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1、1,微电子器件与IC设计,第 3 章 双极晶体管Bipolar Junction Transistor-BJT,2,第 3 章 双极型晶体管,3.1 结构 3.2 放大原理 3.3 电流增益3.4 特性参数3.5 直流伏安特性3.6 开关特性3.7 小结,3,3.1 晶体管的基本结构及杂质分布,晶体管的基本结构由两个靠得很近的背靠背的PN结构成,NPN,c,b,e,PNP,4,3.1 晶体管的基本结构及杂质分布,3.1.2 BJT的杂质分布1.锗合金管-均匀基区晶体管特点：三个区杂质均匀分布2结为突变结2.硅平面管-缓变基区晶体管特点：E、B区杂质非均匀分布2结为缓变结,5,6,7,3.1 晶
2、体管的基本结构及杂质分布,“背靠背”的2个二极管有放大作用吗？npn晶体放大的机理是：发射区注入基区的电子绝大部分被集电区收集成为集电极电流（发射结正偏，集电结）1.若基区宽度较大，WbLnb，则注入到基区的电子（少子）在到达集电区前就已经复合掉了，使大的正向电流只在左边pn结中存在，右边pn结反偏，电流很小，两pn结互不相干，没有放大作用。,2.发射结正偏时，发射区向基区注入电子的同时，基区也向发射区注入空穴-由基极电流提供，但此电流不能形成集电极电流，对放大作用没有贡献。故需要让发射区注入的电子比基区注入的空穴多得多，即要求掺杂浓度的控制。、结构特点（1）基区宽度远小于基区少子扩散长度(W
3、B NB),8,9,NPN晶体管的几种组态,共基极共射极共集电极,3.2 晶体管的放大原理,10,、晶体管中载流子的传输,以共基极为例：1、发射结的注入2、基区的输运与复合3、集电极的收集,11,各区少子分布,能带图,12,NPN晶体管的电流转换,Ine:发射结正向注入电子电流 Ipe:发射结反向注入空穴电流 Irb:基区复合电流 Inc:集电结电子电流Icbo:集电结反向饱和电流,13,、发射效率及基区输运系数,1、发射效率0,从发射结注入的电流有电子电流和空穴电流，即Ine和Ipe，但只有正向注入的Ine中的大部分能达到集电区，构成IC的主要部分，它显然对放大有贡献。因此从电流的传输和放大
4、来看，Ine越大越好，Ipe越小越好。为了表示有效注入电流在总的发射电流中所占的比例,14,15,2、基区输运系数*3、集电区倍增因子,为了说明传输过程中效率的高低,16,1.共基极直流电流放大系数 2.共射极直流电流放大系数,、晶体管电流放大系数,晶体管共基极电流没有电流放大作用，但可有电压及功率放大作用。共射极电路既可作为电流放大，也可作为电压放大及功率放大。,17,18,晶体管放大三要素：,WbLnb，实现不衰减的电流传输。,发射结为单边结，NENB。,发射结正向偏置，集电结反向偏置。,19,3.3 晶体管的直流电流增益,任务：导出0、0的定量关系式,20,3.3.1 均匀基区晶体管的电
5、流增益均匀基区晶体管直流电流增益推导思路A、对发射区、基区、集电区分别建立扩散方程B、利用波尔兹曼分布关系建立边界条件C、解扩散方程得到各区少子分布函数D、利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数E、由电流密度分布函数得到jne,jnc,jpe。F、求出发射效率和输运系数G、得到共基极和共射极电流放大系数,21,以共基极连接为例，采用一维理想模型发射结正向偏置，集电结反向偏置,22,坐标：,We,0,Wb,Wc,xe,xc,23,一、少数载流子分布（1）基区“少子”电子密度分布,24,3.3 晶体管的直流电流增益,一、少数载流子分布（2）发射区少数载流子分布,25,3.3 晶体管的直流电流增益
6、,一、少数载流子分布（3）、集电区少数载流子分布,26,3.3 晶体管的直流电流增益,二、电流密度分布函数,27,3.3 晶体管的直流电流增益,28,3.3 晶体管的直流电流增益,We,Wb,Wc,xe,xc,29,3.3 晶体管的直流电流增益,三、直流电流增益1.发射效率0,2.基区输运系数*,30,3.3 晶体管的直流电流增益,3、共基极电流增益,或者,31,4、共射极电流增益,32,3.3 晶体管的直流电流增益,3.3.2 缓变基区晶体管的电流增益一、缓变基区晶体管基区自建电场,33,3.3 晶体管的直流电流增益,（1）基区自建电场计算公式（2）基区杂质分布指数近似,34,二、发射区自建
7、电场,35,3.3 晶体管的直流电流增益,三、缓变基区晶体管电流增益推导思路A、先忽略基区中少子复合。B、利用：“电流 少子扩散电流在自建电场作用下的漂移电流”关系，得到基区和发射区少子密度分布函数,基区少子分布：,(3.3.46),当基区杂质指数分布时,(3.3.47),36,缓变基区晶体管基区非平衡少子为非线性分布，且与有关。越大，基区杂质分布越陡峭，自建电场越大，对载流子的漂移作用越强，故少子分布越平坦，少子浓度梯度越小；说明漂移电流所占比例越大，扩散电流则越小，只在靠近集电结处扩散电流所占比例才大。,37,根据(3.3.46)，利用,类似可得到,38,3.3 晶体管的直流电流增益,C、
8、利用 把(3.3.47)代入得到基区复合电流,39,D、引入平均杂质浓度的概念求出 jne 和 jpe，得到发射效率E、得到共基极和共射极 电流放大系数,40,3.3 晶体管的直流电流增益,四、电流增益（1）发射效率,41,3.3 晶体管的直流电流增益,（2）输运系数,均匀基区晶体管：=2基区杂质线性分布：=4基区杂质指数近似：,42,3.3 晶体管的直流电流增益,（3）共基极电流增益,（4）共射极电流增益,发射效率与均匀基区形式相同,43,3.3 晶体管的直流电流增益,提高放大系数的途径1、减小基区宽度（基区少子浓度梯度大，且复合损失小）2、提高发射区的杂质浓度与基区杂质浓度比NE/NB（N
9、E有上限，NB也不能太低）3、提高基区电场因子4、提高基区“少子”寿命,44,影响电流放大系数的因素,1.发射结势垒复合对电流放大系数的影响,45,2.发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响,发射区过重的掺杂不仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低1）形成杂质带尾，禁带变窄,发射区有效杂质浓度降低为:,发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。,46,2）俄歇复合,发射区少子空穴寿命 随着俄歇复合寿命 而。,俄歇复合,通过复合中心复合,少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率。,47,多激子产生效应,俄歇复合及禁带变窄效应的影响与发射结结深有关。,48,表面复合对基区输运系数的影响可表
10、示为,对均匀基区,对缓变基区,S为表面复合速率,体复合,表面复合,3.基区表面复合,49,共射极输出特性曲线上 VBC 0 点的切线与 VCE 轴负方向交于一点，该点电压称为Early电压，,基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度调变效应（厄尔利效应）,4.基区宽变效应,有宽变效应的电流放大系数：,随外加电压变化，电流放大系数会随之变化，降低放大性能的线性度，致使信号失真。,50,3.4 晶体管的特性参数,3.4.1 晶体管的放大系数,共基极直流放大系数和交流放大系数0、,两者的关系,共发射极直流放大系数交流放大系数0、,51,3.4.2 晶体管的反向电流,一、定义 晶体管某二个电极
11、间加反向电压，另一电极开路时流过管中的电流称其反向电流。1、IEBO：集电极极开路，发射极与基极间反偏，流过发射结的电流。2、ICBO：发射极开路，集电极和基极间反偏，流过集电结的电流。3、ICEO：基极开路，发射极和集电极间反偏，流过发射极和集电极的电流。,52,二、反向电流的来源实际的晶体管反向电流应包括反向扩散电流，势垒产生电流和表面漏电流。对Ge管：主要是反向扩散电流对Si管：主要是势垒产生电流，表面电流视工艺而定,共射极接法，信号放大的同时，相应的漏电流也增大了 倍,53,3.4.3 晶体管的击穿电压,1、BVebo2、BVcbo3、Bvceo,定义：某一极开路，另二极所能承受的最大
12、反向电压,4、基区穿通电压VPT,：集电极开路时e-b间反向击穿电压：发射极开路时c-b间反向击穿电压：基极开路时e-c间所能承受的最高反向电压,54,3.4.4 基极电阻,基极电流为横向电流，基区掺杂浓度低，且很薄，这个电阻不可忽略。基极电阻rb：扩展电阻，包括基区体电阻和基极电极引出线处接触电阻。,降低rb的措施是：1.减小发射区条宽、基极电极条宽，以及减小它们之间的距离与增加条长，但这会受到工艺条件的限制。2.增加发射极条数n，但会受到面积的限制。3.降低基区方块电阻，即提高基区扩散层的杂质浓度；但会降低发射效率，影响0、0，也会降低击穿电压。,55,56,3.4.5 晶体管的频率特性参
13、数,截止频率 f：共基极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值,截止频率f：,特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率,最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率,6分贝倍频程段（增减一倍，放大系数变化6dB）6分贝倍频程段 常数，这个常数就是（增益带宽积）,57,3.5 双极晶体管直流伏安特性3.5.1 均匀基区晶体管直流伏安特性,58,59,于是得到发射极电流,60,集电极电流,61,62,以上各式说明双极晶体管的端电流与其电压具有指数关系，与PN结的直流伏安特性相似；但是，晶体管是由两个相距很近的PN结构成，其端电流应与二结的结电流有关，上式也反映了晶体管的直流特性和单
14、个PN结的直流伏安特性有不同，两个结之间存在相互影响。,63,输入特性曲线,64,输出特性曲线,共基极,共射极,两种组态输出特性曲线的共同之处是：当输入电流一定时，两种组态的输出电流基本上保持不变，即输出电压的变化很微弱，只有输入电流改变时，输出电流才随之变化。因此晶体管的输出电流受输入电流控制，是一种电流控制器件。但是两组输出特性也有一些不同之处：(1)共射极输出特性中，输入电流IB较小的变化量，就会引起输出电流IC较大的变化(2)共射极输出特性曲线随输出电压的增大逐渐上升，而共基极特性曲线基本上保持水平。这是因为基区宽变效应对共射极电流增益的影响比对共基极的大得多。,65,66,(3)随着
15、输出电压的减小，共射极特性曲线在VCE下降为零之前，输出电流IC已经开始下降，而共基极特性曲线在VCB=0时还保持水平，直到VCB为负值时才开始下降。放大区：发射结正偏，集电结反偏饱和区：发射结正偏，集电结正偏，集电极电流IC基本上不受基极电流影响，仅由VCE决定截至区：发射结反偏，集电结反偏,67,3.5.2 Ebers-Moll 模型,Ebers-Moll模型是一种适用于计算机辅助设计(CAD)的表述简单的模型，它于1954年由此二人提出，适用于图2-62所示的所有工作区。,*薄基区导致两个结的相互作用，流过每个结的电流都应由两个结上的电压所决定。,68,1.E-M 方程,将双极晶体管的电
16、流看成一个正向晶体管和一个倒向晶体管叠加后各自所具有的电流并联而成,正向晶体管,倒向晶体管,69,1.E-M 方程,IES是C结短路，E结的反向饱和电流,对正向晶体管：,对比式（）,E结正偏，C结零偏正向电流增益,70,同理，对倒向晶体管,ICS是E结短路，C 结的反向饱和电流,对比式（）,C结正偏，E结零偏反向电流增益,71,由图,72,代入式（）、（）得E-M方程,等效电路见图,73,对照式（）、（）得E-M方程互易定理,实际器件中,互易定理的本质是：eb 结与cb 结有共同部分（基区），无论哪个结短路，另一个结的反向饱和电流都含有共同的基区少子扩散电流,74,2.EM1模型,式（）、（）
17、是以晶体管某一极短路时的反向饱和电流来表示端电流的EM方程；同样也可以某一极开路时的反向饱和电流 来表示EM方程,75,上式又可写为,于是得到,对 有:,-1,76,对 有,即,集电结（发射结）短路时的发射结（集电结）饱和电流等于集电结（发射结）开路时的发射结（集电结）饱和电流除以(1RF)，一般RF均小于1，IEB0,ICB0都小于IES,ICS,77,上述二式均可等效为一个电流源与一个二极管并联，如下图所示,代入式（）、（）得,78,一、晶体管的工作状态 晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定，如图可分为三个区。当晶体管处于倒向运用状态时，也同样存在以上三个区，但截止区和饱和区是一样的。只
18、注意反向放大区即可。,3.6 晶体管的开关特性,79,各工作区中结的偏置情况和电流关系,截止区：IBIEBOICBO饱和区：ViVBB+VBE时 IBIBS 时,Vcc,VBB为集电极和发射极的反向偏置电压。RL：负载电阻当VI为负脉冲或零时当VI为VBB的正脉 冲信号时,80,81,小结：饱和态晶体管的特点：,(1)饱和电流,(3)产生超量贮存电荷,82,在放大电路中，晶体管作为放大元件；但在逻辑电路中，晶体管是作为开关元件的。,二、晶体管的开关作用（以共射极电路为例）,截止区-关态 饱和区-开态,83,三、正向压降和饱和压降,如图：定义,Vbes：晶体管驱动到饱和时，be间电压降称为共射极
19、正向压降。Vces：晶体管驱动到饱和时，ce间电压降成为共射极饱和压降。,很小,集电区体电阻压降,84,四、晶体管的开关过程,1、延迟过程2、上升过程3、贮存过程4、下降过程,晶体管开关的实际波形,85,1、延迟过程2、上升过程3、贮存过程4、下降过程,86,五、开关时间1、延迟时间2、上升时间3、贮存时间4、下降时间5、开启时间6、关断时间六、开关速度的提高 ts最关键,87,3.7 小结：BJT的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高fT,高速应用,整个发射结上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压VBE与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,88,输入电容由扩散电容决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容,输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度,高跨导,89,缺点：,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷上升,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,作业：P65 3.1，3.2，3.4,
