双极性晶体管讲义-PPT资料130页

Bipolarjunctiontransisitor(BJT)第三章双极晶体管第三章双极晶体管3.1双极晶体管的工作原理3.2少子的分布与直流特性3.3低频共基极电流增益3.4非理想效应3.5等效电路模型3.6频率特性3.7大信号开关特性3.8其他的双极晶体管结构无源器件（passivedevice）：工作时不需要外部能量源（SourceEnergy）的器件。电阻、电容、电感、二极管。有源器件（ActiveDevice）：工作时需要外部能量源的器件，该器件至少有一个输出，并且是输入信号的一个函数。如：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管…原理：在器件的两个端点施加电压，控制第三端的电流晶体管的诞生1947年12月23日，美国物理学家肖克莱（W·Shockley）和布拉顿和巴丁在著名的贝尔实验室向人们展示了第一个半导体电子增幅器，即最初的晶体管。获得了1956年若贝尔物理学奖金第一支晶体管表面积2cm2，相当于现在十亿个晶体管晶体管的诞生1947年的圣诞前某一天，贝尔实验室中，布拉顿平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40……实验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克莱在这本笔记上郑重地签了名。1948年，肖克莱发明了“结型晶体管”。1948年7月1日，美国《纽约时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机TRADIC3.1双极型晶体管的工作原理3.1双极型晶体管的工作原理均匀基区：少子扩散—扩散晶体管缓变基区：扩散+漂移—漂移晶体管合金晶体管：铟球+N型鍺+铟球，熔化-冷却-析出形成再结晶层，PNP,分布均匀平面扩散晶体管•发射区，基区杂质分布非均匀•发射结近似为突变结•集电结为缓变结3.1双极型晶体管的工作原理N=ND-NA硼B、磷P分别采用预淀积、再分布两步扩散形成高斯分布。N=NSeexp(-x2/Le2)-Nsbexp(-x2/Lb2)+NCLe2=4Dete,De磷扩散系数，te扩散时间Lb2=4Dbtb,Db硼扩散系数，tb扩散时间NSe磷表面浓度，NSb硼表面浓度集成电路中的常规npn管3.1双极型晶体管的工作原理3.1双极型晶体管的工作原理氧化物隔离的npn管横截面图3.1双极型晶体管的工作原理3.1.1基本工作原理发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度为1019，1017，1015cm-3BJT是非对称器件3.1.1基本工作原理3.1双极型晶体管的工作原理希望尽可能多的电子能到达集电区而不和基区中的多子空穴复合3.1.1基本工作原理偏置在正向有源模式下的npn的少子分布图3.1双极型晶体管的工作原理3.1.2晶体管电流的简化表达式理想情况，由于没有复合，少子浓度线性。3.1双极型晶体管的工作原理3.1.2晶体管电流的简化表达式集电极电流：假定：基区电子线性分布集电极电流为扩散电流结论：集电极电流由基极和发射极之间的电压控制，这就是晶体管的工作原理发射极电流：一是由从发射区注入到基区的电子电流形成的（iE1）；二是由基区的多子空穴越过B-E结注入到发射区（iE2）,它也是正偏电流，表达形式同iE13.1双极型晶体管的工作原理3.1.2晶体管电流的简化表达式基极电流:一是iE2，该电流正比于exp(VBE/Vt)，记为iBa；另一是基区多子空穴的复合流iBb,依赖于少子电子的数量，也正比于exp(VBE/Vt)。故基极电流正比于exp(VBE/Vt)。3.1双极型晶体管的工作原理3.1.3工作模式pn结电压大于0，正偏；反之反偏四种工作模式(npn)：正向有源：Vbe0，Vbc0饱和：Vbe0，Vbc0反向有源：Vbe0，Vbc0截止：Vbe0，Vbc0VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE当VCC足够大，VR较小时，VCB0此时正向有源。IC增大，VR增大，VCB减小，C结零偏准饱和，C结反偏饱和饱和时集电极电流不受控于VBE！3.1双极型晶体管的工作原理3.1双极型晶体管的工作原理3.1.3双极晶体管放大电路双极晶体管和其他元件相连，可以实现电压放大和电流放大3.2少子分布对于正向有源工作npn器件，如何计算电流？晶体管电流少子扩散电流少子分布？本书重要符号:NE,NB,NC发射区、基区、集电区的掺杂浓度xE,XB,xC电中性发射区、基区、集电区的宽度DE,DB,DC发射区、基区、集电区的少子扩散系数LE,LB,LC发射区、基区、集电区的少子扩散长度Pe0发射区热平衡少子空穴浓度Nb0基区热平衡少子电子浓度Pc0集电区热平衡少子空穴浓度3.2.1正向有源模式3.2少子分布一均匀基区晶体管（以npn为例）假设：（采用一维理想模型）e,b,c三个区均匀掺杂，e,c结突变e,c结为平行平面结，其面积相同，电流垂直结平面外电压全降在空电区，势垒区外无电场，故无漂移电流e,c区长度＞＞少子L，少子浓度为指数分布（随x）Xm＜＜少子L，忽略势垒复合及产生满足小注入条件不考虑基区表面复合3.2少子分布3.2少子分布1.基区电子（少子）浓度分布解当时，式10.15b简化,0,bnbccWLVVKTq01BEqVkTbbBxnxnex20020()0bbbbBBdnxnnxnDdx3.2少子分布'''001BEqVkTeeeEeEppxpexxxxxpcpcBCLxcLxkTqVcccepeeppxp0001•发射区空穴浓度分布•集电区空穴浓度分布同理可以得到3.2少子分布其他工作模式的少子分布？截止区饱和区反向有源3.2.2其他工作模式3.2少子分布2.电流密度分布（假设③，势垒区外无电场，只考虑扩散电流）基区电子扩散电流令X=0，得通过发射结电子电流为X=Wb，得到达集电结电子电流为0(1)()()()ebqVkTbnbbnbnbnbnbbnbWxxechchqDnLLJxLshWL0(0)(1)cscebqVkTnbbbbnbnbnbnbqDnWWJecthhLLL0()(1)cscebqVkTnbbbbnbbnbnbnbqDnWWJWehcthLLLdxxdnqDxJbnbnb发射区空穴电流密度分布当，则近似有集电区空穴电流密度10()()()(1)peebxxLpeeqVkTepepepeqDpdpxJxqDeedxL40()()pcxxLpccpcpcqDpJxeLpeeLWpebeLxxkTqVeepepeeeWPqDJ1103.2少子分布3.晶体管直流电流-电压基本方程E极总电流=电子电流+空穴电流令得(0)enbAJ1()cpeAJxecAAA000csc(1)ebpccqVkTnbbbnbbbCnbnbnbnbpcqDpqDnWqDnWIAhecthLLLLLC极总电流=C区电子电流+空穴电流（忽略c结势垒产生电流）000(1)cscebpeeqVkTnbbbnbbbEnbnbpenbnbqDpqDnWqDnWIActhehLLLLL3.2少子分布二缓变基区晶体管（以npn为例）1.缓变基区中的自建电场0bbpbpdPPqEqDdx()()11()()bbbbbdpxdNxkTkTExqpxdxqNxdx3.2少子分布3.2少子分布dxxdNxNqKTABABBB)()(1dxxdNxNqKTDBDBBB)()(1)()0(lnBABABWNN基区杂质指数分布BJT的基区漂移系数2.非平衡少子分布及电流密度从输运方程开始求非平衡少子密度NPB(X)利用边界条件求出jnB3.2少子分布A.基区电子分布()()()bWnbbbxnbbJnxNxdxqDNx()(0)bxWbbNxNe(0)ln()bbbNNW()bxnx()bdnxdx扩散电流增加，漂移电流减少，但二者之和不变。•对不同η(η=0为均匀基区）做基区电子归一化浓度分布曲线如图由图可见：当η较大时，随着•基区杂质指数分布其中为电场因子→3.2少子分布()1()()eeedNxkTExqNxdx()()()expeeeWpeeJpxNxdxqDNx发射区自建电场与基区处理类似•有B.发射区空穴分布对一般平面管，发射区有杂质梯度0000eebWeepepekTqVeedxxNNqDJepp3.2少子分布C.集电区杂质是均匀分布的，其中少子分布与均匀基区晶体管相同。图2-15给出了一个实际外延平面晶体管在不同工作电压下杂质分布及电场分布的计算结果。3.2少子分布3.2少子分布D.基区渡越时间BBCBBFDnBWIQ2'2三重掺杂发射区禁带宽度变窄有效掺杂浓度下降)(5.010ln10ln92/121717meVNNEg)()('22xNnnxNDEieiDE)exp(22KTEgnniie3.2少子分布3.3低频共基极电流增益3.3.1有用的因素3.3低频共基极电流增益3.3.1有用的因素3.3低频共基极电流增益3.3.1有用的因素定义3.3低频共基极电流增益3.3.1有用的因素一、晶体管的三种连接方式及电流放大系数3.3低频共基极电流增益3.3.2电流增益的数学表达式(a)共基极接法α＜1并接近1(一般为0.95~0.995)晶体管中的复合作用是不可避免的故：α＜1说明共基接法无电流放大作用，但有电压(功率)放大作用ncneeIII输入输出电压V功率PeErIeErI2LCRILCRI2)0()()0(*000nBBnBNEnBECIWIIIII3.3低频共基极电流增益（b）共发射极接法共发射极短路电流放大系数0000111BCII0•远大于1，一般在20~200之间3.3低频共基极电流增益（c）共集电极接法电流放大系数间的关系以及000000,11,113.3低频共基极电流增益二、均匀基区晶体管的直流电流增益发射效率（注入效率）基区输运系数111111neneebeenepepenebpebJJWRJJJJJLR22*2110nbbnernernenbbnbnencLWIIIIIJWJJJ3.3低频共基极电流增益直流电流增益忽略二阶小量由得2*021121bebnbbpeWWLL2022211212ebbebbbpenbbpenb0000111122012ebbbpenbWWLL3.3低频共基极电流增益三、电流放大系数与材料结构参数关系A.发射效率0011()11()beWpepebnenbeWJDNxdxJDNxdx11ebRR与均匀基区形式相同证明分母第二项