chap双极结型晶体管.pptx

2发展史Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain)1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley)1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley)1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（TI）1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三）1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产第1页/共123页3晶体管与场效应晶体管的区别晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件；而场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件。由于场效应管的工作电流和电压都可以很小，且在工艺上易于集成，因此在大规模集成电路中占主导地位。但是结型晶体管凭借功耗和性能方面的优势仍然广泛应用于高速计算机、火箭、卫星以及现代通信领域中。第2页/共123页4 第3页/共123页53.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺第4页/共123页63.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺由两个相距很近的PN结组成，基区宽度远远小于少子扩散长度，分为：NPN和PNP两种形式发射区为重搀杂，发射结为P+N或者N+P，基区是两个PN结的公共端。双极晶体管的主要作用是对电流或者电压的放大。第5页/共123页73.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺硅平面外延NPN晶体管：图3-2：横界面图和工艺复合图；图3-3：净掺杂浓度分布。是一个N+PNN+四层结构器件。发射结面积小于集电结面积。内基区（本征基区）：发射结和集电结距离最短的那一部分。外基区（非本征基区）：其余部分基区。第6页/共123页83.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺双极型晶体管基区中的电流传输过程与杂质分布形式有极密切的关系。均匀基区晶体管：基区杂质浓度为常数。低注入下基区少子的运动形式为扩散。缓变基区晶体管：基区掺杂浓度随位置变化。低注入下基区少子的运动形式既有扩散也有漂移。第7页/共123页9 双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令 ，分别为基极对发射极和基极对集电极的电压。则四种工作模式是：（1）正向有源模式：0，0；（2）反向有源模式：0，0；（3）饱和模式：0，0；（4）截止模式：0，0。第8页/共123页10.1晶体管的放大作用 共基极连接晶体管的放大作用 第9页/共123页11.1晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用 图3-3-5 5NPNNPN晶体管共基极能带图 第10页/共123页12.1晶体管的放大作用载流子的运输：（1）发射结正偏，由于正向注入，电子从发射区注入基区，空穴由基区注入发射区。呈现正向偏置的少子注入（2）假设：基区很小。即少子在到达基区与集电区边界时还没有被完全复合掉。其中大部分能到达集电结，并被内电场加速进入集电结，称为集电结电流。第11页/共123页13.1晶体管的放大作用从发射区注入基区，进入集电区的电子电流远大于集电结反偏所提供的发祥饱和电流，是集电极电流的主要成分。晶体管实现放大的必要条件之一：基区宽度很窄。第12页/共123页14.2电流分量第13页/共123页15.2电流分量 是从发射区注入到基区中的电子流 是到达集电结的电子流。是基区注入电子通过基区时复合引起的复合电流 是从基区注入到发射区的空穴电流第14页/共123页16.2电流分量 是发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流。是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流。第15页/共123页17.2电流分量电流分量（3-3）（3-1）（3-2）（3-4）第16页/共123页18.3电流增益为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率（3-2-5）（3-2-7）基区输运因子 共基极直流电流增益（3-2-6）第17页/共123页19.3电流增益的意义：从发射区注入到基区的电子电流，在总的发射极电流中所占的比例。的意义：发射区注入到基区的电子电流中能到达集电极的电子电流比例。共基极直流电流增益还可以写为第18页/共123页20.3电流增益是基区运输因子和发射极注射效率的乘积。其意义是经过发射结注入而到达集电极的电子电流在总的发射极电流中所占的百分比。应尽量接近1。提高电流增益的途径是提高和。3-2-7还可以写成上式说明：以基极作为公共端时，输出集电极电流与输入发射极电流之间的关系。第19页/共123页21.3电流增益当集电结处于正向偏压时：上式中，当VC为负的很大时，将还原为正向偏置的情况。第20页/共123页22.3电流增益图3-3-7 7集电结电流电压特性：（a a）共基极情形，（b b）共发射极情形 第21页/共123页23.3电流增益式中定义共发射极电流增益 共发射极直流电流增益IB=0IB=0时，集电极发射极漏电流，也称为穿透电流。第22页/共123页24理想双极结型晶体管中的电流传输（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2）结是理想的平面结，载流子作一维运动；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流 子运动是一维的；（4）基区宽度远小于少子扩散长度；（5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；（6）发射结面积和集电结面积相等；（7）小注入，等等第23页/共123页25电流传输理想晶体管的结构示意图：第24页/共123页26载流子分布与电流分量一、电流传输 中性基区（0 ）少子电子分布及其电流：边界条件为：第25页/共123页27载流子分布与电流分量电子电流 （3-3-5）（3-3-6）第26页/共123页28载流子分布与电流分量二、发射区少子空穴分布及其电流：边界条件：（3-3-7）（3-3-8）（3-3-11）第27页/共123页29载流子分布与电流分量 若 ，（3-3-113-3-11）式可以写作：空穴电流为：（3-3-14）第28页/共123页30载流子分布与电流分量三、集电区少子空穴分布及其电流 边界条件：（3-3-15）（3-3-14）第29页/共123页31正向有源模式一、少数载流子分布 在 的情况下，以及正向有源区的条件下，3-3-4简化为 当XB/Ln（基区宽度小于扩散长度）时，正向有源模式下的各区少子分布如图3-11所示。（3-3-17）第30页/共123页32正向有源模式图3-11 3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布 第31页/共123页33正向有源模式二、电流分量在正向有源模式下，且有：（3-3-21）（3-3-22）第32页/共123页34正向有源模式由3-3-21可知：发射结电子电流随基区宽度的减小而增加由3-3-22可知：对于小的，运输因子接近于1，这意味着在越过基区的运输过程中，电子损失可以忽略。第33页/共123页35正向有源模式空穴电流正偏压发射结空间电荷区复合电流：（3-3-13）（3-3-23）（3-3-24）第34页/共123页36正向有源模式忽略集电极反向饱和电流上式说明（3-3-25）第35页/共123页37正向有源模式三、共发射极电流增益可以忽略基区复合电流和集电极漏电流，基区的电子电流即IC。XB称为有效基区厚度，是两个耗尽区边界到边界的距离。由PN结定律：第36页/共123页38正向有源模式进入发射区的空穴电流：理想情况下，忽略基区复合电流，即。在的条件下：第37页/共123页393.4 埃伯斯莫尔方程用等效电路模型来描述BJT的电特性。该模型由两个方程组成，称为E-M模型。E-M方程适用于各种结构的BJT和BJT的各种工作模式。第38页/共123页403.4.1 埃伯斯莫尔模型电路模型：将NPN晶体管看做两个背靠背的互相有关联的二极管，这种关联是指一个二极管正向电流的大部分流入另一个反向偏置的二极管中。第39页/共123页413.4.1 埃伯斯莫尔模型正向有源区：流过发射结的正向电流IF，大部分（）流入集电极反向有源区：流过集电结的正向电流IR，大部分（）流入发射极第40页/共123页423.4.1 埃伯斯莫尔模型其中IF是发射结电压VE的函数，IR是集电结电压VC的函数。和分别称为正向和反向共基极电流增益2个二极管的电流可分别表示为（IF0和IR0是通常二极管的饱和电流）（3-4-1）（3-4-2）第41页/共123页433.4.1 埃伯斯莫尔模型则晶体管的端电流可表示为从而得到EM模型模型的基本方程为（3-4-5和6）第42页/共123页443.4.1 埃伯斯莫尔模型下面分析方程中的四个参数与晶体管的结构参数和材料参数之间的关系。将发射结空间电荷区的复合电流看做外部电流，则对于xBLn的情形，得到（3-4-8）第43页/共123页453.4.1 埃伯斯莫尔模型类似的方法可以得到（3-4-10）第44页/共123页463.4.1 埃伯斯莫尔模型其中4个模型参数（IF0、IR0、）为：由于两端口网络器件的互易性质，有a12=a21，则，从而4个模型参数中只有3个是独立的。第45页/共123页473.4.1 埃伯斯莫尔模型在E-M方程中，取IC=0，VE0，得到的IE称为BJT的集电极开路发射结饱和电流，记为IE0；取IE=0，VC0，得到的IC称为BJT的集电极开路发射结饱和电流，记为IC0。而IF0和IR0分别是发射结和集电结的PN结反向饱和电流。第46页/共123页483.4.2 工作模式和少子分布双极晶体管的四种工作模式：(1)正向有源工作模式：0，0，基区少子满足的边界条件为E-M方程为3-4-14和3-4-15第47页/共123页493.4.2 工作模式和少子分布(2)反向有源工作模式：0，相应的边界条件为:E-M方程为3-4-16和3-4-17。第48页/共123页503.4.2 工作模式和少子分布(3)饱和工作模式：0，0，相应的边界条件为:E-M方程为3-4-18和3-4-19。第49页/共123页513.4.2 工作模式和少子分布(4)截止工作模式:0，CTE+CTC的情形，增益带宽乘积为第84页/共123页86晶体管的开关特性1、工作原理在数字应用中，双极型晶体管设计成一个开关。晶体管处于截止区，发射结和集电结都处于反偏状态。在截止状态集电极电流很小，阻抗很高，晶体管处于“关”态。在饱和状态，集电极电流很大而且它的阻抗很低，所以晶体管被认为是“通”态。第85页/共123页87晶体管的开关特性第86页/共123页88晶体管的开关特性在饱和状态，集电极电流被负载电阻所限制：驱动晶体管进入饱和（称为临界饱和状态）所需要的最小基极电流为：第87页/共123页89晶体管的开关特性2、开关时间在“通”和“断”两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的。载流子分布不能立刻改变。需要一个过渡时间，称为开关时间。开关时间对应于建立和去除这些少数载流子的时间。第88页/共123页90晶体管的开关特性晶体管打开过程：从基区输入脉冲，到发射结导通需要一段时间，对结进行充电，使发射结正偏。晶体管关断过程：脉冲撤销后，除了移走存储电荷所需要的“存储时间”外，IC要经过一段时间才能接近于0，器件对结电容放电，集电结从零偏到反偏，称为下降时间。第89页/共123页91晶体管的开关特性1）导通延迟时间导通延迟时间td是从加上输入阶跃脉冲至输出电流达到最终值的百分之十（CS）所经历的时间。（1）从反偏压改变到新电平，发射结空间电荷区宽度逐减变小：结的耗尽层电容的充电时间；第90页/共123页92晶体管的开关特性（2）载流子通过基区和集电结耗尽层的渡越时间。晶体管从截止到正向有源模式。发射结从反向偏压到零偏压，再到正向偏压过渡。集电结的反向偏压逐减少。基区存储电荷，其浓度梯度可以使集电极电流为饱和的。第91页/共123页93晶体管的开关特性第92页/共123页94晶体管的开关特性2）上升时间上升时间 ：电流 从 （）的百分之十上升到百分之九十所需要的时间。集电结反向偏压减小到0附近，对集电结电容充电。该时间受输出时间常数的 影响。存储电荷：QB导通延迟时间td和上升时间 之和，称为晶体管的导通时间（从截止区到正向有源区）。第93页/共123页95晶体管的开关特性在经历上升时间之后，基区和集电区分别存储电荷QBX和QC。发射结和集电结均变为正向偏置。最终：基区和集电区中，过量存储载流子超过了保持正向有源工作模式的需要，到达饱和模式。如图3-27中的阴影。第94页/共123页96晶体管的开关特性3）存储时间：从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到之间的时间。存储时间在限制开关晶体管的开关速度方面，是一个最重要的参数。过量存储电荷QBX和QC被去除之前，晶体管仍然处于饱和状态，晶体管输出电流不能改变。存储时间对应于去除这部分过剩载流子所需时间。第95页/共123页97晶体管的开关特性4）下降时间：表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分之十的时间间隔。这是上升时间的逆过程，并且受到同样的因素限制。去除电荷：QB储存时间和下降时间之和称为晶体管的关断时间。第96页/共123页98晶体管的开关特性导通和关断时间之和称为晶体管的开关时间。开关作用：开关时间比输入脉冲的持续时间短得多。储存时间是主要参数：去除QBX。第97页/共123页99晶体管的开关特性电荷控制理论：在该理论中，利用各个区的受控制电荷来建立方程，包括基区和集电区（发射区存储电荷量很少，可忽略），通过电荷的存储变化，分析电流的变化过程。第98页/共123页100晶体管的开关特性电荷控制方程：电荷存储与电流的关系（2-9-2）将上述电荷控制方程应用于基区的存储电荷和电流。第99页/共123页101晶体管的开关特性用代替，用代替，并用代替，便得到进入饱和模式后基区电荷控制方程：正向有源模式的电荷控制方程：第100页/共123页102晶体管的开关特性在稳态条件下，式中依赖于时间的项为零。则基极电流可表示为当进入饱和时，总电荷为电荷控制方程变为第101页/共123页103晶体管的开关特性现在让我们突然把基极电流从 改变到过量电荷开始减少，但有源电荷 在 和 之间保持不变。于是在这段时间内可以令第102页/共123页104晶体管的开关特性于是有或第103页/共123页105晶体管的开关特性方程（3-10-12）的解为在 时，全部过量少数载流子被去除掉，。因此求得第104页/共123页106反向电流和击穿电压晶体管中最高电压的根本限制与在P-N结二极管中的相同，即雪崩击穿或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的P-N结的性质，它还依赖于外部的电路结构。第105页/共123页107反向电流和击穿电压在放大状态下，当VCB（共基极连接中的集电极基极偏压）或VCE（共发射极连接中的集电极发射极偏压）超过临界值时，晶体管的集电极电流IC急剧增加，称为雪崩击穿。原因是集电结耗尽区内的电场太强，而产生大量的电子和空穴（雪崩倍增）。第106页/共123页108反向电流和击穿电压一、共基极连接在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏压倍增因子M：当M接近无限大时，就达到雪崩击穿的条件。第107页/共123页109反向电流和击穿电压经验公式（对于共基极电路）：第108页/共123页110反向电流和击穿电压此时发射结对集电结相对独立，此时的击穿电压相当于独立集电结的击穿电压。图3-29中，在 处 突然增加。在雪崩条件下，表示集电极电流和发射极电流关系的有效电流增益增大M倍，即第109页/共123页111反向电流和击穿电压二、共发射极连接由于 ，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为当达到的条件 时，新的电流增益变为无穷，即发生击穿。第110页/共123页112反向电流和击穿电压由于 非常接近于1，当 不要比1大很多时就能满足共发射极击穿条件。基极开路情况下的击穿电压用 表示。令（3-11-1）式中的 并使 等于 ，可以解得第111页/共123页113反向电流和击穿电压硅的 数值在2到4之间，在 值较大时，共发射极击穿电压 可比共基极击穿电压低很多。第112页/共123页114本章小结一、双极结型晶体管的结构NPN和PNP型晶体管的结构及电路符号。“双极型”的解释。图32：硅平面外延NPN晶体管的版图和截面图。图3-3：硅平面外延NPN晶体管的净掺杂浓度分布第113页/共123页115本章小结二、基本工作原理四种工作模式对应的偏压情况图3-5：放大状态下的偏置和能带图解释。图3-6：放大工作条件下的工作电流分量：会画，解释各个电流的形成原理。几个电流增益概念：发射极注射效率、基区运输因子、共基极电流增益、共发射极电流增益。第114页/共123页116本章小结三、正向有源工作模式下的电流传输放大条件下，基极电流和集电极电流的表示方法。（扩散长度理论的使用）四、埃伯斯莫尔方程图3-15：四种工作模式下的少数载流子分布，会画。图3-14：E-M等效电路第115页/共123页117本章小结第116页/共123页118本章小结五、缓变基区晶体管基区杂质分布不均；产生内建电场；加强电子漂移。Webster效应：相当于扩散系数增加一倍。六、基区扩展电阻和电流聚集发射极电流集聚效应：基区扩展电阻，发射结电压降低，发射极电流集中在发射结边缘附近第117页/共123页119本章小结解决方法：采用周长/面积比很高的梳状结构。七、基区宽度调变效应基区宽度调变效应Early效应第118页/共123页120本章小结八、晶体管的频率响应截止频率的概念各种频率的定义：共基极截止频率、共发射极截止频率、增益带宽乘积影响载流子运输的4个延迟：基区渡越时间（公式3-8-12）、发射结过渡电容充电时间、集电结耗尽层渡越时间、集电结电容充电时间。第119页/共123页121本章小结公式3-8-15和3-8-16Kirk效应九、混接型等效电路会画3-23等效电路其中的几个参数：跨导、正偏发射结扩散电导、扩散电容（375、79、82）、结电容第120页/共123页122本章小结十、晶体管的开关特性开：饱和状态关：截至状态理解：开关过程与载流子的存储和运输有关，需要有一个过程开关时间：导通时间、上升和下降时间、贮存时间第121页/共123页123本章小结最重要的贮存时间：定义，与该时间相对应的载流子的存储和运输过程。十一、击穿电压根据击穿条件，分析“共发射极击穿电压比共基极击穿电压低很多”。第122页/共123页1感谢您的观看！第123页/共123页