性之間進(jìn)行折衷考慮。7/29/202289精選課件3.4 晶體管的頻率響應(yīng)晶體管在實(shí)際應(yīng)用中大都是用來放大交流訊號，特別是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多地被用于高頻、超高頻和微波領(lǐng)域，但

29、當(dāng)信號頻率升高時(shí)，晶體管的放大特性要發(fā)生變化，如電流增益減小，相移增加等，這些變化的主要原因是勢壘區(qū)電容及擴(kuò)散電容的充放電。 1頻率參數(shù)2晶體管的小信號等效電路3. 頻率功率限制7/29/202290精選課件（1）頻率參數(shù)在低頻工作時(shí)，電流增益不隨頻率變化。但工作在高頻時(shí)，電流增益明顯下降，且隨著頻率的增高, 電流增益一直降下去，直到器件失去放大能力。為了描述增益隨頻率變化的限制，引入下列電流增益的頻率特征參數(shù)。共基極截止頻率f：定義為當(dāng)電流增益隨頻率升高而下降到低頻增益的1/ 倍時(shí)所對應(yīng)的頻率，即下降到1/ 0時(shí)頻率。 共發(fā)射極截止頻率f：定義為下降到1/ 0時(shí)的頻率。特征頻率fT：定義為下

30、降到1時(shí)（0db）的頻率。 7/29/202291精選課件值得注意的是，f f以后，隨頻率升高而下降是有規(guī)律的：頻率升高一倍，增益就下降一倍，即下降6db，其頻率與增益的乘積保持為常數(shù)不變。fT就是增益一帶寬乘積，fT也是描述晶體管能起電流放大作用的最高極限頻率。 晶體管頻率響應(yīng)的最重要限制是少子通過基區(qū)的渡越時(shí)間。 7/29/202292精選課件基區(qū)渡越時(shí)間（PNP管） 當(dāng)基區(qū)少數(shù)載流子pB(x)以速度V(x)穿越基區(qū)，產(chǎn)生基區(qū)傳輸電流IpB(x)=AqpB(x)V(x)時(shí)， V(x)為基區(qū)少子的有效速度，則空穴穿越基區(qū)的時(shí)間為 在基區(qū)寬度WBLpB，近似認(rèn)為基區(qū)傳輸電流為常數(shù)即IpB(x)

31、IpE=-AJpE時(shí)，基區(qū)少子分布用均勻基區(qū)和線性近似代入可得7/29/202293精選課件（2）晶體管的小信號等效電路晶體管是非線性器件，但對于小信號條件下的工作狀態(tài)可以看作線性器件。因此，常用四端網(wǎng)絡(luò)的等效電路來研究晶體管電學(xué)特性。 隨著運(yùn)用頻率的提高，晶體管的各種電容效應(yīng)開始起支配作用，故必須考慮勢壘電容CTe、CTc和發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電容Cde的影響，也要考慮基極電阻rb的作用，因?yàn)樵撾娮韬碗娙萁M成的RC時(shí)間常數(shù)將會影響晶體管的高頻性能。在高頻時(shí)，由于rC1/CTc，故rc可以忽略。 7/29/202294精選課件跨導(dǎo)gm：輸入電導(dǎo)：輸出電導(dǎo)：7/29/202295精選課件較高頻時(shí)7/29

32、/202296精選課件高頻時(shí)7/29/202297精選課件高頻時(shí)，考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)時(shí)存在有限的輸出電導(dǎo)7/29/202298精選課件（3）頻率功率限制高頻功率增益：定義高頻優(yōu)值U為功率增益與頻率平方的乘積：它標(biāo)志晶體管的放大能力，也稱增益一帶寬積。最高振蕩頻率： 式中，rb為基極電阻，CTC為集電極總輸出電容。7/29/202299精選課件提高晶體管特征頻率fT的途徑 在一般的高頻晶體管中，減小B成為提高fT的主要因素。降低晶體管的基區(qū)寬度WB，提高基區(qū)電場因子。 減小發(fā)射結(jié)面積以減小CTe 。減小集電結(jié)的勢壘寬度xjC，即降低集電區(qū)電阻率，但它又與提高擊穿電壓有矛盾。為此，必須根據(jù)不同要

33、求作適當(dāng)選擇。 減小集電極串聯(lián)電阻rcs及集電結(jié)勢壘電容CTc。為此一是降低集電區(qū)電阻率和減小集電區(qū)厚度，以減小rcs（但這也與提高擊穿電壓的要求矛盾）；二是縮小結(jié)面積以降低CTc。綜合之，提高fT的主要途徑是：減小基區(qū)寬度WB，減小結(jié)面積（發(fā)射結(jié)及集電結(jié)），適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率和厚度。7/29/2022100精選課件3.5 功率特性1最大集電極電流IC為使晶體管電路的輸出功率大，要求晶體管能輸出較大的電流，但大電流工作的晶體管電流放大系數(shù)和截止頻率都要下降，從而限制了輸出功率。因此，在討論晶體管的功率特性時(shí)，我們先討論晶體管的最大集電極電流?；鶇^(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)均會使晶體管特性

34、變差，因此必須定義各自的最大電流限制。 最大集電極電流密度取決于上述兩種效應(yīng)中最小的最大發(fā)射極電流。 7/29/2022101精選課件2功率晶體管的安全工作區(qū)(SOA) 晶體管的最大耗散功率 晶體管的輸出功率，除受到電學(xué)參數(shù)限制外，還受到熱學(xué)參數(shù)的限制，這是由于電流的熱效應(yīng)使晶體管消耗一定的功率，引起管芯發(fā)熱，此熱量通過半導(dǎo)體、管殼等途徑散到管外，稱為晶體管的耗散功率。晶體管的最大耗散功率與熱阻有如下關(guān)系： 式中TjM為最高結(jié)溫；TA為環(huán)境溫度；RT是穩(wěn)態(tài)熱阻，與功率晶體管的結(jié)構(gòu)、材料和各材料的厚度、面積和熱導(dǎo)率等有關(guān)； 7/29/2022102精選課件晶體管的二次擊穿 實(shí)踐表明，當(dāng)晶體管工作

35、在最大耗散功率范圍內(nèi)時(shí)，仍有可能發(fā)生擊穿而被燒毀。一般認(rèn)為，這是由于晶體管的二次擊穿所引起的。 當(dāng)集電結(jié)反向偏壓VCE逐漸增大到某一數(shù)值時(shí)，集電極電流IC急劇增加，這就是通常的雪崩擊穿，稱為一次擊穿；繼續(xù)增加集電結(jié)電壓，使IC增大到某一臨界值此VCE突然降低，而電流則繼續(xù)增大，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，此稱二次擊穿。 二次擊穿的過程極短，通常為微秒量級，一旦發(fā)生二次擊穿，如果沒有保護(hù)電路，則晶體管很快就燒毀了。 7/29/2022103精選課件3.6 開關(guān)特性在敘述晶體管的三個工作區(qū)中已經(jīng)注意到，如果晶體管工作在截止區(qū)，其輸出阻抗很大，相當(dāng)于電路“斷開”；若晶體管工作在飽和區(qū)，則它的輸出阻抗很小，相當(dāng)于電

36、路“接通”。這樣使用的晶體管在電路中起著開關(guān)作用。晶體管由截止區(qū)轉(zhuǎn)換到飽和區(qū)，或由飽和區(qū)轉(zhuǎn)換到截止區(qū)，可以通過加在其輸入端的外界信號來實(shí)現(xiàn)，因此，轉(zhuǎn)換速度極快。近代電子計(jì)算機(jī)中所用的開關(guān)電路，就是根據(jù)晶體管的這一特性來設(shè)計(jì)的，其開關(guān)速度達(dá)每秒幾十萬次到幾百萬次，甚至更高。 7/29/2022104精選課件7/29/2022105精選課件（1）關(guān)斷和導(dǎo)通阻抗為了表征開關(guān)作用，考慮三個基本參量。關(guān)斷阻抗，導(dǎo)通阻抗和開關(guān)時(shí)間。關(guān)斷阻抗： 導(dǎo)通阻抗：由上面兩式可知，結(jié)的反向飽和電流IEBO、ICBO小時(shí)，關(guān)斷阻抗很高。導(dǎo)通阻抗近似反比于IC，當(dāng)IC很大時(shí)，導(dǎo)通阻抗很小。實(shí)際上，基區(qū)和集電區(qū)的歐姆電阻包

37、含在總阻抗內(nèi)，尤其對于導(dǎo)通阻抗。7/29/2022106精選課件（2）開關(guān)時(shí)間開關(guān)時(shí)間的定義： 晶體管從關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_態(tài)的時(shí)間稱為開啟時(shí)間ton，由開態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)態(tài)的時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間toff。由于在開關(guān)過程中集電極電流是交替變化的，電流開始上升或開始下降的時(shí)刻很難準(zhǔn)確確定，工程上一般以最大值ICS的0.1或0.9倍進(jìn)行測量，定義開關(guān)時(shí)間。從基極回路輸入正脈沖信號起（t=0）到晶體管集電極電流升至0.1Ics為止，稱為延遲時(shí)間td。集電極電流由0.1Ics升至0.9Ics為止，稱為上升時(shí)間tr?；鶚O信號變負(fù)開始到集電極電流下降到0.9ICS，稱為存貯時(shí)間ts。集電極電流從0.9ICS下降到0.1IC

38、S所需的時(shí)間為下降時(shí)間tf。 tontd+tr；tofftstf；tton+toff7/29/2022107精選課件利用電荷控制模型分析開關(guān)時(shí)間基區(qū)內(nèi)存貯的總過剩少子電荷為（PNP管）：由連續(xù)性方程給出存貯電荷隨時(shí)間的變化由此，可得電荷控制的基本方程 ：瞬態(tài)基極電流的作用？7/29/2022108精選課件延遲時(shí)間：存貯時(shí)間：式中，若t3p，則7/29/2022109精選課件分析導(dǎo)通時(shí)間取決于如何迅速把空穴（PNP管的基區(qū)少子）或電子（NPN管的基區(qū)少子）注入到基區(qū)。關(guān)斷時(shí)間取決于如何通過復(fù)合使空穴迅速消失。開關(guān)晶體管的重要參數(shù)之一是少子壽命。對高速開關(guān)管，降低少子壽命的有效方法是在禁帶中心附近

39、引入有效產(chǎn)生復(fù)合中心如摻金工藝。7/29/2022110精選課件（3）開關(guān)過程截止?fàn)顟B(tài)延遲過程上升過程超量存貯即飽和狀態(tài)超量儲存電荷消失過程即存貯時(shí)間下降過程截止?fàn)顟B(tài)7/29/2022111精選課件提高開關(guān)速度的措施提高晶體管的開關(guān)速度，必須從改善器件性能及電路工作條件著手，這里我們僅討論提高開關(guān)速度對器件性能的要求。 (1)提高晶體管的頻率特性，這要求： (a)減小結(jié)面積，使 CTe及CTc減小; (b)減小基區(qū)寬度WB，一般說fT主要決定于WB，減小WB可大大提高fT。 (2)在工藝上增加摻金工序，其原因是： (a)降低集電區(qū)少子壽命，特別對N-P-N晶體管更見效，這是由于金在n-Si中對

40、空穴的復(fù)合作用比它在p-Si中對電子的復(fù)合作用強(qiáng)約一倍，它可減少集電區(qū)中超量儲存空穴的數(shù)量，在儲存時(shí)間內(nèi)又可加速超量儲存空穴的消失，從而使ts減??； (b)析出凝聚在位錯、層錯處的重金屬銅、鐵等，以改善反向特性。 (c)摻金后的缺點(diǎn)：一是使反向漏電流增加，還減小了電流放大系數(shù)；二是使集電區(qū)電阻率增加，這是因?yàn)榻鹌鹬┲骰蚴苤髯饔谩?3)減小集電區(qū)外延盡厚度WC，以減小超量儲存的電荷。7/29/2022112精選課件雙極晶體管優(yōu)點(diǎn)電子沿垂直方向流過器件。器件尺寸可精確控制，容易制造出電子渡越時(shí)間短、截止頻率高的器件導(dǎo)通電流流經(jīng)整個發(fā)射區(qū)，單位芯片面積上的電流密度可以很大，實(shí)現(xiàn)大電流輸出集電極電流

41、的載流子密度直接由輸入電壓控制，跨導(dǎo)可以很高開啟電壓由pn結(jié)內(nèi)建電場決定，而不依賴于器件尺寸和工藝的變化輸入電容一般用工作電流衡量，大小主要由擴(kuò)散電容決定，因此適應(yīng)驅(qū)動負(fù)載能力強(qiáng)在高壓大電流電路中，由于電子和空穴的雙注入，有可能獲得輕摻雜集電區(qū)電阻的電導(dǎo)調(diào)制，使串聯(lián)電阻小。7/29/2022113精選課件在DC工作下需要一定的輸入基極電流工作在飽和區(qū)時(shí)，基極電流增加，過剩電荷存貯，使開關(guān)速度變緩，難以用于邏輯電路在電路中，閾值電壓不能作為設(shè)計(jì)參數(shù)。目前只能制造具有正閾值電壓的晶體管目前通過先進(jìn)的工藝技術(shù)能使器件的尺寸和寄生效應(yīng)變的更小，異質(zhì)結(jié)的使用在晶體管的設(shè)計(jì)中增加一個新的自由度，使器件更快。在BiCMOS技術(shù)中雙極與FET相結(jié)合可獲得超高輸入阻抗并可實(shí)現(xiàn)在邏輯電路中的信號開關(guān)旁路晶體管。雙極晶體管缺點(diǎn)7/29/2022114精選課件3.7