晶體管原理第3.1雙極工作

第三章雙極晶體第三章雙極晶體管Bipolarjunctiontransisitor管極晶體管3.4非理想效3.5等效電路3.6頻率特3.7大信號無源器件（passivedevice）工作時不需要外部能量源（SourceEnergy）的器件。電阻、電有源器件（ActiveDevice）原理：在器件的兩個端點施加電壓，控制第三晶體管的 年月日，

晶體管的 年月日下午。”作為 1948年，肖克萊發(fā)明了“結(jié)型晶體管” 》只用了8個句子的篇幅，簡短地公開了貝爾發(fā)明晶體管的消息。“一石激起千層浪”，它就像顆，在全世界電子行業(yè)“”出強烈1954年，貝爾使用800體管計算機器件型號命名（五個部分意義如下：CP三PPCP型第三部分：用漢語拼音字母表示半導(dǎo)體器件的內(nèi)型。P-普通管、V-管、W-穩(wěn)壓管、C-參量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼頻小功率管（f＞3MHz,Pc＜1W)、D-低頻大功率管、A-高頻大功率管（f＞3MHz,Pc＞1W)、T-半導(dǎo)體晶閘管（）、Y-體效應(yīng)器件、B-雪崩管、J-階躍恢復(fù)管、CS-場效應(yīng)管、BT-體特殊器件、FH-復(fù)合管、PIN-PIN型管、JG-第四部分：用數(shù)字第五部分：用漢語拼音字二 半導(dǎo)體分立器件型號命名方生產(chǎn)的半導(dǎo)體分五個部分，其各部分第一部分：用數(shù)字表示器件有效電極數(shù)目或類型。 第四部分：用數(shù)字表示在電子工業(yè)JEIA登記的順序號。以上的整數(shù)-從“11”開始，表示在電子工業(yè)JEIA登記的第五部分：用字母表示同一型號的改進型產(chǎn)品標(biāo)志。A、B、C、D、、F表示這一器件是原三 半導(dǎo)體分立器件型號命名方電子工 半導(dǎo)體分立器件命名方法如下第一部分：用符號表示器件用途的類型。JAN-軍級、JANTX-特軍級JANTXV-超特軍級、JANS-宇航級、（無）- 品第二部分：用數(shù)字表示pn結(jié)數(shù)目。1-二極管、2=三極管、3-三個pn器件、n-n個pn結(jié)器 第四部分 電子工 登記順序號。多位數(shù)字-該器件 子工 登記的順序號第五部分：用字母表示器件分檔。A、B、C、D、┄┄-不同檔別 際電子半導(dǎo)體器件型號Eg=0.6～1.0eV如鍺、B-器件使用材料的Eg=1.0～1.3eV如硅、C-器件使用材料的Eg>1.3eV如砷化鎵、D-器件使用材料的Eg＜0.6eV如銻化銦、E-器件使用復(fù)合材料及光第二部分：用字母表示器件的類型及主要特征。A-檢波開關(guān)混頻二CE隧道K-PR、T-大功率晶閘管、U-大功率開關(guān)管、X-倍增二極管、Y-Z-穩(wěn)壓二極管第三部分：用數(shù)字或字母加數(shù)字表示登記號。表示第四部分：用字母對同一類型號器件進行分檔。A、B、C、DE┄┄-表示同一型號的器件按某一參數(shù)進行分檔的標(biāo)志除四個基本部分外，有時還加后綴，以區(qū)別特性或進一步分類。后綴如下BE，表示標(biāo)稱穩(wěn)定電壓的整數(shù)數(shù)值；后綴的第三部分是字母V數(shù)點，字母V之后的數(shù)字2、整流二極管后綴是位是伏特3、晶閘管型號的后綴最大反向關(guān)斷電壓中雙極型晶體管的工3.1雙極型均勻基區(qū)：少子擴散—緩變基區(qū)：擴散+漂移—合金晶體平面擴散晶雙極型晶體管的工作Le2=4Dete,De磷擴散系數(shù)，teLb2=4Dbtb,Db硼擴散系數(shù)，tb3.1雙極型晶體管的集成電路中的常規(guī)npn雙極型晶體管的氧化 的npn管橫截面雙極型晶體管的基本工作原發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的典型摻雜濃度為1019，1017，1015cm-BJT是非對稱器雙極型晶體管的.1基本工作原希望盡可能多的電子能到達集電區(qū)而不和基區(qū)中的多子空穴基本工作原3.1雙極型晶體管的晶體管電流的簡化表偏置在正向有源模式下的npn的少子分布3.1雙極型晶體管的晶體管電流的簡化表3.1晶體管電流的簡化表基極電流一是iE2exp(VBE/Vt)，記為iBa；另一是基區(qū)多子空穴的復(fù)合流iBb,依賴于少子電子的數(shù)量，也正比于exp(VBE/Vt)。故基極電流正比于exp(VBE/Vt)。工作四種工作模式當(dāng)VCC足夠大，VR飽和時集電極電流不受控于雙極晶體管放大雙極晶體管和其他元可以實現(xiàn)電壓放大和電流放

PE(xnB(x)Pc(x少子正向有源少子—均勻基區(qū)晶體管（以npn為例e,b,c三個區(qū)均勻摻雜，e,c結(jié)突e,c區(qū)長度＞＞少子L，少子濃度布（Xm＜＜少子L，忽略勢壘復(fù)合及滿足小注入條不考慮基區(qū)表面復(fù)少子 x x nBxBx)BnB(xB)nB(xxB)nB00少子分基區(qū)電子（少子）濃度分LnBLnBB0 BBn(0)n(x0)B0BBnx)B2d xDxBnBxnB0e1xxB3.2少子分pcpcx" x" 'ppeex x'EE3.2少子其他工作3.2少子二緩變基區(qū)晶體管（以npn為例PqPqE pdPbEbx pdp dNbb Nbb少子分 dNAB(x)

dNDB(x)( NAB

NDB NAB NAB(WB

N(x)N

B B少子nn(x)Jnbb NWbNb x B BWB0NB ExE0NE CxCxNCB少子分D基區(qū)渡越2IC IC 低頻共基極電流有用的因JnE基區(qū)中x=0少子電子擴散電流；Jnc基區(qū)中x=xB少子電子擴散電流;JRB流入基區(qū)中 低頻共基極電流有用的因JC JnEJR低頻共基極電流有用的因低頻共基極電流二、均勻基區(qū)晶體管的直流電流JJeJneJneJ11JJne1pE0DEnB0DB1tanh(tanh(/LB/LE11NBDENEDB J TJ1 JnEJnEJneJRJne11Jr0exp(eVBE exBniexp(eVBE)Rr0exp(eVBE /Lexp(eVBE)SBBBexp(eVBE隨著VBE的增加，復(fù)合電流所占比例低頻共基極電流對線性基區(qū),輸運系數(shù) N(0)xB

x1 xx x 對基區(qū)雜質(zhì)指數(shù)分

2x *1 x 低頻共基極電流電流增益的數(shù)學(xué)表一、晶體管的三種連接方式及電流放大方塊電阻代表一個正方形薄層材料的電阻，記為R口對于均勻材 LW qNW對于厚度方向（x方向）上不均勻的材料口 口q

WN(W (x) (x)b(x)1b N1Wb1WbRb0q N(x)dxb1Wb1WbRb0q N(x)dxb0 e0W1Ne(x)dxe所 1 1eq0WNee飽和壓降基極非理想增益隨集電極電流非均勻性變基區(qū)寬變基區(qū)有效寬度隨集電結(jié)偏壓而變化的現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度 集電極擴散電容：基區(qū)過剩載流子隨VCB的增大而減小，形成附電容效非理想厄爾利電壓VA：反映了基區(qū)影

g0 V ICg0(VCEVA上式表明集電極電流是C-E或C-B結(jié)壓的函數(shù)。例VA典型值：100-

QB

ACCTC AEAC非理想3.4.2大注入效High1.大注入：隨著VBE電壓的增大，注入基區(qū)的少子濃度接近或超過基區(qū)原平衡有效基區(qū)擴展效應(yīng)隨著IC電流的增大有效基區(qū)寬度增大，導(dǎo)致增益下有效基區(qū)擴展效應(yīng)兩種解釋：1.強場；2.弱場：電中性N-區(qū)上的歐姆壓降隨電流增加而增大，使集電結(jié)由反偏轉(zhuǎn)為零度增加，電場斜率增大，N-區(qū)則減小，由于VBC=C電場分布為梯形分布，再增加電流，N- 防止出現(xiàn)基區(qū)展寬效應(yīng)的Kirkvs重摻雜發(fā)射區(qū)效應(yīng)（禁帶寬度變窄非理想3.4.4發(fā)射區(qū)重摻雜效應(yīng)（發(fā)射區(qū)禁帶變窄 E'EgEg

N

1017

EnEn N2giiD (meV n2n2exp(Eg nii

N

(x)

2NDEnn ngi2i DpE

n n i exp(

NE NE 例：發(fā)射區(qū)摻雜濃度 增加 ，熱平衡少子濃實際增加為1.5倍，而非下降為十分之非理想3.4.4電流集邊(又稱基極電阻自偏壓效應(yīng))非理想3.4.6體Breakdown

BVceo：基極開路時e,b間所2.擊穿機制：基區(qū)穿通(punch-through)

pt e e

NBNC

B忽略

eW

NBNCNB

非理想雪崩擊設(shè)E極開路時反偏電流ICBO,設(shè)B極開路時反偏電流當(dāng)測量BO時，結(jié)反偏，通過O，從區(qū)進E結(jié)產(chǎn)生O，從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子流是其主要成分。電子越過基OICEOICEO

1

IMI1M,MIMI1M,MM倍增因子，當(dāng)測量BVCBO時，擊穿條件MICBOMM11 /nn1n3.4理想BVBVCE0BVCERBVCES3.5效電路EI=等效電路E-M型（Ebers-：IES是C結(jié)短路，E結(jié)：IES是C結(jié)短路，E結(jié)的反向飽和αF共基極正向電流增益：E結(jié)正偏，CVBE VBC

反向晶3.5效電路同理，對反向晶

ICSICS是E結(jié)短路，C結(jié)的反向飽和電3.5效電路3.5效電路3.5效電路實際器件中一般 R，故有ICSIES互易定理的本質(zhì)是：eb結(jié)與cb結(jié)有共同部分（基區(qū)），無論哪個結(jié)路，另一個結(jié)的反向舉例：飽和工作模式3.5效電路G-P模型(Gummel-與E-M比考 GP模型對EM模型在以下幾方面作了改直流特性：反映了集電結(jié)上電壓的變化引起有效基區(qū)寬度變化區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，改善了輸射極電流放大倍數(shù)β隨電流和電壓的變化交流特性：考慮了正向渡越時間τF隨集電極電流IC的變化，解決考慮了大注入效考慮了模型參數(shù)和溫度的關(guān)根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同，考慮了外延層電 引的準(zhǔn)飽和效3.5效電路3.5.2G-P非均勻基區(qū)考慮自建電場后，小注入 eu eun(x)EeDnnndn(xdx數(shù)，基區(qū)多子電荷總數(shù)對發(fā)射區(qū)同樣分空穴電流密3.5效電路模3.5.3H-P C’BErb例題10.11頻率上e：E-B結(jié)電容充電時間；b：基區(qū)渡越時d：集電結(jié)耗盡區(qū)渡越時間；c

bd pr' p

r k eer’：發(fā)射結(jié)電阻或稱擴散eCp：基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間

I頻率上

2xb xb：基區(qū)渡越時間,與擴散電容C有關(guān)，可從電流、速度表達式推出,基區(qū)晶體nWb(1m)bbb1,2WD(1mb1eP.94m0..20.09n1mbb2x B 12,3.523,m0.4, 5Dnb,bW2bb52dxdsdxds

crcCCs 由于采用外延結(jié)構(gòu)rc通?？梢杂行Ы档停沟眉姌O延遲時間減小參考資料分頻率上 ①α截止頻率 定義為α由低頻值0

所對應(yīng)的頻率②β截止頻f：定義為β由低頻

所對應(yīng)的頻率 ③特征頻率 ：β＝1所對應(yīng)的工作頻率（電流放大最高工作頻 20lg20lg20lgf,ff,f放大系數(shù)下降了320lg 2fT20lg 2fT頻率上3.6.2

fff

fT（β

數(shù)變化KPP0P好處：可以在較低頻率下測出fTKPP0P

1j

1jf f

T T

1j0 f

101

1f fT

1 1

頻率上

Wb(1 ee③τd，τc較τe，τb,但高頻管若采取措施降低了τe，τb,則應(yīng)認真對待此二延遲時間頻率上3.6.4.提高fT的措

fT的因素和提

fT①減薄基區(qū)寬度Wb,可采用②降低基區(qū)摻雜濃度Nb以提高Dnb;適當(dāng)提高基區(qū)雜質(zhì)濃度梯度,定的基區(qū)自建電xmc及③減小結(jié)面積Ae,Ac,以減xmc及④減小集電區(qū)電阻及厚度,采用外延結(jié)構(gòu),以減 做好Al電極歐姆接 注意管殼的設(shè)計及選擇,以減小雜散電 在結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同時,npn管較pnp管有較高的大；隨著IC的增大te,tc所占比大信號大信號開關(guān)特射結(jié)空間電荷區(qū)變窄，離化施主和受主被中和3.73.7大信號開接近截止態(tài)上升到飽和態(tài)。這段時間內(nèi)，有的 臨界飽和電流增益S：VBE>0,VBC=0S=通過判斷IC/IBS提高開關(guān)速度的提高特征合理控制飽和大信號開肖特基鉗位晶為減小時間，提高晶體管轉(zhuǎn)換速度的一種常用的方法大信號開管從基區(qū)中分流走了，因此在基區(qū)和集電區(qū)中的過剩少子了，于是時間大大減小了—在肖特基晶體管中，時間其它的雙極晶體管其它的雙極晶體管多晶硅發(fā)射區(qū)雙極晶體如圖所示，p型基區(qū)和n型多晶硅之間有一層非常薄的n＋一般制作高摻雜、薄由于空穴從基區(qū)注入致空穴電流增大，發(fā)晶硅。其寬度遠小于擴散長度，少子呈線性此在發(fā)射區(qū)邊緣少子濃度梯度下降了，空穴其它的雙極SiGe基區(qū)晶體鍺的禁帶寬（～0.67eV）度遠比硅（～1.12eV）的硅中，那么同純硅相i(Sie)集電結(jié)反偏100mev，集電極電流和增益增大約4禁帶縮小100mev，厄爾利電壓增大，約12電子分布導(dǎo)致內(nèi)建電小，禁帶縮小100mev，基區(qū)渡越時間減小2.5總之：增益其它的雙極晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶其它的雙極晶體管其它的雙極晶體管砷化鎵的一個缺點是少子較小。小不會影響窄基總總—需要考慮的幾個非理2.大注入效應(yīng)使得集3.發(fā)射區(qū)禁帶變窄效4.電流集邊效應(yīng)使得5.基區(qū)非均勻摻雜在6.兩種擊穿機理—總數(shù)是電荷時間，它反映了晶體管由飽和轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟腉LOSSARYOFIMPORTANTalphacutofffrequencyThefrequencyatwhichthemagnitudeofthecommon-basecurrentis？ofitslow-frequencyvalue;alsoequaltothecutoffbandgapnarrowingThereductionintheforbiddenenergybandgapwithhighemitterdo basetransittimeThetimethatittakesaminoritycarriertocrosstheneutralbaseregion.basetransportfactorThefactorinthecommon-basecurrentgainthataccountsfor binationintheneutralbasewidth.basewidthmodulationThechangeintheneutralbasewidthwithC–EorC–Bvoltage.betacutofffrequencyThefrequencyatwhichthemagnitudeofthecommon-emittercurrentgainis？ofitslow-frequencyvalue.collectorcapacitancechargingtimeThetimeconstantthatdescribesthetimerequiredfortheB–Candcollector–substratespacechargewidthstochangewithachangeinemittercurrent.collectordepletionregiontransittimeThetimethatittakesacarriertobesweptacrosstheB–Cspacechargemon-basecurrentgainTheratioofcollectorcurrenttoemittercommon-emittercurrentgainTheratioofcollectorcurrenttobasecurrentcrowdingThenonuniformcurrentdensityacrosstheemitterjunctionareacreatedbyalateralvoltagedropinthebaseregionduetoafinitebasecurrentandbase cutoffThebiasconditioninwhichzero-orreverse-biasedvoltagesareappliedtobothtransistorjunctions,resultinginzerotransistorcurrents.cutofffrequencyThef