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1、1,第二章双极型晶体管的直流特性,晶体管分类：结型晶体管 又称双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor-BJT）场效应晶体管(Field Effect Transistor-FET)又称单极型晶体管(Unipolar Devices)两者复合 如绝缘栅双极型晶体管(IGBT),2,半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号
2、,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,3,双极型三极管的参数,注：*为 f,4,主要内容,讨论双极型型晶体管的直流特性，内容包括：2.1 基本结构和杂质分布2.2 放大机理2.3 直流特性及电流增益2.4 反向电流及击穿电压2.5 直流特性曲线2.6 基极电阻2.7 等效电路模型Ebers-Moll模型,5,2.1 双极晶体管的基本结构和杂质分布,两个背靠背靠得很近的p-n结组成了双极型晶体管：,分为：npn和pnp两种类型,基区宽度远远小于少子扩散长度,1.基本结构,双极型晶体管的结构,双极型晶体管的结构示意图如图所示。它有两种类型:npn型和pnp型。两种极性的双极型晶体管,e-b间的
3、pn结称为发射结(Je),c-b间的pn结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。,7,双极型晶体管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度应远小于少子扩散长度。,8,2.杂质分布,合金管,两个p-n结都用合金法烧结而成三个区内杂质各自均匀分布发射结和集电结都是突变结,均匀基区晶
4、体管,9,2.杂质分布,合金扩散管,发射结为合金结，集电结为扩散结发射结是突变结，集电结是缓变结基区杂质分布缓变,缓变基区晶体管,10,2.杂质分布,平面管,发射结和集电结均为扩散结基区杂质分布缓变,缓变基区晶体管,11,2.杂质分布,台面管,集电结为扩散结发射结可为扩散结或合金结基区杂质分布缓变,用化学腐蚀方法制出台面，消除集电结边缘电场集中，提高反压。,12,2.2 晶体管的放大机理,1.晶体管的能带图及少子分布,2.晶体管中的电流传输过程及放大作用,载流子传输过程晶体管的三种连接方式及其电流放大系数描述电流放大系数的中间参量,13,2.2 晶体管的放大机理,1.晶体管的能带图及少子分布,
5、有效基区宽度,几何基区宽度,14,双极型晶体管放大机理,2.晶体管中的电流传输过程及放大作用,载流子传输过程：1.发射结注入 2.基区输运 3.集电结收集,晶体管的三种连接方式及其电流放大系数,共基极电流放大系数：共基极直流短路电流放大系数0 共基极短路电流放大系数,共发射极电流放大系数：共发射极直流短路电流放大系数0共发射极短路电流放大系数,两种电流放大系数之间关系：,描述电流放大系数的中间参量,发射结注入效率,基区输运系数*,集电区倍增因子*,集电结雪崩倍增因子M,忽略势垒复合，发射结正向电流中电子电流（将可能形成集电极电流）所占的比例,描述少子在基区输运过程中复合损失的程度,因高阻集电区
6、压降而形成附加的少子漂移电流使集电极电流增大,集电结势垒区中雪崩倍增效应引起集电极电流的增大,描述电流放大系数的中间参量,发射结注入效率,基区输运系数*,集电区倍增因子*,绝大多数晶体管正常工作时,集电结雪崩倍增因子M,忽略势垒复合，发射结正向电流中电子电流（将可能形成集电极电流）所占的比例,描述少子在基区输运过程中复合损失的程度,因高阻集电区压降而形成附加的少子漂移电流使集电极电流增大,集电结势垒区中雪崩倍增效应引起集电极电流的增大,2.3 晶体管的直流I-V特性及电流增益,组成(Ie，Ic)的各电流分量 V,晶体管各区中载流子随电压变化的分布函数,中间参量,电流增益表达式,(Ie，Ic)V
7、,2.3 晶体管的直流I-V特性及电流增益,20,一、均匀基区晶体管（以npn管为例）,(一)晶体管内少数载流子浓度分布函数,1.基区电子浓度分布函数,假设：1、发射区、基区和集电区中杂质均匀分布，发射结与集电结都是突变结；2、发射结与集电结为平行平面结，其面积相同，电流垂直于结平面流动；3、外加电压全部降落在p-n结空间电荷区，势垒区以外没有电场，故不会产生漂移电流；4、发射区和集电区的长度远大于少子扩散长度，少子浓度随距离按指数规律衰减；5、势垒区宽度远远小于少子扩散长度，势垒复合及势垒产生均可以忽略；6、满足小注入条件；7、不考虑基区表面复合的影响。,2.发射区和集电区内空穴浓度分布函数
8、,(二)电流密度分布函数,1.基区电子扩散电流密度,24,(二)电流密度分布函数,1.基区电子扩散电流密度,基区中电子电流密度与位置无关，近似忽略了基区输运过程的复合损失,同理可由Pc(x)求得集电区及其边界处(x4)的空穴电流密度：,2.发射区空穴电流密度分布,26,（三）直流电流电压基本方程,忽略发射结势垒复合电流忽略集电结势垒产生电流电流密度乘以结面积A(Ae=Ac)总电流等于电子电流与空穴电流之和,27,均匀基区晶体管直流电流电压方程,28,（四）均匀基区晶体管的直流电流增益,1.发射效率,29,（四）均匀基区晶体管的直流电流增益,1.发射效率,提高发射效率的主要措施是提高发射区对基区
9、的杂质浓度之比！,30,（四）均匀基区晶体管的直流电流增益,2.基区输运系数,展开取二次幂,3.直流电流增益,（四）均匀基区晶体管的直流电流增益,32,二、缓变基区晶体管（以npn管为例）,(一)缓变基区中的自建电场,(二)缓变基区晶体管中的少子分布,(三)电流放大系数与材料、结构参数的关系,33,二、缓变基区晶体管（以npn管为例）,(一)缓变基区中的自建电场,加速场加速区阻滞场阻滞区,34,二、缓变基区晶体管（以npn管为例）,(一)缓变基区中的自建电场,在扩散基区中，杂质分布以及电离产生的多子存在浓度梯度。多子在浓度梯度作用下向低浓度方向扩散，结果造成正负电荷中心分离，形成电场。该电场对
10、多子的漂移作用阻止多子的进一步扩散，从而使多子达到漂移和扩散的动态平衡，形成稳定的分布。这种因基区杂质浓度分布不均匀（缓变）而自发地建立起来的电场，称为缓变基区自建电场。该电场的存在使基区中各处的电位不再相等，基区能带发生弯曲。使基区少子在扩散的基础上叠加漂移运动。,35,(二)缓变基区晶体管中的少子分布,1.基区中的电子分布,基区电子的运动由扩散和漂移两部分合成,代入缓变基区自建电场并利用爱因斯坦关系,两边同乘以Nb(x)后积分,基区很薄，复合很小近似流过基区的电子电流密度不变,Jnb与x无关的假设下，基区杂质任意分布时，基区少子分布的普遍解,在一定的注入电流密度下，任一 x处电子密度与该处
11、至Wb间单位截面内的杂质总量成正比，与该处的杂质浓度成反比。,37,(二)缓变基区晶体管中的少子分布,2.发射区与集电区中的空穴分布,集电区杂质一般是均匀分布，与均匀基区晶体管情况相同。,38,39,VBC=-1V时的载流子分布,40,VBC=-10V时的载流子分布,41,VBC=-1V时的载流子分布,VBC=-10V时的载流子分布,42,43,(三)电流放大系数与材料、结构参数的关系,1.发射效率,44,缓变基区晶体管的发射效率具有与均匀基区晶体管发射效率相同的形式：发射效率项都是方块电阻之比,45,方块电阻,基区扩散层表面浓度NBS,基区表面浓度Nb(0),4、基区扩散层表面浓度,5、基区
12、平均电导,6、基区表面浓度,47,(三)电流放大系数与材料、结构参数的关系,2.基区输运系数,缓变基区自建电场的加速作用使注入少子比在均匀基区中更快地到达集电结边界，基区复合损失减少而输运系数增大。,方法1：由基区载流子分布函数，考虑在扩散基础上叠加缓变基区自建电场的漂移，求出基区电流的分布函数，进而求取基区两边界处的电流，得到基区输运系数。,方法2：计算基区中积累少子的总电荷，近似以平均寿命计算基区复合电流，求出体复合项，得到基区输运系数。,48,(三)电流放大系数与材料、结构参数的关系,2.基区输运系数,1、在缓变基区自建电场作用下，载流子分布趋于均匀，用平均寿命更接近实际情况。2、载流子
13、分布不是绝对的均匀分布，因而存在误差，是一种近似方法。,49,(三)电流放大系数与材料、结构参数的关系,2.基区输运系数,50,(三)电流放大系数与材料、结构参数的关系,3.电流放大系数,三、影响电流放大系数的其它因素及提高电流放大系数的措施,1.发射结空间电荷区复合使发射效率下降,2.基区表面复合使基区输运系数下降,3.发射区重掺杂使发射效率下降,在一维模型中未计及基区少子流向表面并在表面复合的部分,为提高发射效率，要求发射区掺杂浓度比基区高2个数量级，但并不是发射区掺杂浓度越高越好，因为,1、随 NE增大：分立的杂质能级形成能带 大量的杂质原子破坏了晶格周期性，形成“带尾”使禁带实际宽度变
14、窄，本征载流子浓度增加，且随NE分布变化，形成附加电场，加速少子（空穴）流向发射极，增大空穴电流分量。2、随 NE增大：多子（电子）浓度增大 带间复合增加，少子寿命缩短，扩散长度减小，浓度梯度增大，电流密度增大。,52,三、影响电流放大系数的其它因素及提高电流放大系数的措施,综合上述讨论，从制管的角度可从以下几个方面设法提高电流放大系数：（1）减小基区宽度，以增加基区少子的浓度梯度，增大扩散电流，并减小基区内的复合。但要注意厄尔利效应的影响。（2）增加Lnb、Lpe，即提高材料寿命以减小复合损失。（3）增加发射区杂质浓度，使Re/Rb下降。但发射区最高掺杂受到禁带变窄效应和带间复合(俄歇复合)
15、的限制。（4）改善器件的表面状况以减小表面复合。,2.4 晶体管的反向电流及击穿电压,Iebo表示集电极开路，eb结的反向漏电流Icbo表示发射极开路，cb结的反向漏电流Iceo表示基极开路，c、e间加一定的反向偏 压（集电结反偏）时的集电极电流，这 个电流又称为穿透电流,一、晶体管的反向电流,1.定义：,2.Icbo与Iceo之间的关系,55,Icbo被认为是空穴电流，以势垒产生电流为主。实际上作为p-n结反向电流，还包括反向扩散（抽取）电流中的电子电流成分,电流放大系数应是晶体管有电流放大作用时电流之间的比值,此处的a0、b0是由晶体管中载流子输运的中间过程所计算的电流之间的比值关系，即不
16、考虑集电结漏电流及其所引起的穿透电流,好在正常情况下，漏电流很小，所引起的差别不大。,56,BVebo表示集电极开路时，e、b间的反向击穿电压BVcbo表示发射极开路时，c、b间的反向击穿电压BVceo表示基极极开路时，c、e间所承受的最高反 向（对集电结而言）电压 另外还有 BVceReb间接电阻R时，c、e间最高反向电压 BVceXeb间接电阻R并反偏时，c、e间最高反向电压 BVceSeb间短路时，c、e间最高反向电压,二、晶体管的击穿电压,1.击穿电压的定义：,57,二、晶体管的击穿电压,2.各击穿电压的影响因素及它们之间的关系,BVebo,BVcbo,BVceo,发射结反向击穿电压发
17、射区重掺杂，击穿电压主要由高阻区基区杂质浓度而定。合金管BVebo较高，与BVcbo相近；扩散管，基区表面杂质浓度高，BVebo基本上由基区表面杂质浓度决定，且往往取决于eb结的侧向击穿。,集电结反向击穿电压主要由其雪崩击穿电压决定。合金管由基区电阻率决定；平面管由集电区的掺杂浓度决定。外延平面管的外延层的厚度有时也是一个极为重要的限制。,共发射极运用时c、e之间所能承受的最大反向电压限制晶体管的最大输出功率基极开路，Vce大部分以反偏作用于集电结，因而与BVcbo关系密切,BVceo与BVcbo关系,实质上是Iceo与Icbo的关系起作用,晶体管本身的放大作用a的“正反馈作用”,60,3.势
18、垒穿通（基区穿通）影响击穿电压的因素,如果基区宽度较小或者浓度较低，集电结反偏作用使其在雪崩之前势垒区扩展到整个基区，以至与发射结势垒相连，引起集电极电流突然增大的一种机制，称之为势垒穿通。使集电结势垒穿通基区所需要的电压称为穿通电压，记作VpT。此时电流剧增不是穿通本身的作用，而是通过结的击穿引起的。,雪崩击穿,平面管的势垒穿通,62,平面管势垒的局部穿通,增加结深,浓硼保护,刻槽工艺,分压环,圆角图形,刻槽工艺,4.关于消除结电场集中的措施,增加结深,浓硼保护,分压环,圆角图形,64,2.5 晶体管的直流特性曲线介绍,一、共基极直流特性曲线族,二、共发射极直流特性曲线族,三、不正常的输出特
19、性分析,1.输入特性,2.输出特性,1.输入特性,2.输出特性,65,一、共基极直流特性曲线族,1.输入特性,1、共基极输入特性为一正向p-n结（发射结）伏安特性，Ie随Veb按指数规律上升；2、随Vcb增大，曲线变陡，即随集电结反偏增大，势垒展宽，有效基区宽度减小，基区电子浓度梯度增大，扩散加剧，电流Ie增大。,66,一、共基极直流特性曲线族,2.输出特性,输出特性曲线可以分为：,饱和区：发射结正偏，集电结正偏放大区：发射结正偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏击穿区,67,二、共发射极直流特性曲线族,1.输入特性,1、共发射极输入特性亦为一正向p-n结（发射结）伏安特性，Ib随Ve
20、b按指数规律上升。2、受Vce调制，Vce=0时，曲线过原点。3、Vce0,集电结反偏，此时若Veb=0,集电结漏电流从基极流出，Ib0，曲线不过零点4、随Vce增加，Wb减小，曲线趋于平坦。,68,二、共发射极直流特性曲线族,2.输出特性,69,输出特性曲线可以分为:,饱和区：发射结正偏，集电结正偏放大区：发射结正偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏击穿区,IC受VCE显著控制的区域，该区域内VCE的数值较小，一般VCE0.7 V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。,IC接近零的区域，相当IB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。,IC平行于VCE轴的区域，
21、曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大约0.7 V左右(硅管)。,70,三、不正常的输出特性分析,三、不正常的输出特性分析,三、不正常的输出特性分析,73,2.6 基极电阻,一、概述,二、梳状结构晶体管的基极电阻,由于基区有定的电阻率，且基区很薄，在共发射极应用时它又是输入端电阻，因而对晶体管的许多参数和特性都有直接的影响。晶体管的基极电阻又称为基极扩展电阻，包括基区的体电阻和基极电极引出线处的接触电阻两部分。基区电阻主要决定于晶体管的结构尺寸及基区电阻率。,双极晶体管的基极电极都是做在发射极边缘附近，因而基极电流是平行于结平面流动的，即基极电流为横向电流。,74,二、梳状结构
22、晶体管的基极电阻,75,二、梳状结构晶体管的基极电阻,76,二、梳状结构晶体管的基极电阻,Ib,rb1,rb2,rb3,Rcon,二、梳状结构晶体管的基极电阻,1、rb1,基极电流包括注入电流和复合电流,假设：1、注入电流在整个发射结面上均匀分布（注入）2、基区中单位体积单位时间内复合掉的空穴数相等 3、发射区宽度为有效值，即Se/2处沿流动方向空穴电流为零,二、梳状结构晶体管的基极电阻,1、rb1,等效功率法,79,二、梳状结构晶体管的基极电阻,2、rb2,此区电流均匀分布，且不变，即忽略复合，没有注入，宽度很窄与注入少子少有接触,80,二、梳状结构晶体管的基极电阻,3、rb3,与rb1情况
23、类似，截面电流随x线性变化，虽然没有复合，没有注入。,以单发射极条和双基极条计算,二、梳状结构晶体管的基极电阻,4、Rcon,Ib,基极金属电极与半导体的接触电阻。,以单发射极条和双基极条计算时，为多极条的一半。,集成电路的计算机辅助设计需要简单而精确的器件模型E-M 方程的建立，是为了用计算机来模拟BJT 的特性。目前BJT 的模型有两种：E-M 模型和G-P 模型。E-M模型是最早的将器件物理参数与终端特性相联系的数学模型模型越精确，建模就越复杂，因而要折中考虑E-M模型简单而实用，是计算机模拟的基本模型其简单形式只需3个独立参数计入串联电阻、势垒电容及厄尔利效应，参数增至9个进一步发展的
24、G-P（Gummel-Poon）模型，也称积分电荷控制模型，更为精确，但参数达25个，简化后回到E-M模型,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,E-M模型是一种非线性直流模型，未考虑器件中的电荷存储效应，为与后来的改进模型相区别，记作E-M1计及非线性电荷存储效应及欧姆电阻等，构成二级复杂程度的E-M2包括基区宽度调制、大电流下及正向渡越时间的变化、集电结电容的分布性及器件参数随温度的变化等二阶效应，构成E-M3（与G-P模型等价）E-M1基于电流-电压方程：I-V方程侧重描述结构参数与I-V关系E-M模型侧重器件终端特性，适于电路模拟，而将器件参数归纳成为模型参数从E-M模型理解
25、开路、短路饱和电流及其相互关系，进一步理解p-n结的相互作用,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,E-M 模型把晶体管看成由一个正向晶体管和一个反向晶体管叠加而成。晶体管中的两个p-n 结分别用两个二极管来代表而基区载流子的传输特性则由电流源来代替1954 年Ebers 和Moll 提出的原始型E-M 方程适用于BJT 所有的工作区简单直观，物理概念清晰BJT 是由两个背靠背的p-n 结构成的,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,定义参数：F：共基极正向电流增益，发射结正偏，集电 结零偏时的R：共基极反向电流增益，发射结零
26、偏，集电结正偏时的IEBO：集电极开路时的发射结反向饱和电流ICBO：发射极开路时的集电结反向饱和电流IES：集电极短路时的发射结反向饱和电流ICS：发射极短路时的集电结反向饱和电流,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,称为埃-莫方程的互易定理本质：晶体管eb结与cb结有共同部分基区，无论哪一个结短路，另一个反偏结的反向饱和电流都含有共同的部分基区少子扩散电流（反向抽取）。,89,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,E-M模型基本方程还可用开路饱和电流IEBO、ICBO表示,90,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,两组方程的等价性,91,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,92,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,传输型E-M方程,93,2.7埃伯尔斯莫尔（Ebers-Moll）模型,E-M模型的有关概念,94,本章小结：,
