,Company Logo,第3章 雙極結(jié)型晶體管,廖付友 阮雄飛,2,雙極結(jié)型晶體管的基本工作原理,Contents,理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸,埃伯斯-莫爾方程,緩變基區(qū)晶體管,雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)和制造工藝,3,3.1 雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)和制造工藝,4,3.1 雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)和制造工藝,1、由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成，基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度。,2、發(fā)射區(qū)為重?cái)v雜，發(fā)射結(jié)為P+N或者N+P，基區(qū)是兩個(gè)PN結(jié)的公共端。,3、 雙極晶體管的主要作用是對(duì)電流或者電壓的放大。,5,晶體管與場(chǎng)效應(yīng)晶體管的區(qū)別,晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極型器件；而場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件。 由于場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流和電壓都可以很小，且在工藝上易于集成，因此在大規(guī)模集成電路中占主導(dǎo)地位。 但是結(jié)型晶體管憑借功耗和性能方面的優(yōu)勢(shì)仍然廣泛應(yīng)用于高速計(jì)算機(jī)、火箭、衛(wèi)星以及現(xiàn)代通信領(lǐng)域中。,6,3.2 雙極結(jié)型晶體管的基本工作原理,雙極晶體管有四種工作模式，相應(yīng)地稱為四個(gè)工作區(qū),令,（1）正向有源模式：,（2） 反向有源模式：,（3）飽和模式：,（4）截止模式：,7,3.2.1 晶體管的放大作用,Diagram 1,Diagram 3,Diagram 4,共基極連接晶體管的放大作用,發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,8,3.2.1 晶體管的放大作用,Diagram 1,Diagram 3,Diagram 4,圖3-5NPN晶體管共基極能帶圖,9,3.2.1 晶體管的放大作用,Diagram 1,Diagram 3,Diagram 4,載流子的運(yùn)輸： （1）發(fā)射結(jié)正偏，由于正向注入，電子從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，空穴由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。呈現(xiàn)正向偏置的少子注入 （2）假設(shè)：基區(qū)很小。即少子在到達(dá)基區(qū)與集電區(qū)邊界時(shí)還沒(méi)有被完全復(fù)合掉。其中大部分能到達(dá)集電結(jié)，并被內(nèi)電場(chǎng)加速進(jìn)入集電結(jié)，稱為集電結(jié)電流。,(3)從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，進(jìn)入集電區(qū)的電子電流遠(yuǎn)大于集電結(jié)反偏所提供的發(fā)祥飽和電流，是集電極電流的主要成分。 (4)晶體管實(shí)現(xiàn)放大的必要條件之一：基區(qū)寬度很窄,10,3.2.2 電流分量,Diagram 1,Diagram 3,Diagram 4,從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子流,到達(dá)集電結(jié)的電子流,基區(qū)注入電子通過(guò)基區(qū)時(shí)復(fù)合引起的復(fù)合電流,從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流,發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)耗盡層內(nèi)的復(fù)合電流,集電結(jié)反向電流，它包括集電結(jié)反向飽和電流和集電結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流,11,3.2.2 電流分量,Text 1 sub text Text 2 sub text Text 3 sub text Text 4 sub text,Text 1 sub text Text 2 sub text Text 3 sub text Text 4 sub text,電流分量之間的關(guān)系,12,3.2.3 直流電流增益,Text 1 sub text Text 2 sub text Text 3 sub text Text 4 sub text,概念：電流增益、交流電流增益、直流電流增益,為描述晶體管的增益特性引進(jìn)以下物理量 發(fā)射極注射效率,的意義：從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流， 在總的發(fā)射極電流中所占的比例。,基區(qū)輸運(yùn)因子,的意義：發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流中能到達(dá)集電極的電子電流比例。,13,3.2.3 直流電流增益,Text 1 sub text Text 2 sub text Text 3 sub text Text 4 sub text,共基極直流電流增益,是基區(qū)運(yùn)輸因子和發(fā)射極注射效率的乘積。其意義是經(jīng)過(guò)發(fā)射結(jié)注入而到達(dá)集電極的電子電流在總的發(fā)射極電流中所占的百分比。應(yīng)盡量接近1。 提高電流增益的途徑是提高 和 。 3-2-7還可以寫成 上式說(shuō)明：以基極作為公共端時(shí)，輸出集電極電流與輸入發(fā)射極電流之間的關(guān)系。,（3-2-7）,14,3.2.3 直流電流增益,Text 1 sub text Text 2 sub text Text 3 sub text Text 4 sub text,當(dāng)集電結(jié)處于正向偏壓時(shí)： 上式中，當(dāng)VC為負(fù)的很大時(shí)，將還原為反向向偏置的情況。,15,3.2.3 直流電流增益,Text 1 sub text Text 2 sub text Text 3 sub text Text 4 sub text,共發(fā)射極電流增益,式中定義,共發(fā)射極直流電流增益,IB=0時(shí)，集電極發(fā)射極漏電流，也稱為穿透電流。,16,3.2.3 直流電流增益,Text 1 sub text Text 2 sub text Text 3 sub text Text 4 sub text,伏安特性曲線,集電結(jié)電流電壓特性：（a）共基極情形，（b）共發(fā)射極情形,17,3.3 理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸,理想晶體管假設(shè):,（1）各區(qū)雜質(zhì)都是均勻分布的，因此中性區(qū)不存在內(nèi)建電場(chǎng)； （2）結(jié)是理想的平面結(jié)，載流子作一維運(yùn)動(dòng)； （3）橫向尺寸遠(yuǎn)大于基區(qū)寬度，并且不考慮邊緣效應(yīng)，所以載流子運(yùn)動(dòng)是一維的； （4）基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度； （5）中性區(qū)的電導(dǎo)率足夠高，串聯(lián)電阻可以忽略，偏壓加在結(jié)空間電荷區(qū)上； （6）發(fā)射結(jié)面積和集電結(jié)面積相等； （7）小注入，等等,18,3.3 理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸,理想晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖：,19,3.3.1 載流子分布與電流分量,一、基區(qū)載流子分布及電流,中性基區(qū)（ 0x x B ）少子電子分布及其電流：,邊界條件為：,解為：,20,3.3.1 載流子分布與電流分量,21,3.3.1 載流子分布與電流分量,二、發(fā)射區(qū)少子空穴分布及其電流：,邊界條件：,中性發(fā)射區(qū)空穴穩(wěn)態(tài)方程,22,3.3.1 載流子分布與電流分量,若 ，（3-3-11）式可以寫作：,空穴電流為：,23,3.3.1 載流子分布與電流分量,三、集電區(qū)少子空穴分布及其電流,邊界條件：,24,3.3.2 正向有源模式,一、少數(shù)載流子分布,在 的情況下，以及正向有源區(qū)的條件下,簡(jiǎn)化為：,25,3.3.2 正向有源模式,當(dāng)Xb/Ln=0.1（基區(qū)寬度小于擴(kuò)散長(zhǎng)度）時(shí)，正向有源模式下的各區(qū)少子分布如圖3-11所示。,圖3-11 正向有源模式下晶體管各區(qū)少數(shù)載流子分布,26,3.3.2 正向有源模式,二、電流分量,在正向有源模式下 ，且 有：,27,3.3.2 正向有源模式,二、電流分量,28,3.3.2 正向有源模式,二、電流分量,當(dāng)晶體管處于放大狀態(tài),由上式可知：發(fā)射結(jié)電子電流隨基區(qū)寬度的減小而增加 對(duì)于小的 ，運(yùn)輸因子接近于1，這意味著在越過(guò)基區(qū)的運(yùn)輸過(guò)程中，電子損失可以忽略。,29,3.3.2 正向有源模式,二、電流分量,空穴電流 正偏壓發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流： 集電區(qū)空穴電流,30,3.3.2 正向有源模式,二、電流分量,忽略集電極反向飽和電流,上式說(shuō)明,31,3.3.2 正向有源模式,二、電流分量,晶體管的輸出特性曲線圖,32,3.3.2 正向有源模式,三、共發(fā)射極電流增益,取ICE00，取 以及 則共發(fā)射極電流增益的倒數(shù)可以寫成：,33,3.3.2 正向有源模式,三、共發(fā)射極電流增益,電流增益對(duì)集電結(jié)電流的依賴關(guān)系,在高電流時(shí)，電流增益下降，這是因?yàn)樽⑷氲纳贁?shù)載流子濃度與基區(qū)的多子濃度可比擬，致使發(fā)射極效率降低，結(jié)果在整個(gè)發(fā)射結(jié)電流中由基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入的空穴電流增加，致使發(fā)射極效率降低，電流增益下降。,34,3.3.2 正向有源模式,三、共發(fā)射極電流增益,大電流下的增益計(jì)算式為3-3-28,大電流下的增益：增益反比于發(fā)射極電流。,35,3.4 埃伯斯-莫爾方程,用等效電路模型來(lái)描述BJT的電特性。 該模型由兩個(gè)方程組成，稱為E-M模型。 E-M方程適用于各種結(jié)構(gòu)的BJT和BJT的各種工作模式。,36,3.4 埃伯斯-莫爾方程,3.4.1 埃伯斯莫爾模型,電路模型：將NPN晶體管看做兩個(gè)背靠背的互相有關(guān)聯(lián)的二極管，這種關(guān)聯(lián)是指一個(gè)二極管正向電流的大部分流入另一個(gè)反向偏置的二極管中。,37,3.4 埃伯斯-莫爾方程,(a),圖3-13 Ebers-Moll 模型 （a）NPN一維晶體管，（b）將晶體管表示為有公共區(qū)域的背靠背連接的二極管，（c）Ebers-Moll 模型等效電路,叫做正向共基極電流增益。,叫做反向共基極電流增益。,（c）,38,3.4 埃伯斯-莫爾方程,正向有源區(qū)：流過(guò)發(fā)射結(jié)的正向電流IF，大部分（ ）流入集電結(jié) 反向有源區(qū)：流過(guò)集電結(jié)的正向電流IR，大部分（ ）流入發(fā)射結(jié),39,3.4 埃伯斯-莫爾方程,其中IF是發(fā)射結(jié)電壓VE的函數(shù)，IR是集電結(jié)電壓VC的函數(shù)。 和 分別稱為正向和反向共基極電流增益 2個(gè)二極管的電流可分別表示為（IF0和IR0分別是發(fā)射結(jié)和集電極的PN結(jié)反向飽和電流）,（3-4-1）,（3-4-2）,40,3.4 埃伯斯-莫爾方程,則晶體管的端電流可表示為 從而得到EM模型的基本方程為（3-4-5和6）,41,3.4 埃伯斯-莫爾方程,下面分析方程中的四個(gè)參數(shù)與晶體管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)之間的關(guān)系。 將發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)的復(fù)合電流看做外部電流，則 對(duì)于xBLn的情形，得到（3-4-8）,類似的方法可以得到（3-4-10）,42,3.4 埃伯斯-莫爾方程,其中4個(gè)模型參數(shù)（IF0、IR0、 、 ）為： 由于兩端口網(wǎng)絡(luò)器件的互易性質(zhì)，有a12 = a21，則 ，從而4個(gè)模型參數(shù)中只有3個(gè)是獨(dú)立的。,43,3.4 埃伯斯-莫爾方程,3.4.2 工作模式和少子分布 (1)正向有源工作模式： 0， 0 基區(qū)少子滿足的邊界條件為 ， (2)反向有源工作模式： 0 相應(yīng)的邊界條件為: , (3)飽和工作模式： 0， 0 相應(yīng)的邊界條件為: , (4) 截止工作模式: 0， 0 相應(yīng)的邊界條件為:,44,3.4 埃伯斯-莫爾方程,四種工作模式及相應(yīng)的少子分布,此外，,0,正向有源,飽 和,截 止,反向有源,45,3.5緩變基區(qū)晶體管,2N3866晶體管的雜質(zhì)分布：,圖3-16 2N3866晶體管的雜質(zhì)分布,46,3.5緩變基區(qū)晶體管,一、基區(qū)的緩變雜質(zhì)分布，引起內(nèi)建電場(chǎng) 這個(gè)電場(chǎng)沿著雜質(zhì)濃度增加的方向，有助于電子在大部分基區(qū)范圍