1微電子器件與IC設計

第3章雙極晶體管BipolarJunctionTransistor----BJT1微電子器件與IC設計12第3章雙極型晶體管3.1結構3.2放大原理3.3電流增益3.4特性參數3.5直流伏安特性3.6開關特性3.7小結2第3章雙極型晶體管3.1結構233.1晶體管的基本結構及雜質分布3.1.1晶體管的基本結構 由兩個靠得很近的背靠背的PN結構成NPNcbecbePNP33.1晶體管的基本結構及雜質分布3.1.1晶體管的基343.1晶體管的基本結構及雜質分布3.1.2BJT的雜質分布1.鍺合金管-均勻基區晶體管特點：三個區雜質均勻分布2結為突變結

2.硅平面管-緩變基區晶體管特點：E、B區雜質非均勻分布2結為緩變結43.1晶體管的基本結構及雜質分布3.1.2BJT455566673.1晶體管的基本結構及雜質分布“背靠背”的2個二極管有放大作用嗎？npn晶體放大的機理是：發射區注入基區的電子絕大部分被集電區收集成為集電極電流（發射結正偏，集電結）1.若基區寬度較大，Wb>Lnb，則注入到基區的電子（少子）在到達集電區前就已經復合掉了，使大的正向電流只在左邊pn結中存在，右邊pn結反偏，電流很小，兩pn結互不相干，沒有放大作用。發射區集電區基區發射結集電結發射極集電極基極73.1晶體管的基本結構及雜質分布“背靠背”的2個二極72.發射結正偏時，發射區向基區注入電子的同時，基區也向發射區注入空穴--由基極電流提供，但此電流不能形成集電極電流，對放大作用沒有貢獻。故需要讓發射區注入的電子比基區注入的空穴多得多，即要求摻雜濃度的控制。3.1.3、結構特點（1）基區寬度遠小于基區少子擴散長度

(WB

<<L)（2）發射區雜質濃度遠大于基區雜質濃度

(NE>>NB)82.發射結正偏時，發射區向基區注入電子的同時，基區也向發射89NPN晶體管的幾種組態共基極共射極共集電極共基極共發射極共收集極NNP晶體管的共集電極接法cbe3.2晶體管的放大原理9NPN晶體管的幾種組態共基極共基極NNP晶體管的共集電極9103.2.1、晶體管中載流子的傳輸

以共基極為例：1、發射結的注入2、基區的輸運與復合3、集電極的收集WBIneIncIrIpeICBOIEICIB103.2.1、晶體管中載流子的傳輸

以共基極為例：WBIn1011各區少子分布能帶圖11各區少子分布能帶圖1112NPN晶體管的電流轉換Ine:發射結正向注入電子電流Ipe:發射結反向注入空穴電流Irb:基區復合電流Inc:集電結電子電流Icbo:集電結反向飽和電流12NPN晶體管的電流轉換Ine:發射結正向注入電子電流12133.2.2、發射效率及基區輸運系數

1、發射效率γ0從發射結注入的電流有電子電流和空穴電流，即Ine和Ipe，但只有正向注入的Ine中的大部分能達到集電區，構成IC的主要部分，它顯然對放大有貢獻。因此從電流的傳輸和放大來看，Ine越大越好，Ipe越小越好。為了表示有效注入電流在總的發射電流中所占的比例133.2.2、發射效率及基區輸運系數

1、發射效率γ0從基區輸運系數β*3、集電區倍增因子為了說明傳輸過程中效率的高低152、基區輸運系數β*為了說明傳輸過程中效率的高低15161.共基極直流電流放大系數

2.共射極直流電流放大系數3.2.3、晶體管電流放大系數163.2.3、晶體管電流放大系數16晶體管共基極電流沒有電流放大作用，但可有電壓及功率放大作用。共射極電路既可作為電流放大，也可作為電壓放大及功率放大。17晶體管共基極電流沒有電流放大作用，但可有電壓及功率放大作用。1718

晶體管放大三要素：①Wb<<Lnb，實現不衰減的電流傳輸。②發射結為單邊結，NE>>NB

。③發射結正向偏置，集電結反向偏置。18①Wb<<Lnb，實現不衰減的電流傳輸。②發射結為單18193.3

晶體管的直流電流增益任務：導出α0、β0的定量關系式193.3晶體管的直流電流增益任務：導出α0、β0的定19203.3.1均勻基區晶體管的電流增益均勻基區晶體管直流電流增益推導思路

A、對發射區、基區、集電區分別建立擴散方程

B、利用波爾茲曼分布關系建立邊界條件

C、解擴散方程得到各區少子分布函數

D、利用少子分布函數求出各區電流密度分布函數

E、由電流密度分布函數得到jne,jnc,jpe。

F、求出發射效率和輸運系數

G、得到共基極和共射極電流放大系數203.3.1均勻基區晶體管的電流增益2021以共基極連接為例，采用一維理想模型發射結正向偏置，集電結反向偏置WBIneIncIrIpeICBOIEICIB21以共基極連接為例，采用一維理想模型WBIneIncIrI2122坐標：發射區集電區基區發射結集電結發射極集電極基極We0WbWcxexc22坐標：發射區集電區基區發射結集電結發射極集電極基極We02223一、少數載流子分布（1）基區“少子”電子密度分布WB0nB(x)23一、少數載流子分布WB0nB(x)23243.3

晶體管的直流電流增益一、少數載流子分布（2）發射區少數載流子分布x0pE(x)243.3晶體管的直流電流增益一、少數載流子分布x0p24253.3

晶體管的直流電流增益一、少數載流子分布（3）、集電區少數載流子分布x0pC(x)253.3晶體管的直流電流增益一、少數載流子分布x0p25263.3

晶體管的直流電流增益二、電流密度分布函數263.3晶體管的直流電流增益二、電流密度分布函數26273.3

晶體管的直流電流增益

273.3晶體管的直流電流增益

27283.3

晶體管的直流電流增益WeWbWcxexc283.3晶體管的直流電流增益WeWbWcxexc28293.3

晶體管的直流電流增益三、直流電流增益1.發射效率γ02.基區輸運系數β*

293.3晶體管的直流電流增益三、直流電流增益2.基區29303.3

晶體管的直流電流增益3、共基極電流增益或者303.3晶體管的直流電流增益3、共基極電流增益或者3031

4、共射極電流增益314、共射極電流增益31323.3

晶體管的直流電流增益3.3.2緩變基區晶體管的電流增益一、緩變基區晶體管基區自建電場對載流子的影響基區自建電場多子：維持分布少子：阻滯、加速323.3晶體管的直流電流增益3.3.2緩變基區晶體32333.3

晶體管的直流電流增益（1）基區自建電場計算公式（2）基區雜質分布指數近似333.3晶體管的直流電流增益（1）基區自建電場計算公3334二、發射區自建電場34二、發射區自建電場34353.3

晶體管的直流電流增益

三、緩變基區晶體管電流增益推導思路

A、先忽略基區中少子復合。

B、利用：“電流＝少子擴散電流＋在自建電場作用下的漂移電流”關系，得到基區和發射區少子密度分布函數

η=0123xnB(x)基區少子分布：(3.3.46)當基區雜質指數分布時(3.3.47)353.3晶體管的直流電流增益三、緩變基區晶體3536緩變基區晶體管基區非平衡少子為非線性分布，且與η有關。η越大，基區雜質分布越陡峭，自建電場越大，對載流子的漂移作用越強，故少子分布越平坦，少子濃度梯度越小；說明漂移電流所占比例越大，擴散電流則越小，只在靠近集電結處擴散電流所占比例才大。36緩變基區晶體管基區非平衡少子為非線性分布，且與η有關。3637根據(3.3.46)，利用類似可得到37根據(3.3.46)，利用類似可得到37383.3

晶體管的直流電流增益C、利用

把(3.3.47)代入得到基區復合電流383.3晶體管的直流電流增益C、利用3839D、引入平均雜質濃度的概念求出jne

和

jpe

，得到發射效率E、得到共基極和共射極電流放大系數39D、引入平均雜質濃度的概念求出jne和jpe39403.3

晶體管的直流電流增益四、電流增益（1）發射效率403.3晶體管的直流電流增益四、電流增益40413.3

晶體管的直流電流增益（2）輸運系數均勻基區晶體管：λ=2基區雜質線性分布：λ=4基區雜質指數近似：413.3晶體管的直流電流增益均勻基區晶體管：41423.3

晶體管的直流電流增益（3）共基極電流增益（4）共射極電流增益發射效率與均勻基區形式相同423.3晶體管的直流電流增益（3）共基極電流增益（442433.3

晶體管的直流電流增益3.3.3

提高放大系數的途徑

1、減小基區寬度（基區少子濃度梯度大，且復合損失小）

2、提高發射區的雜質濃度與基區雜質濃度比NE/NB↑（NE有上限，NB也不能太低）

3、提高基區電場因子

4、提高基區“少子”壽命433.3晶體管的直流電流增益3.3.3提高放大系數43443.3.4影響電流放大系數的因素1.發射結勢壘復合對電流放大系數的影響443.3.4影響電流放大系數的因素1.發射結勢壘復合對44452.發射區重摻雜效應對電流放大系數的影響發射區過重的摻雜不僅不能提高發射效率，反而使發射效率降低1）形成雜質帶尾，禁帶變窄發射區有效雜質濃度降低為:發射區有效雜質濃度降低，導致發射效率下降。452.發射區重摻雜效應對電流放大系數的影響發射區過重的45462）俄歇復合發射區少子空穴壽命隨著俄歇復合壽命↓而↓。

俄歇復合通過復合中心復合少子空穴壽命縮短使注入到發射區的空穴增加，發射效率↓。

462）俄歇復合發射區少子空穴壽命隨著俄歇復合壽命4647EcEv多激子產生效應俄歇復合及禁帶變窄效應的影響與發射結結深有關。47EcEv多激子產生效應俄歇復合及禁帶變窄效應的影響與發射4748表面復合對基區輸運系數的影響可表示為對均勻基區對緩變基區S為表面復合速率體復合表面復合3.基區表面復合48表面復合對基區輸運系數的影響可表示為對均勻基區對緩變基區4849

共射極輸出特性曲線上VBC

＝0點的切線與VCE

軸負方向交于一點，該點電壓稱為Early電壓，ICVCE－VEAIB增大基區有效寬度隨集電結偏壓而變化的現象稱為基區寬度調變效應（厄爾利效應）4.基區寬變效應有寬變效應的電流放大系數：隨外加電壓變化，電流放大系數會隨之變化，降低放大性能的線性度，致使信號失真。49ICVCE－VEAIB增大基區有效寬度隨集電結偏壓而變化49503.4晶體管的特性參數3.4.1晶體管的放大系數共基極直流放大系數和交流放大系數

0

、兩者的關系共發射極直流放大系數交流放大系數

0、503.4晶體管的特性參數3.4.1晶體管的放大系數共基50513.4.2

晶體管的反向電流一、定義

晶體管某二個電極間加反向電壓，另一電極開路時流過管中的電流稱其反向電流。1、IEBO：集電極極開路，發射極與基極間反偏，流過發射結的電流。2、ICBO：發射極開路，集電極和基極間反偏，流過集電結的電流。3、ICEO：基極開路，發射極和集電極間反偏，流過發射極和集電極的電流。IVIeboIVIcboIVIceo513.4.2晶體管的反向電流一、定義IVIeboIV5152二、反向電流的來源 實際的晶體管反向電流應包括反向擴散電流，勢壘產生電流和表面漏電流。對Ge管：主要是反向擴散電流對Si管：主要是勢壘產生電流，表面電流視工藝而定共射極接法，信號放大的同時，相應的漏電流也增大了倍52二、反向電流的來源共射極接法，信號放大的同時，52533.4.3晶體管的擊穿電壓1、BVebo2、BVcbo3、Bvceo定義：某一極開路，另二極所能承受的最大反向電壓4、基區穿通電壓VPT

：集電極開路時e-b間反向擊穿電壓：發射極開路時c-b間反向擊穿電壓：基極開路時e-c間所能承受的最高反向電壓533.4.3晶體管的擊穿電壓1、BVebo定義：某一極53543.4.4基極電阻基極電流為橫向電流，基區摻雜濃度低，且很薄，這個電阻不可忽略。基極電阻rb：擴展電阻，包括基區體電阻和基極電極引出線處接觸電阻。543.4.4基極電阻基極電流為橫向電流，基區摻雜54降低rb的措施是：1.減小發射區條寬、基極電極條寬，以及減小它們之間的距離與增加條長，但這會受到工藝條件的限制。2.增加發射極條數n，但會受到面積的限制。3.降低基區方塊電阻，即提高基區擴散層的雜質濃度；但會降低發射效率，影響

0、0，也會降低擊穿電壓。55降低rb的措施是：5555563.4.5晶體管的頻率特性參數

截止頻率f

：共基極電流放大系數減小到低頻值的所對應的頻率值

截止頻率f

：特征頻率fT：共發射極電流放大系數為1時對應的工作頻率最高振蕩頻率fM：功率增益為1時對應的頻率6分貝倍頻程段（β增減一倍，放大系數變化6dB）6分貝倍頻程段＝常數，這個常數就是（增益帶寬積）563.4.5晶體管的頻率特性參數截止頻率f：共基極56573.5雙極晶體管直流伏安特性3.5.1均勻基區晶體管直流伏安特性573.5雙極晶體管直流伏安特性5758585859于是得到發射極電流59于是得到發射極電流5960集電極電流60集電極電流6061616162以上各式說明雙極晶體管的端電流與其電壓具有指數關系，與PN結的直流伏安特性相似；但是，晶體管是由兩個相距很近的PN結構成，其端電流應與二結的結電流有關，上式也反映了晶體管的直流特性和單個PN結的直流伏安特性有不同，兩個結之間存在相互影響。62以上各式說明雙極晶體管的端電流與其電壓具有指數關系，與P6263輸入特性曲線63輸入特性曲線6364輸出特性曲線共基極共射極64輸出特性曲線共基極共射極64兩種組態輸出特性曲線的共同之處是：當輸入電流一定時，兩種組態的輸出電流基本上保持不變，即輸出電壓的變化很微弱，只有輸入電流改變時，輸出電流才隨之變化。因此晶體管的輸出電流受輸入電流控制，是一種電流控制器件。但是兩組輸出特性也有一些不同之處：(1)共射極輸出特性中，輸入電流IB較小的變化量，就會引起輸出電流IC較大的變化(2)共射極輸出特性曲線隨輸出電壓的增大逐漸上升，而共基極特性曲線基本上保持水平。這是因為基區寬變效應對共射極電流增益的影響比對共基極的大得多。65兩種組態輸出特性曲線的共同之處是：656566(3)隨著輸出電壓的減小，共射極特性曲線在VCE下降為零之前，輸出電流IC已經開始下降，而共基極特性曲線在VCB=0時還保持水平，直到VCB為負值時才開始下降。放大區：發射結正偏，集電結反偏飽和區：發射結正偏，集電結正偏，集電極電流IC基本上不受基極電流影響，僅由VCE決定截至區：發射結反偏，集電結反偏66(3)隨著輸出電壓的減小，共射極特性曲線在VCE下降為零66673.5.2Ebers-Moll模型

Ebers-Moll模型是一種適用于計算機輔助設計(CAD)的表述簡單的模型，它于1954年由此二人提出，適用于圖2-62所示的所有工作區。

*薄基區導致兩個結的相互作用，流過每個結的電流都應由兩個結上的電壓所決定。673.5.2Ebers-Moll模型67681.E-M

方程將雙極晶體管的電流看成一個正向晶體管和一個倒向晶體管疊加后各自所具有的電流并聯而成正向晶體管倒向晶體管681.E-M方程將雙極晶體管的電流看成一個正向晶體管和68691.E-M

方程IES是C結短路，E結的反向飽和電流對正向晶體管：對比式（3.5.1）E結正偏，C結零偏正向電流增益691.E-M方程IES是C結短路，E結的反向飽和電流對6970同理，對倒向晶體管ICS是E結短路，C結的反向飽和電流對比式（3.5.2）C結正偏，E結零偏反向電流增益70同理，對倒向晶體管ICS是E結短路，C結的反向飽和電7071由圖71由圖7172代入式（3.5.6）、（3.5.10）得E-M方程等效電路見圖72代入式（3.5.6）、（3.5.10）得E-M方程等效電7273對照式（3.5.1）、（3.5.2）得E-M方程互易定理實際器件中

互易定理的本質是：eb結與cb結有共同部分（基區），無論哪個結短路，另一個結的反向飽和電流都含有共同的基區少子擴散電流73對照式（3.5.1）、（3.5.2）得E-M方程互易定73742.EM1模型式（3.5.15）、（3.5.16）是以晶體管某一極短路時的反向飽和電流來表示端電流的EM方程；同樣也可以某一極開路時的反向飽和電流來表示EM方程742.EM1模型式（3.5.15）、（3.5.16）7475上式又可寫為于是得到對有:-175上式又可寫為于是得到對有:-17576對有即集電結（發射結）短路時的發射結（集電結）飽和電流等于集電結（發射結）開路時的發射結（集電結）飽和電流除以(1－αRαF)

，一般αRαF均小于1，∴IEB0,ICB0都小于IES,ICS76對有即集電結（發射結）短路時的發射結（7677上述二式均可等效為一個電流源與一個二極管并聯，如下圖所示代入式（3.5.15）、（3.5.16）得77上述二式均可等效為一個電流源與一個二極管并聯，如下圖所示7778一、晶體管的工作狀態

晶體管的工作狀態完全由直流偏置情況決定，如圖可分為三個區。當晶體管處于倒向運用狀態時，也同樣存在以上三個區，但截止區和飽和區是一樣的。只注意反向放大區即可。3.6晶體管的開關特性78一、晶體管的工作狀態3.6晶體管的開7879各工作區中結的偏置情況和電流關系工作區正向放大區反向放大區飽和區截止區發射結偏置VBE>0（正偏）VBE<=0(反偏）VBE>0（正偏）VBE<0(反偏)集電結偏置VBC<=0(反偏）VBC>0(正偏）VBC>=0（正偏）VBC<0（反偏）電流關系IC＝βIbIC＝βRIbIC<=βIb

IC=ICE≈0截止區：

IB＝IEBO＋ICBO飽和區：

Vi>VBB+VBE時

IB>IBS

時Vcc,VBB為集電極和發射極的反向偏置電壓。RL：負載電阻當VI為負脈沖或零時當VI為>>VBB的正脈沖信號時79各工作區中結的偏置情況和電流關系工作區正向放大區反向放大7980808081小結：飽和態晶體管的特點：(1)飽