1、1.微電子學(xué)基礎(chǔ)理論，第3章雙極晶體管，蔣梅，信息工程學(xué)院，內(nèi)容，2，3，晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理，晶體管電流放大特性，晶體管DC特性曲線，晶體管頻率特性，晶體管開關(guān)特性，2，1，4，5，3.1晶體管結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1晶體管基本結(jié)構(gòu)，有兩種基本的N-P-N晶體管，(a)管芯結(jié)構(gòu)，(b)晶體管結(jié)構(gòu)和符號，3.1.2晶體管制備和雜質(zhì)分布，1。合金晶體管PNP合金管結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布如圖所示，顯示了合金晶體管的雜質(zhì)分布特征：三個(gè)區(qū)域的雜質(zhì)分布均勻，基極區(qū)域的雜質(zhì)濃度最低，發(fā)射極結(jié)和集電極結(jié)為突變結(jié)。(a)管芯結(jié)構(gòu)(b)雜質(zhì)分布鍺合金晶體管結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布，3.1.2晶體管制備和雜質(zhì)分布，2。平面晶體管結(jié)

2、構(gòu)和雜質(zhì)分布如圖所示，平面工藝最重要的特點(diǎn)是：穩(wěn)定的二氧化硅化學(xué)性質(zhì)，耐高溫，雜質(zhì)原子擴(kuò)散掩蔽和良好的絕緣性能，以及結(jié)合光刻技術(shù)的選擇性擴(kuò)散。這樣，平面晶體管具有更合理的電極形狀、薄的基極區(qū)和鈍化的表面，從而在功率、噪聲、穩(wěn)定性和可靠性方面達(dá)到更高的水平。3.1.2晶體管制備和雜質(zhì)分布，3 .外延平面晶體管基于平面晶體管制造工藝，已經(jīng)開發(fā)了外延平面晶體管。其結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布如圖所示。從圖中可以看出，雙擴(kuò)散外延平面晶體管的襯底電阻率很低，集電極的串聯(lián)電阻很小，因此集電極的飽和壓降減小，晶體管可以做得很小，基極區(qū)的寬度Wb很薄，使得外延平面晶體管在頻率特性、開關(guān)速度和功率等方面有了很大的改善和提高。

3、因此，它已成為目前生產(chǎn)的最重要的晶體管。(a)管芯結(jié)構(gòu)，(b)雜質(zhì)分布硅外延平面管結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布圖，3.1.3晶體管的工作原理，晶體管最重要的功能是放大電信號的能力。為什么兩個(gè)相互靠近的PN結(jié)有放大效應(yīng)？為了使晶體管具有放大效應(yīng)，首先要有適當(dāng)?shù)碾娐贰?.1.3晶體管的工作原理，晶體管的放大能力，大基區(qū)厚度的NPN結(jié)構(gòu)的電流和少數(shù)載流子分布示意圖，晶體管的放大能力，具有放大功能的晶體管在結(jié)構(gòu)上應(yīng)滿足什么條件？具有NPN或PNP三層結(jié)構(gòu)；基極區(qū)的寬度非常薄，遠(yuǎn)小于不平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散長度。發(fā)射極區(qū)的雜質(zhì)濃度比基極區(qū)的雜質(zhì)濃度高得多。晶體管的放大能力。表1給出了在集電極結(jié)UCC=6V條件下用3DG

4、6晶體管(硅高頻低功率晶體管)模型測量的實(shí)際數(shù)據(jù)。晶體管的電壓放大系數(shù)如下：晶體管的功率放大應(yīng)等于其電流放大系數(shù)和電壓放大系數(shù)的乘積，表1晶體管各電極的電流分布表，11，3.2晶體管的電流放大特性，有些假設(shè)是：發(fā)射極結(jié)和集電極結(jié)都是理想的突變結(jié)，結(jié)面積相等(用A表示)；各區(qū)域雜質(zhì)分布均勻，載流子只在一維空間傳輸，不考慮表面的影響；所有施加的電壓都落在PN結(jié)的勢壘區(qū)，并且在勢壘區(qū)之外沒有電場。發(fā)射極結(jié)和集電極結(jié)的勢壘區(qū)寬度比少數(shù)載流子擴(kuò)散長度小得多，沒有載流子的產(chǎn)生和復(fù)合，所以通過勢壘區(qū)的電流保持不變；發(fā)射極區(qū)和集電極區(qū)的寬度比少數(shù)載流子擴(kuò)散長度大得多，而基極區(qū)的寬度比少數(shù)載流子擴(kuò)散長度小得多。

5、注入基極區(qū)的少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)低于基極區(qū)的濃度，3.2.1晶體管的能帶、濃度分布和載流子輸運(yùn)，3 .載波傳輸過程(a)少數(shù)載波分布示意圖(b)載波傳輸過程示意圖，3。載流子傳輸過程(1)根據(jù)正向PN結(jié)的特性，從發(fā)射極區(qū)注入到發(fā)射極結(jié)邊界X2附近的基極區(qū)的電子濃度是從基極區(qū)注入到發(fā)射極結(jié)邊界X1附近的發(fā)射極區(qū)的空穴濃度。(2)根據(jù)反向PN結(jié)特性，集電極結(jié)邊界X3和X4處的少數(shù)載流子濃度分別為14、3.2.2晶體管中的電流傳輸和兩端的電流形成。1.晶體管NPN晶體管電流傳輸圖中的電流傳輸，15，2。晶體管兩端電流的形成(1)發(fā)射極電流IE從以上分析和討論可知，發(fā)射極的正向電流IE由兩個(gè)電流組成：IE

6、=Ip(X1) In(X2) (3-8) (2)基極電流IB由三部分組成：IB=Ip(X1) IVB-ICBO (3-9)，因?yàn)镮CBO通常比Ip(X1)和IVB小得多，因此，等式(3-9)可以近似表示為IB IP (x1) ivb (3-10)。(3)通過集電極結(jié)和集電極區(qū)域的集電極電流集成電路的電流主要有兩個(gè)分量：集成電路=在(X4) ICBO (3-11)因?yàn)镮CBO很小，等式(3-11)可以近似表示為集成電路=在(x4) 3.2.2晶體管中的電流傳輸和每端的電流形成，16.2。晶體管兩端的電流形成(4)晶體管三端的電流之間的關(guān)系可以從上面的分析中得到：在(x2)=ivbin (x3)=

7、ivbin (x4) (3-13)將等式(3-13)代入等式(3-8)得到IE=Ip(X1) IVB在(X4) (3-14)加上(3-9)和(3-11)得到IB IC=IP (x1) ivb-icbo在(x4) icbo=IP (x1) ivbin (x4) (3)晶體管的DC電流方程。(X2)中的表達(dá)式In(X2)是由注入基極區(qū)的電子形成的擴(kuò)散電流，并且根據(jù)擴(kuò)散電流公式，基極區(qū)中的電子可以近似視為基極區(qū)18中線性分布的少數(shù)載流子分布圖?；鶚OX2和X3處的電子濃度分別等于基極電子分布函數(shù)，因此基極電子的擴(kuò)散電流In(X2)可以如下獲得：3.2。3晶體管DC電流方程，19，3.2。3晶體管DC電

8、流方程，2。Ip(X1)表達(dá)式Ip(X1)是在發(fā)射極結(jié)正向偏置條件下，從基極注入發(fā)射極的空穴擴(kuò)散電流。根據(jù)正向PN結(jié)的特性，邊界X1處的少數(shù)載流子空穴濃度為20，3的空穴擴(kuò)散電流。IVB表達(dá)式IVB是由注入基極區(qū)的電子和基極區(qū)中的空穴的復(fù)合形成的復(fù)合電流。IVB=-q每單位時(shí)間在基極區(qū)重組的電子數(shù)，僅考慮體內(nèi)重組，3.2。3晶體管DC電流方程，21，3.2。3晶體管DC電流方程，4。ICBO表達(dá)式ICBO由電子漂移電流和空穴漂移電流組成，即ICBO=IncB IpB如果晶體管工作在放大區(qū)，有時(shí)為22，3.2。3晶體管的DC電流方程，5。DC電流方程IE，IC和IB因?yàn)镮E由Ip(x1)和In(

9、x2)組成，因?yàn)镮C=In(x4) ICBO=In(x2)- IVB ICBO，所以IB=Ip(x1) IVB-ICBO，23 3.2。4晶體管的DC電流放大系數(shù)，1。共基極DC電流放大系數(shù)在共基極電路中，基極是輸入和輸出的公共端，共基極的連接方式如下圖所示。NPN晶體管的公共基極連接，DC電流放大系數(shù)為24，3.2。4個(gè)晶體管，2個(gè)。共發(fā)射極DC電流放大系數(shù)在共發(fā)射極電路中，發(fā)射極作為輸入和輸出的公共端，其連接方式如圖所示。NPN晶體管的共發(fā)射極連接，DC電流放大系數(shù)為25，3.2。4個(gè)晶體管，共集電極的DC電流放大系數(shù)，4.0與0的關(guān)系，0與0的關(guān)系，26、3.3個(gè)晶體管的DC特性曲線，共

10、基極連接的DC特性曲線。下圖是測量晶體管公共基極DC特性曲線的示意圖。在圖中，UEB是發(fā)射極和基極之間的壓降，UCB是集電極和基極之間的壓降，RE是發(fā)射極串聯(lián)電阻，可以控制UEB或ie。共基DC特性曲線測量原理電路圖，27、3.3.1共基連接DC特性曲線和共基DC輸入特性曲線。對于給定的UCB，改變UEB和測量工業(yè)工程可以測量工業(yè)工程和UEB之間的關(guān)系曲線。對于不同的UCB值，改變UEB度量工業(yè)工程，可以度量工業(yè)工程與UEB之間的一組關(guān)系曲線，稱為共同基礎(chǔ)DC輸入特征曲線。公共基礎(chǔ)DC特征曲線(a)輸入特征曲線28，從已知的IE=Jp(X1) Jn(X2) AE公式，Jp(X1)是空穴擴(kuò)散電流

11、密度；Jn(X2)是電子擴(kuò)散電流密度；AE是發(fā)射極結(jié)區(qū)。Jp(X1)和Jn(X2)都隨著正向電壓降的增加而指數(shù)增加，因此IE必須隨著UEB指數(shù)增加。在相同的UEB下，IE隨著UCB的增加而增加，表明曲線向左移動。這是因?yàn)榧姌O結(jié)的空間電荷區(qū)的寬度隨著UCB的增加而變寬，導(dǎo)致有效基極區(qū)寬度的減小(有效基極區(qū)寬度隨著UCB的增加或減小而減小或增大的現(xiàn)象，即上述的基極區(qū)寬度變化效應(yīng))，從而在相同的UEB下，注入發(fā)射極區(qū)基極區(qū)的少數(shù)載流子的濃度梯度增大，流速加快，IE增大。3.3.1普通基礎(chǔ)連接的DC特性曲線，普通基礎(chǔ)連接的29.3.3.1 DC特性曲線，2。共基DC輸出特性曲線。對于給定的工業(yè)工程，

12、改變UCB和測量集成電路，并獲得集成電路和UCB之間的關(guān)系曲線。對于不同的固定積分微分方程，改變UCB和測量積分微分方程，可以得到一組不同的積分微分方程-UCB曲線，稱為共基DC輸出特性曲線，如圖(b)所示。30、3.3.2共發(fā)射極連接的DC特性曲線，下圖為晶體管共發(fā)射極的DC輸出特性曲線的測試原理電路圖。圖中的UBE是基極和發(fā)射極之間的電壓降；UCE是集電極和發(fā)射極之間的電壓降；RB是基極串聯(lián)電阻，可以控制UBE或IB。測量共發(fā)射極DC特性曲線的原理電路圖，31，3.3.2共發(fā)射極連接DC特性曲線，1。共發(fā)射極DC輸入特性曲線。對于固定不同的UCE、改變UBE和測量IB，可以得到一組IB和U

13、BE之間的關(guān)系曲線，稱為共發(fā)射極DC輸入特性曲線，如圖(a)所示。共發(fā)射極DC特性曲線(a)輸入特性曲線，32，2。共發(fā)射極DC輸出特性曲線。對于固定不同的IB，改變UCE和測量IC，可以得到一組IC和UCE之間的關(guān)系曲線，稱為共發(fā)射極輸出特性曲線，如圖(b)所示。共發(fā)射極DC特性曲線(b)輸出特性曲線，3.3.2共發(fā)射極連接DC特性曲線，33。比較共基和共發(fā)射極輸出特性曲線，可以看出它們之間的共同點(diǎn)是當(dāng)輸入電流不變時(shí)，兩條特性曲線的輸出電流不隨輸出電壓的增加而變化，而只是當(dāng)輸入電流變化時(shí)。然而，這兩條輸出特性曲線之間存在許多差異。首先，共發(fā)射極電路的電流放大系數(shù)遠(yuǎn)大于共基極電路。其次，共基極

14、電路的輸出阻抗大于共發(fā)射極電路的輸出阻抗。此外，UCE減少對輸出電流的影響是不同的。實(shí)際上，輸出電壓降低時(shí)共基極和共發(fā)射極特性曲線的下降反映了相同的物理過程，但是共基極電路的輸出電壓是UCB，這使得特性曲線的下降發(fā)生在輸出電壓較小的區(qū)域(負(fù))。，3.3.3共基極和共發(fā)射極輸出特性曲線的比較，34.3.4晶體管的頻率特性3.4.1晶體管交流電流的放大系數(shù)，(a)電壓偏置，(b)電流集成電路，小信號表示交流電壓和電流的峰值小于DC電壓和電流的峰值。當(dāng)一個(gè)小信號加到輸入電壓上時(shí)，基極電流ib將隨時(shí)間變化，并成為時(shí)間函數(shù)?；鶚O電流的變化使輸出電流ic跟隨變化，最終輸入信號被放大。晶體管的交流頻率特性指

15、的是小交流信號與DC信號重疊的情況。如圖所示，交流信號是正弦信號。35，3.4.1晶體管交流電流放大系數(shù)，共基交流放大系數(shù)定義為：當(dāng)使用共基時(shí)，集電極(輸出端)交流短路，集電極輸出交流小信號電流ic與發(fā)射極輸入交流小信號電流ie之比(小寫字母代表小信號交流電流)，即在低頻時(shí)，電流放大與工作頻率無關(guān)。然而，當(dāng)頻率高時(shí)，考慮到相位關(guān)系，它是一個(gè)復(fù)數(shù)，并且大小通常指它的模數(shù)。3.4.1晶體管交流電流放大系數(shù)，2共發(fā)射極交流放大系數(shù)定義為集電極的輸出交流小信號電流ic與基極的輸入交流小信號電流ib之比，當(dāng)使用共發(fā)射極時(shí)，這也是一個(gè)復(fù)數(shù)。在交流小信號工作條件下，晶體管端電流與ie=ic ib，37之間仍

16、有如下關(guān)系，電流增益常以分貝(dB)表示，即(dB)=20lg，(dB)=20lg，也稱交流短路電流增益，因?yàn)楹褪窃诩姌O交流短路的條件下定義的。3.4.1晶體管交流電流放大系數(shù)，38，3.4.2晶體管頻率特性參數(shù)，隨著晶體管工作頻率的增加，晶體管的電氣性能將發(fā)生很大變化，主要表現(xiàn)為電流增益和功率增益的降低。下圖顯示了電流增益和頻率之間的典型關(guān)系圖，其中縱坐標(biāo)表示電流放大系數(shù)(單位為分貝)。39、3.4.2晶體管頻率特性參數(shù)，電流放大系數(shù)和頻率之間的關(guān)系，以及下列參數(shù)是從晶體管的頻率響應(yīng)特性中定義的，以描述它們的高頻性能。1.截止頻率ff被定義為對應(yīng)于公共基極短路電流的放大系數(shù)下降到低頻時(shí)的頻率。此時(shí)，分貝值下降了3dB，f反映了公共基地的頻率限制。2。截止頻率ff定義為共發(fā)射極電流放大系數(shù)降至低頻0時(shí)的頻率。