北工大復(fù)試筆試-晶體管課件1理想中電流傳輸

1．理想晶體管中的電流傳規(guī)定，pn晶體管及pnp晶體管共基極輸入電壓及輸出電壓與pn結(jié)工作狀態(tài)的關(guān)系如表1所示。此外還規(guī)定N晶體管發(fā)射極電流E流出晶體管為正方向，集電極電流IC及基極電流IB流入晶體管為正方向。對于P晶體管各電極流過電流的正方向的規(guī)定剛好與管相反。2--發(fā)射結(jié)正發(fā)射結(jié)反集電結(jié)正集電結(jié)反1．理想晶體管中的電流傳雙極晶體管共有四種工作方式，相應(yīng)地劃分為四個(gè)工作區(qū) 晶體管的放大作晶體管放大電路有兩種基本類型：共基極接法與 PNPPNP 下PN結(jié)中的J

J

Jdp JJr V

以NPN管為例,處于放大狀態(tài)的晶體 各電流成分如下圖以PNP管為例。忽略勢壘區(qū)產(chǎn)生復(fù)合電流，處于放大狀態(tài) IIEIpEInEIBInEInrICIpCIpEIprIEInEInr1．理想晶體管中的電流傳

-x

B

EC結(jié)構(gòu)示意

正向有源區(qū)能帶 PnE

npB

P

-Jn

-Jp

-Jn

-Jp

-Jn-XE （c）少子密度分布

-XE XC （d）電流密度分圖2- 理想晶體例題：分別畫出均勻基區(qū)NPN晶體管在放大狀態(tài)、飽和態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的能帶圖例題2：分別畫出均勻基區(qū)晶體管在放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的少子濃度分布圖放大狀飽和狀截止?fàn)頽pB(0)npBnpB(WB)npB對于放大狀態(tài)基本關(guān)(2-小標(biāo)pB0代表pIEIEA[JpE(xE)JnBICA[JnB(WB)JpC(xc基區(qū)復(fù)合電流基區(qū)復(fù)合電流

=InB(0)-InB

)=-AJnB(0)-JnB(WB

(2-IpC(xCIpC(xC

=

+IPE(-xEIB為基極電流I基區(qū)的輸運(yùn)與復(fù)

IIPE

IIB

IICB0對于實(shí)際應(yīng)用的BJT，上述各電流成分間應(yīng)滿足以下關(guān)系 等同于IpE(- 發(fā)射結(jié)的高注入還要滿足發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，才能使晶體管具有放大作用2緩變基①基區(qū)內(nèi)建電假定npn晶體管基區(qū)的雜質(zhì)分布如圖29（a）所示，空穴因密度差而擴(kuò)散，低濃區(qū)空堆而現(xiàn)正荷高濃區(qū)因空穴損耗而出現(xiàn)凈負(fù)電荷。正負(fù)電荷所建立的電場 空穴擴(kuò)散平衡狀態(tài)下，基內(nèi)意置的穴擴(kuò)趨與漂趨相互抵消，空穴電流密度等于零，其中漂移電場稱為基區(qū)內(nèi)建電場以ε表示。寫出空穴的輸運(yùn)方程即可求出表達(dá)式，J

qPB

x

dPPB

kT

dPB(x

PPB(x dx電中性近似：

kT

dNAB(x)

NAB(x) dxNAB（x)為基區(qū)受主雜質(zhì)濃度NPNPN2NPN內(nèi)建電場方向 PNP少子漂移流方向 PNP內(nèi)建電場方向 PNP少子漂移流方向 PNP圖圖對于一種典型分布形式：基區(qū)雜質(zhì)為指數(shù)函數(shù)分布時(shí)NAB

(x)

NAB

kT

NABNAB(WB

求η求η2內(nèi)建電場造成基區(qū)內(nèi)能帶不平，能帶總共變動(dòng)為qεBWB=kT。由于基區(qū)必須是種電型例如p型， 能級必須在禁帶以下。因此，能帶彎曲的總量最多只能是E/2，即η的最大值為Eg/2kT。室溫下此值對為13，對S為21。但由于其它因素，實(shí)際上η一般在之間。 22緩變基區(qū)②非平衡少子分布及少子電流密度Moll－Ross法?；炯俣ㄊ巧僮釉诨鶇^(qū)的運(yùn)動(dòng)是一維的。輸運(yùn)看作是擴(kuò)散載流子遷移率等于常數(shù)，雜質(zhì)濃度超過1016cm-3時(shí)引入平均遷移率小注入，非平衡少子密度低于同一位置上的多子平忽略基區(qū)復(fù)合，對現(xiàn)代高增益晶體管這一條是成立(2-NPN管基區(qū)少子電流密度表達(dá)式(2-JnB

pBBB

qnB

dxBB

NAB(x)

dNAB(x)dx2緩變基區(qū)②非平衡少子分布及少子電流密假定忽略基區(qū)復(fù)合，全基區(qū)內(nèi)JnB=常數(shù)；正向有源區(qū)時(shí)，npB(WB)=0，得

(x)

Nx

(x)dx

基區(qū)雜質(zhì)指數(shù)分布時(shí),帶入

N

(x)

N

(x) WBpB{1ex(WB(2-2緩變基區(qū)②非平衡少子分布及少子電流密1

(2-JB

n0

x

從圖上看出，沿方向Bx值逐漸減小，dnB(xd則逐漸增大，說明在這一方向上漂移，擴(kuò)散兩種電流成分都是變化的，漂移流二者之和保持為常數(shù)，靠近集電1 (x) (x) WBpB{1ex(WB管基區(qū)非平衡少子密度分JJ N(x)NAB(x)dxx (0) (0) NWB0N又pPB(0)又

(0)

in2eqVBE/i qD n2eqVBE/qD n2eqVBE/WBG0N(x)dxB BWB0N名為根摩爾（Gummel）數(shù)，即基區(qū)位結(jié)面積下凈摻雜總量，可以測量2緩變基區(qū)②非平衡少子分布及少子電流密現(xiàn)代硅晶體管中IpC（xc）非常之小，同基區(qū)以忽略不計(jì)，集電極電流如下在文獻(xiàn)中，集電極電流密度表達(dá)式表示JC

q

N

(x)dx2

eqVBE

/ICAEJnBICAEJnB nB iqA n2qV/ 緩變基區(qū)③基區(qū)渡越時(shí)基區(qū)渡越時(shí)間：基區(qū)過剩載流子電荷除以集電極電流QB’代表基區(qū)過

npB(x)≈ΔnB（x）,得到適用于基區(qū)雜質(zhì)任意分布的晶體管：

WB (

BQ'BICQBEBQ'BICQBE0B(B

2 BnB 緩變基區(qū)③基區(qū)渡越2 BnB對于均勻基區(qū)晶體管，NAB＝等于常數(shù)

基區(qū)雜質(zhì)指數(shù)分布晶體管

N

(x)

N

22 WB 212 FW2B2 Bη越大，雜質(zhì)梯度越大，越發(fā)射區(qū)的表面雜質(zhì)濃度都在1x1019cm-3以上，重?fù)诫s發(fā)射區(qū)中的禁帶變及俄歇復(fù)合將影響電流傳輸輕摻雜半導(dǎo)體中，雜質(zhì)原子比較少，可以不考慮雜質(zhì)原子間的相互作用以及雜質(zhì)原子的存在對晶體周期勢場的影響。重?fù)诫s半導(dǎo)體中，雜質(zhì)原子間距離縮小，相鄰原子接近到一定程度時(shí)，相互作用加強(qiáng)，出現(xiàn)電子在雜質(zhì)原子間的共有化運(yùn)動(dòng)，與此相對應(yīng)，禁帶中分立的雜質(zhì)能級展寬成為雜質(zhì)能帶，雜質(zhì)濃度高于18時(shí)，這種效應(yīng)顯示作用，另外，晶體中大量雜質(zhì)原子的隨機(jī)分布造成靜電勢局部起伏，擾動(dòng)晶格周期勢場，使低摻雜下界限確定的能帶邊在高摻雜下呈現(xiàn)能帶尾。隨著雜質(zhì)濃度增高，雜質(zhì)帶擴(kuò)展，帶尾伸長，導(dǎo)致主能帶與雜質(zhì)帶合并，禁帶變窄。 4

禁帶變窄量ΔEg與摻雜濃度N之間的經(jīng)驗(yàn)公式 引入有效本征載流子密度nie，N型高摻雜半導(dǎo)體有：

Eg9ln1017 NEg9ln1017 NN0.5kT 1dNDE(x)(x) n2 2ig)nnie與雜質(zhì)濃度有關(guān)，ni雙擴(kuò)散晶體管發(fā)射區(qū)凈摻雜分布如圖2一12所示非均勻分布)未考慮禁帶變窄時(shí)，發(fā)射區(qū)內(nèi)建電場為：的空穴流起作用。4考慮禁帶變窄時(shí)，利用平衡狀態(tài)下少子電流密度等于零這一關(guān)系，經(jīng)推導(dǎo)得出

(x)

n2(x)/

dNDE(x)

(x)

qq

(x)

q

x 式中右端第一項(xiàng)代表不考慮禁帶變窄時(shí)發(fā)射區(qū)內(nèi)建電勢；第二項(xiàng)代dnixdx與dx)/d符號相同，所以后者的實(shí)際方向與前者相反，后者將抵消前者對注入空穴的作用。引入發(fā)射區(qū)有效摻雜濃度N’DE(x)，將使εBE表示式(2-47)變得簡kTkT1 (x)dnE (x)0dx

(x)

nn2 iNDE(x)nn2

NDE

Eg

N’DE(x)隨NDE(x)增加而減4kT

dN'

(x)

BEq

N'DE

(x)

DE dx

DE

10形式上與輕摻雜時(shí)的表達(dá)式一 DE

10同時(shí)n2i

N

10引入新的發(fā)射區(qū)Gummel數(shù)GE

WE代表發(fā)射區(qū)單位結(jié)面積下有效代表發(fā)射區(qū)單位結(jié)面積下有效雜總量，而不是凈摻雜總量0形式上與輕摻雜時(shí)的表達(dá)式一與形式上與輕摻雜時(shí)的表達(dá)式一 n2

J

ie

1GE 帶隙變窄的影響射區(qū)中的本征載流子濃度由ni變成為nie=ni2exp[ΔEgkT]；發(fā)射區(qū)中本征載流子濃也相應(yīng)增加為peo=nie2/Ne=(ni2/Ne)exp[ΔEg/kT]。于是，就使得發(fā)射結(jié)的注總之，發(fā)射區(qū)重?fù)诫s可引起帶隙變，從而導(dǎo)致BJT的放大性能下降BB1D0NN(x)x發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)的影響（禁帶變窄，俄歇復(fù)合使JpE上升） ( (x)kT NPN均勻基區(qū)晶體管能帶圖，少子密度分布圖，電流密度分布圖（圖2—8為NPNBJT在正向有源區(qū)工作