1、理想化的本征結(jié)構(gòu)2.4.1 直流放大原理1.雙極晶體管結(jié)構(gòu)（1）雙極晶體基本管結(jié)構(gòu)雙極晶體管的兩種形式：NPN和PNPNPNcbePNPcbe雙極晶體管的結(jié)構(gòu)和版圖示意圖（2）實(shí)際結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布（3）偏置方式正向放大：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏反向放大：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏截止?fàn)顟B(tài)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏飽和狀態(tài)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏（4）晶體管電路連接方式根據(jù)公共端不同，分為三種：共基極、共射極、共集電極共基極有助理解晶體管放大作用的物理過(guò)程，而共發(fā)射極具有較大的放大能力，應(yīng)用較廣。2 直流電流傳輸過(guò)程（1）雙極晶體管直流電流傳輸過(guò)程發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于基區(qū)摻雜濃度發(fā)射極電流主要由

2、高摻雜發(fā)射區(qū)向基注入的電子電流組成，故稱發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子遠(yuǎn)大于基區(qū)的平衡少子電子的數(shù)量，因此在發(fā)射結(jié)的基區(qū)一側(cè)邊界就有非平衡少子的積累，形成非平衡少子電子在基區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散的電子一部分要在擴(kuò)散過(guò)程中與基區(qū)的多子空穴復(fù)合。為此，基區(qū)寬度Wb必須比非平衡少子在基區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度小得多，則電子在基區(qū)的復(fù)合就很少，大部分能夠擴(kuò)散到集電結(jié)。晶體管用于放大時(shí)，集電結(jié)反偏，集電結(jié)在基區(qū)一側(cè)邊界處電子濃度基本為0，基區(qū)中非平衡少子呈線性分布，基區(qū)電子擴(kuò)散到邊界時(shí)，立即被反偏集的強(qiáng)電場(chǎng)掃至集電區(qū)，成為集電極電流?；鶇^(qū)非平衡少子分布根據(jù)上述分析，在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏時(shí)，晶體管內(nèi)部的電流傳輸如圖所示

3、：（1）發(fā)射效率與基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)：發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度基區(qū)寬度盡量小，基區(qū)中非平衡少子的壽命盡量大。注入效率 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)*3 雙極晶體管直流電流增益直流電流的理論表征第一項(xiàng)是發(fā)射區(qū)多數(shù)載流子電流與發(fā)射極總電流的比值，即注入效率。第二項(xiàng)是離開(kāi)基區(qū)的少數(shù)載流子與發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)輸運(yùn)的少數(shù)載流子的比值，即輸運(yùn)系數(shù)* 。第三項(xiàng)是總的集電極與從基區(qū)進(jìn)入集電區(qū)的電子電流之比，稱為收集效率。定量分析可得：要增大* ，需使Wb遠(yuǎn)小于非平衡少子電子在基區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度Lnb。（2）共基極直流電流增益0 ：0=*，即共基極直流電流增益等于注入效率和基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的乘積。非常接近于1，一般大于0.9。（3

4、）共射極直流電流增益0三個(gè)區(qū)域：飽和區(qū) 放大區(qū)截止區(qū)(4)晶體管放大電路工作原理減小發(fā)射區(qū)方塊電阻，即增益發(fā)射區(qū)的摻雜濃度。增大基區(qū)的方塊電阻，即減少基區(qū)的摻雜濃度，但要適量，否則引起副作用。減小基區(qū)寬度Wb增大Lnb，即提高基區(qū)非平衡少子的壽命增大，使基區(qū)雜質(zhì)分布盡量陡峭。4 提高電流增益的途徑2.4.2 影響晶體管直流特性的其他原因1 基區(qū)寬變(變窄)效應(yīng)和厄利電壓理想情況下晶體管輸出特性曲線(圖1)基區(qū)寬變效應(yīng)(厄利效應(yīng))厄利電壓2 大電流效應(yīng)（1）電流增益0與電流的關(guān)系（圖）（2）大注入效應(yīng)：注入到基區(qū)的非平衡少數(shù)載流子濃度超過(guò)平衡多數(shù)載流子的濃度。 1 形成基區(qū)自建場(chǎng)，起著加速少子的

5、作用，導(dǎo)致電流放大系數(shù)增大。 2 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制，由于少子增加，導(dǎo)致多子增加，以保持電中性，使電導(dǎo)增加，導(dǎo)致發(fā)射效率減小，從而使電流增益0 減小。上述兩種效應(yīng)的綜合結(jié)果是0首先隨工作電流的增加而增加，隨著電流的進(jìn)一步加大， 0隨工作電流的增加而減小。（3）電流集邊效應(yīng)：由于基區(qū)橫向壓降，使發(fā)射區(qū)基區(qū)一側(cè)結(jié)面上的電位不相等。因此增大最大允許工作電流的途徑是增大發(fā)射結(jié)的周長(zhǎng)。3 晶體管小電流特性小電流情況下，由于空間電荷區(qū)的復(fù)合，導(dǎo)致0下降。2.4.3 晶體管的擊穿電壓1 擊穿電壓三個(gè)結(jié)擊穿電壓，與單個(gè)結(jié)的擊穿電壓基本相同2 基區(qū)穿通基區(qū)穿通現(xiàn)象：隨著集電結(jié)上反向電壓增加，集電結(jié)耗盡層變寬，使基區(qū)有

6、效寬度wb減小。若尚未使集電結(jié)擊穿，但由于集電結(jié)耗盡層變寬使基區(qū)有效寬度wb減小到趨于0的程度，將導(dǎo)致輸出端電流急劇增加，與擊穿現(xiàn)象類似?；鶇^(qū)穿通電壓基區(qū)穿通電壓與晶體管結(jié)構(gòu)的關(guān)系2.4.4 晶體管的頻率特性1 雙極晶體管交流小信號(hào)增益晶體管用于放大交流信號(hào)時(shí)，信號(hào)一般很小，因此采用交流小信號(hào)增益。共基極交流小信號(hào)放大倍數(shù)為：共射極交流小信號(hào)放大倍數(shù)：2 晶體管頻率特性參數(shù)(1) 頻率特性頻率較低時(shí)，電流增益和的輻值基本為常數(shù)，等于直流小信號(hào)電流增益。隨著頻率增高， 和的幅值以(6dB/ 十倍頻程)的速度下降。(2) 截止頻率f 和f ：使電流增益下降為低頻值的 (1/2)時(shí)的頻率。(3) 特

7、征頻率：共射極電流增益下降為1 時(shí)的頻率，記為fT.(4) 最高振蕩頻率fM：功率增益為1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率3. 頻率特性和結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系提高fT的途徑減小基區(qū)寬度，以減小基區(qū)的渡越時(shí)間b減小發(fā)射結(jié)面積Ae和集電結(jié)面積Ac，可以減小發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容，從而減小時(shí)間常數(shù)e和c減小集電區(qū)串聯(lián)電阻Rc，也可以減小c兼顧功率和頻率特性的外延晶體管結(jié)構(gòu)。2.4.5 晶體管模型和模型參數(shù)綜合考慮雙極晶體管直流、交流特性和各種效應(yīng)的影響，可得到描述其特性的等效電路，共涉及27個(gè)基本模型參數(shù)。 BJT的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)垂直結(jié)構(gòu)與輸運(yùn)時(shí)間相關(guān)的尺寸由工藝參數(shù)決定，與光刻尺寸關(guān)系不大易于獲得高fT高速應(yīng)用整個(gè)發(fā)射結(jié)上有電流

8、流過(guò)可獲得單位面積的大輸出電流易于獲得大電流大功率應(yīng)用開(kāi)態(tài)電壓VBE與尺寸、工藝無(wú)關(guān)片間漲落小，可獲得小的電壓擺幅易于小信號(hào)應(yīng)用模擬電路輸入電容由擴(kuò)散電容決定隨工作電流的減小而減小可同時(shí)在大或小的電流下工作而無(wú)需調(diào)整輸入電容輸入電壓直接控制提供輸出電流的載流子密度高跨導(dǎo)缺點(diǎn)：存在直流輸入電流，基極電流功耗大飽和區(qū)中存儲(chǔ)電荷上升開(kāi)關(guān)速度慢開(kāi)態(tài)電壓無(wú)法成為設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)BJT的關(guān)鍵：獲得盡可能大的IC和盡可能小的IB2.5 JFET與MESFET器件基礎(chǔ)JFET (Junction-gate Field Effect Transistor) MESFET (Metal Semiconductor F

9、ield Effect Transistor) 都是目前集成電路中廣泛使用的半導(dǎo)體器件. JFET可以與BJT(雙極晶體管)兼容,可用作恒流源及差分放大器等單元電路;而MESFET是目前GaAs 微波集成電路廣泛采用的器件結(jié)構(gòu)。MOSFET是靠靜電感應(yīng)電荷控制溝道電荷量, JFET與MESFET依靠勢(shì)壘的空間電荷區(qū)擴(kuò)展來(lái)控制溝道的變化。 JFET依靠pn結(jié)空間電荷區(qū)控制溝道電荷，MESFET是依靠肖基特勢(shì)壘來(lái)控制溝道的變化。2.5.1 器件結(jié)與電流控制原理1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)用摻雜在n型襯底上構(gòu)成p+區(qū)，從而形成一個(gè)pn結(jié)。上下兩個(gè)P型區(qū)聯(lián)在一起,稱為柵極(G: grid)。 pn結(jié)下方

10、有一條狹窄的N型區(qū)域稱為溝道(channel)，其厚度為d，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W。溝道兩端的歐姆接觸分別稱為漏極(D, drain)和源極(S, source)。這種結(jié)構(gòu)又稱為N溝JFET。2 JFET中溝道電流的特點(diǎn)在漏（D）極和源（S）極之間加一個(gè)電壓VDS,就有電流IS流過(guò)溝道.如果在柵（G）和源（S）極之間加一個(gè)反向pn 結(jié)電壓VGS，將使溝道區(qū)中的空間電荷區(qū)之間的距離逐步變小,由于柵區(qū)為P+,雜質(zhì)濃度比溝道區(qū)高得多，故PN結(jié)空間電荷區(qū)向溝道區(qū)擴(kuò)展,使溝道區(qū)變窄.從而實(shí)現(xiàn)電壓控制源漏電流的目的。綜上所述：1 JFET是壓控器件.2 JFET工作時(shí),柵源是反偏電壓,控制電流很小,因此是用小輸入功率控制大的輸出功率.3 ID是在溝道中電場(chǎng)作用下多數(shù)載流子漂移電流,又稱為單極器件.1 VGS=0情況下的源漏特性一般源極接地。由于柵區(qū)為P+,可以認(rèn)為柵區(qū)等電位.2 VGS0情況下的源漏特性：曲線下移2.5.2 JFET直流輸出特性的定性分析2.5.3 JFET直流轉(zhuǎn)移特性 IDS隨 VGS變化的情況.VGS=0的電流IDSSIDS=0對(duì)應(yīng)的電壓VGS即為夾斷電壓VP.VGS2、特性分析1.閾值電壓VTNsub為溝道摻雜濃度，a代表溝道寬度的一半2.直流特性（1）導(dǎo)通區(qū)伏-安特性 為跨導(dǎo)因子，為溝道長(zhǎng)度調(diào)制系數(shù)（2）飽和區(qū)伏-安特性（3）特征頻率fTfT的定義