双极型晶体管课件.pptx

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1、2.4 双极型晶体管双极晶体管即三极管，是集成电路的主要有源器双极晶体管即三极管，是集成电路的主要有源器件之一。件之一。由两个相距很近的由两个相距很近的PNPN结组成，具有放大作用，即结组成，具有放大作用，即两个独立两个独立PNPN结有本质区别。结有本质区别。分为：分为：NPNNPN和和PNPPNP两种形式两种形式放大原理、晶体管模型、基本模型参数放大原理、晶体管模型、基本模型参数发射区发射区收集区收集区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基极基极基区基区基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度 1 理想化的本

2、征结构 电流关系表示为矩阵形式：电流关系表示为矩阵形式：I IESES、I ICSCS和和I ISSSS为为BEBE、BCBC和和SCSC结的饱和电流，结的饱和电流，N NE E、N NC C、N NS S分别为三个结的发射系数，分别为三个结的发射系数，是电是电流增益。流增益。若忽略衬底结若忽略衬底结SCSC的影响，则：的影响，则：F F和和 R R分别为正向和反向的共基电流放大系数。分别为正向和反向的共基电流放大系数。双极晶体管双极晶体管4 4个区域个区域 2.4.1 直流放大原理（1 1）双极晶体管结构）双极晶体管结构 双极晶体管的双极晶体管的两种形式：两种形式：NPN和和PNPNPNcb

3、ePNPcbe 双极晶体管双极晶体管的结构和版的结构和版图示意图图示意图（2 2）实际结构和杂质分布）实际结构和杂质分布（3 3）偏置方式）偏置方式正向放大：发射结正偏，集电结反偏正向放大：发射结正偏，集电结反偏反向放大：发射结反偏，集电结正偏反向放大：发射结反偏，集电结正偏截止状态：发射结反偏，集电结反偏截止状态：发射结反偏，集电结反偏饱和状态：发射结正偏，集电结正偏饱和状态：发射结正偏，集电结正偏（4 4）晶体管电路连接方式）晶体管电路连接方式根据公共端不同，分为三种：根据公共端不同，分为三种：共基极、共射极、共集电极共基极、共射极、共集电极共基极有助理解晶体管放大作用的物理过程，而共基极

4、有助理解晶体管放大作用的物理过程，而共发射极具有较大的放大能力，应用较广。共发射极具有较大的放大能力，应用较广。2 直流电流传输过程（1 1）双极晶体管直流电流传输过程）双极晶体管直流电流传输过程发射结正偏发射结正偏发射区掺杂浓度远发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度高于基区掺杂浓度发射极电流主要由发射极电流主要由高掺杂发射区向基高掺杂发射区向基注入的电子电流组注入的电子电流组成，故称发射结成，故称发射结 发射区向基区注入的电子远大于基区的平衡少子电子的数量，发射区向基区注入的电子远大于基区的平衡少子电子的数量，因此在发射结的基区一侧边界就有非平衡少子的积累，形，因此在发射结的基区一侧边界就有非平

5、衡少子的积累，形成非平衡少子电子在基区的扩散运动。成非平衡少子电子在基区的扩散运动。扩散的电子一部分要在扩散过程扩散的电子一部分要在扩散过程中与基区的多子空穴复合。为此，中与基区的多子空穴复合。为此，基区宽度基区宽度WWb b必须比非平衡少子必须比非平衡少子在基区的扩散长度小得多，则电在基区的扩散长度小得多，则电子在基区的复合就很少，大部分子在基区的复合就很少，大部分能够扩散到集电结。能够扩散到集电结。晶体管用于放大时，集电结反偏，晶体管用于放大时，集电结反偏，集电结在基区一侧边界处电子浓集电结在基区一侧边界处电子浓度基本为度基本为0 0，基区中非平衡少子，基区中非平衡少子呈线性分布，基区电子

6、扩散到边呈线性分布，基区电子扩散到边界时，立即被反偏集的强电场扫界时，立即被反偏集的强电场扫至集电区，成为集电极电流。至集电区，成为集电极电流。基区非平衡少子分布 根据上述分析，在发射结正偏、集电结反偏时，根据上述分析，在发射结正偏、集电结反偏时，晶体管内部的电流传输如图所示：晶体管内部的电流传输如图所示：2.3 NPN 晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运正常工作时的载流子输运 相应的载流子分布相应的载流子分布 电子流电子流电子流电子流空穴流空穴流空穴流空穴流NPNNPN晶体管的电流输运晶体管的电流输运 NPN NPN晶体管的电流转换晶体管的电流转换（1 1）发射效率与基区输运系数：）

7、发射效率与基区输运系数：发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度基区宽度尽量小，基区中非平衡少子的寿命尽量基区宽度尽量小，基区中非平衡少子的寿命尽量大。大。注入效率注入效率 基区输运系数基区输运系数*3 双极晶体管直流电流增益 直流电流的理论表征直流电流的理论表征第一项是发射区多数载流子电流与发射极总电流的第一项是发射区多数载流子电流与发射极总电流的比值，即注入效率比值，即注入效率。第二项是离开基区的少数载流子与发射区注入到基第二项是离开基区的少数载流子与发射区注入到基区输运的少数载流子的比值，即输运系数区输运的少数载流子的比值，即输运系数*。第三项是总的集电极

8、与从基区进入集电区的电子电第三项是总的集电极与从基区进入集电区的电子电流之比，称为收集效率流之比，称为收集效率。定量分析可得：要增大要增大*，需使，需使WWb b远小于非平衡少子电子在基区远小于非平衡少子电子在基区的扩散长度的扩散长度L Lnbnb。（2 2）共基极直流电流增益）共基极直流电流增益0 0 ：0 0=*，即共基极直流电流增益等于注入效率和基，即共基极直流电流增益等于注入效率和基区输运系数的乘积。区输运系数的乘积。非常接近于非常接近于1 1，一般大于，一般大于0.90.9。（3 3）共射极直流电流增益）共射极直流电流增益0 0 三个区域：三个区域：饱和区饱和区 放大区放大区截止区截

9、止区(4)晶体管放大电路工作原理饱和区：两个结均为正偏饱和区：两个结均为正偏 放大区：正常放大放大区：正常放大截止区：截止区：I Ib b=0=0，集电结反偏，集电结反偏 1.1.减小发射区方块电阻，即增益发射区的掺杂浓度。减小发射区方块电阻，即增益发射区的掺杂浓度。2.2.增大基区的方块电阻，即减少基区的掺杂浓度，增大基区的方块电阻，即减少基区的掺杂浓度，但要适量，否则引起副作用。但要适量，否则引起副作用。3.3.减小基区宽度减小基区宽度WWb b4.4.增大增大L Lnbnb，即提高基区非平衡少子的寿命，即提高基区非平衡少子的寿命5.5.增大增大，使基区杂质分布尽量陡峭。，使基区杂质分布尽

10、量陡峭。4 提高电流增益的途径 2.4.2 影响晶体管直流特性的其他原因1 基区宽变(变窄)效应和厄利电压理想情况下晶体管输出特性曲线理想情况下晶体管输出特性曲线(图图1)1)基区宽变效应基区宽变效应(厄利效应厄利效应)厄利电压厄利电压 2 大电流效应（1 1）电流增益）电流增益0 0与电流的关系（图）与电流的关系（图）（2）大注入效应：注入到基区的非平衡少数载流子浓度超过平衡多注入到基区的非平衡少数载流子浓度超过平衡多数载流子的浓度。数载流子的浓度。1 1 形成基区自建场，起着加速少子的作用，导形成基区自建场，起着加速少子的作用，导致电流放大系数增大。致电流放大系数增大。2 2 基区电导调制

11、，由于少子增加，导致多子增基区电导调制，由于少子增加，导致多子增加，以保持电中性，使电导增加，导致发射效加，以保持电中性，使电导增加，导致发射效率率减小，从而使电流增益减小，从而使电流增益0 0 减小。减小。上述两种效应的综合结果是上述两种效应的综合结果是0 0首先随工作电流首先随工作电流的增加而增加，随着电流的进一步加大，的增加而增加，随着电流的进一步加大，0 0随工作电流的增加而减小。随工作电流的增加而减小。（3）电流集边效应：由于基区横向压降，使发射区基区一侧结面上由于基区横向压降，使发射区基区一侧结面上的电位不相等。因此增大最大允许工作电流的的电位不相等。因此增大最大允许工作电流的途径

12、是增大发射结的周长。途径是增大发射结的周长。3 晶体管小电流特性小电流情况下，由于空间电荷区的复合，导致小电流情况下，由于空间电荷区的复合，导致0 0下降。下降。2.4.3 晶体管的击穿电压1 1 击穿电压击穿电压三个结击穿电压，与单个结的击穿电压基本相同三个结击穿电压，与单个结的击穿电压基本相同2 2 基区穿通基区穿通基区穿通现象：基区穿通现象：随着集电结上反向电压增加，集随着集电结上反向电压增加，集电结耗尽层变宽，使基区有效宽度电结耗尽层变宽，使基区有效宽度w wb b减小。若尚减小。若尚未使集电结击穿，但由于集电结耗尽层变宽使基未使集电结击穿，但由于集电结耗尽层变宽使基区有效宽度区有效宽

13、度w wb b减小到趋于减小到趋于0 0的程度，将导致输出端的程度，将导致输出端电流急剧增加，与击穿现象类似。电流急剧增加，与击穿现象类似。基区穿通电压基区穿通电压基区穿通电压与晶体管结构的关系基区穿通电压与晶体管结构的关系 2.4.4 晶体管的频率特性1 双极晶体管交流小信号增益晶体管用于放大交流信号时，信号一般很小，因晶体管用于放大交流信号时，信号一般很小，因此采用交流小信号增益。此采用交流小信号增益。共基极交流小信号放大共基极交流小信号放大倍数倍数为：为：共射极交流小信号放大共射极交流小信号放大倍数倍数：2 晶体管频率特性参数(1)(1)频率特性频率特性频率较低时，电流增益频率较低时，电

14、流增益和和的辐值基本为常的辐值基本为常数，等于直流小信号电数，等于直流小信号电流增益。流增益。随着频率增高，随着频率增高，和和的幅值以的幅值以(6dB/(6dB/十倍频十倍频程程)的速度下降。的速度下降。(2)(2)截止频率截止频率f f 和和f f ：使电流增益下降为低频值：使电流增益下降为低频值的的 (1/2)(1/2)时的频率。时的频率。(3)(3)特征频率：共射极电流增益特征频率：共射极电流增益下降为下降为1 1 时的频时的频率，记为率，记为f fT T.(4)(4)最高振荡频率最高振荡频率f fMM：功率增益为功率增益为1 1时对应的频率时对应的频率 3.频率特性和结构参数的关系提高

15、提高f fT T的途径的途径减小基区宽度，以减小基区的渡越时间减小基区宽度，以减小基区的渡越时间b b减小发射结面积减小发射结面积A Ae e和集电结面积和集电结面积A Ac c，可以减小发射，可以减小发射结和集电结势垒电容，从而减小时间常数结和集电结势垒电容，从而减小时间常数 e e和和 c c减小集电区串联电阻减小集电区串联电阻R Rc c，也可以减小，也可以减小 c c兼顾功率和频率特性的外延晶体管结构。兼顾功率和频率特性的外延晶体管结构。2.4.5 晶体管模型和模型参数 综合考虑双极晶体管直流、交流特性和各种效应综合考虑双极晶体管直流、交流特性和各种效应的影响，可得到描述其特性的等效电

16、路，共涉及的影响，可得到描述其特性的等效电路，共涉及2727个基本模型参数。个基本模型参数。5.BJT的特点的特点优优点点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速高速应用应用整个发射结整个发射结上有电流流上有电流流过过可获得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率大功率应用应用开态电压开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工艺无关工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电模拟电路路 输入电容由

17、输入电容由扩散电容决扩散电容决定定随工作电流的随工作电流的减小而减小减小而减小可同时在大或小的电可同时在大或小的电流下工作而无需调整流下工作而无需调整输入电容输入电容输入电压直接控制提供输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度输出电流的载流子密度高跨导高跨导 缺点：缺点：开关速度慢开关速度慢设计设计设计设计BJTBJT的关键：的关键：的关键：的关键：获得尽可能大的获得尽可能大的获得尽可能大的获得尽可能大的I IC C和尽可能小和尽可能小和尽可能小和尽可能小的的的的I IB B 当代当代BJT结构结构特点：特点：深槽隔离深槽隔离多晶硅发多晶硅发射极射极 HBT(Heterojunction Bi

18、polor Transistor)HBT(Heterojunction Bipolor Transistor)是利用不是利用不同禁带宽度的化合物半导体材料构成的新型器件，同禁带宽度的化合物半导体材料构成的新型器件，其纵向结构如图。其纵向结构如图。典型典型npnnpn的的HBTHBT的发射区的发射区是化合物半导体材料是化合物半导体材料n n型型AlGaAsAlGaAs制成的，基极是制成的，基极是p p型型GaAsGaAs制成的，集电制成的，集电极是用极是用n n型型GaAsGaAs制成。制成。因此发射结为因此发射结为AlGaAsAlGaAs和和GaAsGaAs构成的异质结。构成的异质结。2.4.

19、6 异质结双极晶体管（HBT）通过发射结的电子流与空穴电流之比为通过发射结的电子流与空穴电流之比为A A为比例系数，为比例系数，N NDeDe和和N NAbAb分别为发射区和基区分别为发射区和基区掺杂浓度。掺杂浓度。其具有高频特性的原因如下：其具有高频特性的原因如下：电子迁移率高，电子扩散系数也高，基区渡越电子迁移率高，电子扩散系数也高，基区渡越时间短，时间短，f fT T提高。提高。基区串联电阻小。基区串联电阻小。资 料中芯国际中芯国际作为全球第三大芯片代工企业，生产作为全球第三大芯片代工企业，生产 的的产品包括动态存储器、静态存储器、闪存存储器产品包括动态存储器、静态存储器、闪存存储器等。

20、它们是各类消费电子产品，如计算机、数码等。它们是各类消费电子产品，如计算机、数码相机、相机、MP4MP4、手机等的核心部件。、手机等的核心部件。目前，除北京、上海、无锡外，武汉拥有中芯国目前，除北京、上海、无锡外，武汉拥有中芯国际在大陆的第四条际在大陆的第四条1212英寸生产线。英寸生产线。1212英寸芯片生产线主要采取英寸芯片生产线主要采取纳米纳米技术。而这一技技术。而这一技术的提供者是美国飞索公司，全球知名的三星、术的提供者是美国飞索公司，全球知名的三星、诺基亚等顶级企业，都是它的客户。诺基亚等顶级企业，都是它的客户。20072007年起，年起，飞索正式成为中芯国际的战略合作伙伴，为其提飞索正式成为中芯国际的战略合作伙伴，为其提供供9090纳米、纳米、6565纳米、纳米、4343纳米、纳米、3232纳米等世界领先纳米等世界领先技术。技术。(2008.9.22)(2008.9.22)