3双极型晶体管.pptx

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1、理想化的本征结构第1页/共44页2.4.1 直流放大原理1.双极晶体管结构（1 1）双极晶体基本管结构）双极晶体基本管结构第2页/共44页双极晶体管的双极晶体管的两种形式：两种形式：NPN和和PNPNPNcbePNPcbe第3页/共44页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第4页/共44页（2 2）实际结构和杂质分布）实际结构和杂质分布第5页/共44页（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

2、态：发射结正偏，集电结正偏饱和状态：发射结正偏，集电结正偏第6页/共44页（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，共基极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。而共发射极具有较大的放大能力，应用较广。第7页/共44页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

3、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，故称发射结第8页/共44页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，形成非平衡少子电子在基区的扩散运动。累，形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

4、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第9页/共44页根据上述分析，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

5、的电流传输如图所示：第10页/共44页（1 1）发射效率与基区输运系数：）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基区宽度尽量小，基区中非平衡少子的寿命尽量大。量大。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第11页/共44页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，即注入效率的比值，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

6、的少数载流子的比值，即输运系数基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与从基区进入集电区的电子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，称为收集效率电流之比，称为收集效率。第12页/共44页定量分析可得：要增大要增大*，需使，需使WWb b远小于非平衡少子电子在远小于非平衡少子电子在基区的扩散长度基区的扩散长度L Lnbnb。第13页/共44页（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，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。基区输运系数的乘积。非常接近于非常接近于1 1，一般大于，一般大

7、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第14页/共44页三个区域：三个区域：饱和区饱和区 放大区放大区截止区截止区(4)晶体管放大电路工作原理第15页/共44页减小发射区方块电阻，即增益发射区的掺杂浓减小发射区方块电阻，即增益发射区的掺杂浓度。度。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。减小基区宽度减小基区宽度WWb b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增大增大，使基区杂质分布尽量陡峭。，使基区杂质分布尽量陡峭。4 提高电流

8、增益的途径第16页/共44页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)厄利电压厄利电压第17页/共44页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）第18页/共44页（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。多数载流子的浓度。1 1 形成基区自建场，起着加速少子的作用，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。导致电流放大

9、系数增大。2 2 基区电导调制，由于少子增加，导致多基区电导调制，由于少子增加，导致多子增加，以保持电中性，使电导增加，导致子增加，以保持电中性，使电导增加，导致发射效率发射效率减小，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首先随工作电首先随工作电流的增加而增加，随着电流的进一步加大，流的增加而增加，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。第19页/共44页（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上

10、的电位不相等。因此增大最大允许工作电流的途径是增大发射结的周长。流的途径是增大发射结的周长。第20页/共44页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。第21页/共44页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三个结击穿电压，与单个结的击穿电压基本相同同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，随着集电结上反向电压增加，集电结耗尽层变宽，使基区有效宽度集电结耗尽层变宽，使基区有效宽度w wb b减小。减小。若尚未使集电结击穿，但由于

11、集电结耗尽层变若尚未使集电结击穿，但由于集电结耗尽层变宽使基区有效宽度宽使基区有效宽度w wb b减小到趋于减小到趋于0 0的程度，将的程度，将导致输出端电流急剧增加，与击穿现象类似。导致输出端电流急剧增加，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第22页/共44页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，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。因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

12、号放大倍数倍数：第23页/共44页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/十倍十倍频程频程)的速度下降。的速度下降。第24页/共44页(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：使电流增益下降为低频值的频值的 (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 时的时的频率，记为频率，记为f fT

13、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时对应的频时对应的频率率第25页/共44页3.频率特性和结构参数的关系提高提高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

14、。第26页/共44页2.4.5 晶体管模型和模型参数第27页/共44页综合考虑双极晶体管直流、交流特性和各种效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路，共应的影响，可得到描述其特性的等效电路，共涉及涉及2727个基本模型参数。个基本模型参数。第28页/共44页第29页/共44页 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

15、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第30页/共44页输入电容由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第31页/共44页缺点：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

16、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第32页/共44页2.5 JFET与与MESFET器件基础器件基础JFET(Junction-gate Field Effect Transistor)MESFET JFET(Junction-gate Field Effect Transistor)MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)都是都是目前集成电路中广

17、泛使用的半导体器件目前集成电路中广泛使用的半导体器件.JFETJFET可以与可以与BJT(BJT(双极晶体管双极晶体管)兼容兼容,可用作恒流源可用作恒流源及差分放大器等单元电路及差分放大器等单元电路;而而MESFETMESFET是目前是目前GaAs GaAs 微波集成电路广泛采用的器件结构。微波集成电路广泛采用的器件结构。MOSFETMOSFET是靠静电感应电荷控制沟道电荷量是靠静电感应电荷控制沟道电荷量,JFETJFET与与MESFETMESFET依靠势垒的空间电荷区扩展来控依靠势垒的空间电荷区扩展来控制沟道的变化。制沟道的变化。JFETJFET依靠依靠pnpn结空间电荷区控制沟道电荷，结空

18、间电荷区控制沟道电荷，MESFETMESFET是依靠肖基特势垒来控制沟道的变化。是依靠肖基特势垒来控制沟道的变化。第33页/共44页2.5.1 器件结与电流控制原理1 1 结型场效应晶体管的结构结型场效应晶体管的结构第34页/共44页用掺杂在用掺杂在n n型衬底上构成型衬底上构成p+p+区，从而形成一个区，从而形成一个pnpn结。结。上下两个上下两个P P型区联在一起型区联在一起,称为栅极称为栅极(G:grid)(G:grid)。pnpn结下方有一条狭窄的结下方有一条狭窄的N N型区域称为沟道型区域称为沟道(channel)(channel)，其厚度为，其厚度为d d，长度为，长度为L L，宽

19、度为，宽度为WW。沟道两端的欧姆接触分别称为漏极沟道两端的欧姆接触分别称为漏极(D,drain)(D,drain)和和源极源极(S,source)(S,source)。这种结构又称为。这种结构又称为N N沟沟JFETJFET。第35页/共44页2 JFET中沟道电流的特点在漏（在漏（D D）极和源（）极和源（S S）极之间加一个电压）极之间加一个电压V VDSDS,就有电流就有电流I IS S流过沟道流过沟道.如果在栅（如果在栅（G G）和源（）和源（S S）极之间加一个反向）极之间加一个反向pn pn 结电压结电压V VGSGS，将使沟道区中的空间电荷区，将使沟道区中的空间电荷区之间的距离逐

20、步变小之间的距离逐步变小,由于栅区为由于栅区为P P+,杂质浓杂质浓度比沟道区高得多，故度比沟道区高得多，故PNPN结空间电荷区向沟结空间电荷区向沟道区扩展道区扩展,使沟道区变窄使沟道区变窄.从而实现电压控制从而实现电压控制源漏电流的目的。源漏电流的目的。综上所述：1 JFET1 JFET是压控器件是压控器件.2 JFET2 JFET工作时工作时,栅源是反偏电压栅源是反偏电压,控制电流很控制电流很小小,因此是用小输入功率控制大的输出功率因此是用小输入功率控制大的输出功率.3 I3 ID D是在沟道中电场作用下多数载流子漂移是在沟道中电场作用下多数载流子漂移电流电流,又称为单极器件又称为单极器件

21、.第36页/共44页1 V1 VGSGS=0=0情况下的源漏特性情况下的源漏特性 一般源极接地。由于栅区为一般源极接地。由于栅区为P P+,可以认为栅区等电位可以认为栅区等电位.2 V2 VGSGS 0 0情况下的源漏特性：曲线下移情况下的源漏特性：曲线下移2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析第37页/共44页2.5.3 JFET直流转移特性 I IDSDS随随 V VGSGS变化的情况变化的情况.V VGSGS=0=0的电流的电流I IDSSDSS I IDSDS=0=0对应的电压对应的电压V VGSGS即为夹断电压即为夹断电压V VP P.VGS第38页/共44页2、特性分析1.1.

22、阈值电压阈值电压V VT TN Nsubsub为沟道掺杂浓度，为沟道掺杂浓度，a a代表沟道宽度的一半代表沟道宽度的一半2.2.直流特性直流特性（1 1）导通区伏）导通区伏-安特性安特性 为跨导因子，为跨导因子，为沟道长度调制为沟道长度调制系数系数第39页/共44页（2）饱和区伏-安特性（3）特征频率fTfT的定义与MOSFET相同第40页/共44页三、器件模型参数参数参数含义含义参数参数含义含义L L，WW沟道长度沟道长度,宽度宽度RSRS源极电阻源极电阻VTOVTO阈值电压阈值电压V VT TCGSCGS零偏零偏G-SG-S结势垒电容结势垒电容BETABETA跨导系数跨导系数 CGDCGD零偏零偏G-DG-D结势垒电容结势垒电容LAMBDALAMBDA沟道长度调制系沟道长度调制系数数PBPB栅栅pnpn结接触电势结接触电势RDRD漏极电阻漏极电阻ISIS栅栅pnpn结饱和电流结饱和电流第41页/共44页第42页/共44页源 栅 漏 源 漏N沟道衬底JFETN沟道衬底MESFETJFET与MESFET结构P+Metal第43页/共44页谢谢您的观看！第44页/共44页