双极晶体管讲稿.ppt

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1、双极晶体管第一页，讲稿共三十八页哦3.1 3.1 双极晶体管双极晶体管及工作原理及工作原理 3.1.1 概念介绍BP+N+NECPN+P+EBC（1）NPN管（2）PNP管CBECBECBECBE第二页，讲稿共三十八页哦 3.1.2 基本工作原理（1）能带结构（1）NPN管（2）PNP管EcEvEFiEFN区P区N区EcEvEFiEFN区P区P区电子电流（多）空穴电流（少）空穴电流（多）电子电流（少）BP+N+NECPN+P+EBC第三页，讲稿共三十八页哦 3.1.2 基本工作原理（2）电流的形成BECP+N+NERCRCiEiBBVBEVCBVCCVEcEvEFiEFE(n)B(p)C(n)

2、BCeVBEeVcEFEEvEFBEcEFCEvEe平衡态正向有源0np0pn)(xpn)(xnp)(xpn0np发射区-n-集电区-n-基区-p-第四页，讲稿共三十八页哦 3.1.3 晶体管电流简介（1）电流成分正向有源晶体管电流0np0BnkTeVnnBEBBexp)0(00np发射区-n-集电区-n-基区-p-CBE电子电流nnp0Bx1Ei2Ei1Bi2Bi1Ci2Ci理想实际EiCiBi发射结电子电流1Ei发射结空穴电流2Ei集电结电子电流1Ci集电结空穴电流2Ci发射结空穴电流1Bi基区复合电流2Bi第五页，讲稿共三十八页哦 3.1.3 晶体管电流简介（2）电流增益0np0BnkT

3、eVnnBEBBexp)0(00np发射区-n-集电区-n-基区-p-0Bx1Ei2Ei1Bi2Bi1Ci2Ci理想实际EiCiBi发射结正偏：kTeVIiBESEexp11kTeVIiBESEexp22kTeVIiiiBESEEEEexp21kTeVIiiiBESECCexp111ECiikTeViciiBEEEBexp12BCii共基极电流增益：共发射极电流增益：第六页，讲稿共三十八页哦 3.1.4 工作模式BECBCCCCVVRIVBECBRCRCIBICBVCEVCCVEIRVBBVBEVP+N+N正向有源反向有源饱和截止BEVCBV正向有源：发射结正偏，集电结反偏；截止：发射结反偏，

4、集电结反偏；饱和：发射结正偏，集电结反偏；反向有源：发射结反偏，集电结正偏。0,0CBBEVV0,0CBBEVV0,0CBBEVV0,0CBBEVV第七页，讲稿共三十八页哦 3.1.4 工作模式负载线：BECBRCRCIBICBVCEVCCVEIRVBBVBEVP+N+NBIBCIICI饱和截止CEVCCVCCCCCERIVV正向有源CECCBECBCCCCVRIVVRIV第八页，讲稿共三十八页哦 3.1.5 放大电路BECBRCRCIBICEVCCVEIRVBBVP+N+NivivBIBQICICQIRVRQVBiBRvI BCIIcCRRIV NPN管共发射极放大电路第九页，讲稿共三十八页

5、哦3.2 3.2 少子分布少子分布3.2.1 正向有源模式BCeVBEeVcEFEEvEFBEcEFCEvEe发射区-n-集电区-n-基区-p-0np0pn)(xpn)(xnp)(xpn0nph0 xBxx0 xExx 0 xCLx（1）基区：0)(222BBBLndxndB（p）E（n）C（n）BBBBBBEBBLxLxLxxkTeVnxnsinhsinhsinh1exp)(01exp)0(0kTeVnnBEBB0)(BBBnxn双极输运方程边界条件少子分布函数第十页，讲稿共三十八页哦3.2.1 正向有源模式BCeVBEeVcEFEEvEFBEcEFCEvEe发射区-n-集电区-n-基区-p

6、-0np0pn)(xpn)(xnp)(xpn0nph0 xBxx0 xExx 0 xCLx（2）发射区：0)(222EEELpdxpdB（p）E（n）C（n）EEEEBEEELxLxxkTeVpxpsinhsinh1exp)(01exp)0(0kTeVppBEEE0)(EExp双极输运方程边界条件少子分布函数第十一页，讲稿共三十八页哦3.2.1 正向有源模式BCeVBEeVcEFEEvEFBEcEFCEvEe发射区-n-集电区-n-基区-p-0np0pn)(xpn)(xnp)(xpn0nph0 xBxx0 xExx 0 xCLx（3）集电区：0)(222CCCLpdxpdB（p）E（n）C（n

7、）CCCLxpxpexp)(00)0(CCpp0)(xpC双极输运方程边界条件少子分布函数第十二页，讲稿共三十八页哦3.2.2 其它工作模式（1）截止模式BCeVBEeVcEFEEvEFBEcEFCEvE发射区-n-集电区-n-基区-p-0np0pn)(xpn)(xnp)(xpn0np0 xBxx0 xExx 0 xCLx B（p）E（n）C（n）发射结反偏集电结反偏均无少子堆积电流近似为零第十三页，讲稿共三十八页哦3.2.2 其它工作模式（2）饱和模式BCeVBEeVcEFEEvEFBEcEFCEvEe发射区-n-集电区-n-基区-p-0np0pn)(xpn)(xnp)(xpn0nph0 x

8、Bxx0 xExx 0 xCLx B（p）E（n）C（n）发射结正偏集电结正偏都有少子堆积电流增益降低第十四页，讲稿共三十八页哦3.2.2 其它工作模式（3）反向有源模式BCeVBEeVcEFEEvEFBEcEFCEvEe发射区-n-集电区-n-基区-p-0np0pn)(xpn)(xnp)(xpn0nph0 xBxx0 xExx 0 xCLx B（p）E（n）C（n）发射结反偏集电结正偏反向放大效率低第十五页，讲稿共三十八页哦3.3 3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益 3.3.1 电流成分发射区-n-集电区-n-基区-p-0BxnEj0pCjEjCjnCjGjpEjRjRBjBj第十

9、六页，讲稿共三十八页哦3.3 3.3 低频共基极电流增益低频共基极电流增益 3.3.1 电流成分0)(xBBnEdxxndeDJ)/tanh(1)/exp()/sinh(10BBBEBBBBBnELxkTeVLxLneDJ0)(xEEpEdxxpdeDJ)/tanh(11exp0EEBEEEEpELxkTeVLpeDJBxxBBnCdxxndeDJ)()/tanh(1)/sinh(1)/exp(0BBBBBEBBBnCLxLxkTeVLneDJ12exp212exp00kTeVnexkTeVJJBEiBEBErRBExRdxxeRJ0)(第十七页，讲稿共三十八页哦3.3.2 电流增益的推导pE

10、RnEpCGnCECJJJJJJJJ000001BCJJCEBJJJpERnEnCBEEBECECJJJJVJVJJJ/TpERnEpEnEnEnCpEnEnEJJJJJJJJJJ（1）直流增益：（2）交流增益：pEnEnEJJJ发射极注入效率系数nEnCTJJ基区输运系数pERnEpEnEJJJJJ复合系数1第十八页，讲稿共三十八页哦3.3.2 电流增益的小结发射极注入效率系数基区输运系数复合系数EBEBEBEEBBEBBBEExxDDNNLxLxLDnLDp11)/tanh()/tanh(11002)/(211)/cosh(1)/cosh()/exp(1)/cosh()/exp(BBBBB

11、BBEBBBETLxLxLxkTeVLxkTeVkTeVJJJJJBEsrpEnER2exp11)/(1100kTeVJJLxxxDDNNBEsrBBEBEBEBT2exp2111002kTeVJJLxxxDDNNBEsrBBEBEBEB2exp2111002共基极电流增益共发射极电流增益第十九页，讲稿共三十八页哦3.4 3.4 非理想效应非理想效应*3.4.1 基区宽度调制效应基区BxxCBV0 x少子分布BEVCICEVBEVCICEVAV基区宽度随集电结偏压变化，引起少子分布斜率变化，造成集电极电流变化。无调制效应有调制效应第二十页，讲稿共三十八页哦3.4.2 大注入效应P型基区BxxB

12、N0 x少子分布)ln(CIBEV大注入效应多子分布0BnkTeVnpnBEipp2exp)0()0(复合效应大注入效应短路电流增益集电极电流ICthBEthBECVVVVI2)ln(大注入时电流增益下降第二十一页，讲稿共三十八页哦3.4.3 发射区禁带变窄kTEnngiiEexp22增长阶段禁带变窄发射区掺杂浓度NE发射区禁带变窄使注入效率降低cEdEvEFEcEdEvEFEn型发射区0 x0EnExx 少子多子0Ep发射极注入效率)/tanh()/tanh(1100EEBBEBBBEELxLxLDnLDpkTENnNnpgEiEiEEexp220低掺杂高掺杂gEgE第二十二页，讲稿共三十八

13、页哦3.4.4 电流集边效应由于基区电阻使电流集中在边缘理想情况CBE电子电流nnpCBEcjBjEjEB大功率晶体管叉指电极结构第二十三页，讲稿共三十八页哦3.4.5 基区非均匀掺杂非均匀掺杂产生感生电场，促进电子加速穿越基区。x集电区Nd基区Na+发射区Nd+掺杂浓度EcEvEFiEFN区P区N区EcEvEFiEF感生电场edxdNNekTEaa10dxdNeDENeJapapp第二十四页，讲稿共三十八页哦3.4.6 晶体管的击穿（1）晶体管的穿通EcEvEFiEFEBCCBCBsBptNNNNeWV)(22BdBWx1RVcEFEvEB（p）E（n）C（n）2RVBECBECBWdBx第

14、二十五页，讲稿共三十八页哦3.4.6 晶体管的击穿（2）雪崩击穿CEVcEFEvEBECCBVcEFEvEBECBECPNNCEVBECPNNCBV0CBI0CEI0CEI0CBIee第二十六页，讲稿共三十八页哦3.4.6 晶体管的击穿（2）雪崩击穿000CBCECEIIICIV0CBBV0CEBV基极悬空发射极悬空0CBI0CEI)(000CBCECEIIMI001CBCEIMMInCBCBnCEIIBV0001I-V 特性曲线:电流和电压增益:第二十七页，讲稿共三十八页哦3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.1 Ebers-Moll模型（1）两个pn结的耦合电流（2）E-M等效电

15、路模型BECPNNFFIFIRIRRIBCVBEVBICIEIEBCCIEIBCVBEVRRIFFI1expkTeVIIBEESF1expkTeVIIBCCSR1exp1expkTeVIkTeVIIBCCSBEESFC1exp1expkTeVIkTeVIIBEESBCCSRE)1()1()1(lnRFESRFESBRCthBEIIIIVVRFFCBFBRCthCEIIIIVV)1()1(ln)(CBEIIICSRESFII第二十八页，讲稿共三十八页哦3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.1 Ebers-Moll模型I-V特性曲线：thCEFRFRthCERBCVVVVII/exp)1

16、()1(1/exp2.0R99.0F0259.0thV第二十九页，讲稿共三十八页哦3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.2 Gummel-Poon模型x集电区Nd基区Na+发射区Nd+掺杂浓度dxdNNekTEaa10dxdNeDENeJapapp非均匀掺杂电流公式修正：基区：thBEBBinthBEBpnnVVpxneDVVxneDJexpexp020thBExinnVVdxxpneDJBexp)(02发射区：thBEEEipthBEEnppVVnxneDVVxpeDJexpexp020thBExippVVdxxnneDJEexp)(02感生电场第三十页，讲稿共三十八页哦3.5 3

17、.5 等效电路模型等效电路模型3.5.Hybrid-Pi模型（1）发射结正偏pn结：BBrjeCC ebVbrEer（2）集电结反偏pn结：BC（3）CE电流耦合效应：EebmVg0rsCcrCCBEnpnnCE第三十一页，讲稿共三十八页哦3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.Hybrid-Pi模型（1）完整模型：BBrjeCC ebVbrEebmVg0rsCcrCCEerrC（2）简化模型：rC beVbemVgEBCE第三十二页，讲稿共三十八页哦3.5 3.5 等效电路模型等效电路模型3.5.3 Hybrid-Pi模型（1）等效电路：rC beVbemVgEBCE（2）频率响应：

18、bIcIrIVbbebmbemcIrgVgIrgIImbc0CrjrIVbbe1CrjIIbci10CrjrgIVgImbbemb1（a）直流响应：（b）交流响应：Crf21第三十三页，讲稿共三十八页哦3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.1 延时因子发射区到集电区的总延时：cdbeec发射结电容充电时间：CCrjeee EthBEEeIVdVdIr/1基区渡越时间：Bxbxvdx0)(nBbDx22sddvx集电结耗尽区渡越时间：集电结电容充电时间：sccCCr第三十四页，讲稿共三十八页哦3.6 3.6 频率上限频率上限3.6.2 晶体管截止频率ffji10ecf21共基极电流增益ffjf

19、fj0000111ffj100ff共发射极电流增益截止频率截止频率fff01第三十五页，讲稿共三十八页哦3.7 3.7 大信号开关大信号开关3.7.1 开关特性t0BBVRVFV0t3tt t1.001t2t3t4t5tdt9.0cIrtstft)(satIcBRCRCIBICCV BBV BEV（1）开关电路（3）输入信号（4）输出电流BQCQ正向有源饱和饱和BQ基区集电区发射区少子浓度（2）电荷存储第三十六页，讲稿共三十八页哦3.7 3.7 大信号开关大信号开关3.7.2 肖特基钳位晶体管（1）肖特基钳位晶体管BQ正向有源饱和基区集电区发射区少子浓度（2）电荷存储EBCCQ饱和EBCCBEnpnn（3）肖特基钳位晶体管的集成第三十七页，讲稿共三十八页哦3.8 3.8 其它双极晶体管其它双极晶体管*多晶硅发射极晶体管 提高了发射极注入效率和共基极电流增益GeSi基区晶体管 提高了共基极电流增益和截止频率异质结晶体管 提高了发射极注入效率和截止频率第三十八页，讲稿共三十八页哦