双极性晶体管讲义

eqVBE kT 1
xE x'
x' xe
•集电区空穴浓度分布
pc
x"
pc0
pc0Leabharlann e 1 e qVBC kT
x" Lpc
pc0ex" Lpc
其他工作模式的少子分布？ 截止区 饱和区 反向有源
3.2 少子分布
3.2.2 其他工作模式
3.1 双极型晶体管的工作原理
集成电路中的常规npn管
3.1 双极型晶体管的工作原理
氧化物隔离的npn管横截面图
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.1 基本工作原理
发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度为1019，1017，1015 cm-3 BJT是非对称器件
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.1 基本工作原理
ln N AB (0)
N AB (WB )
基区杂质指数分布BJT的基区漂移系数
3.2 少子分布
2.非平衡少子分布及电流密度 从输运方程开始求非平衡少子密度NPB(X) 利用边界条件求出jnB
3.2 少子分布
A.基区电子分布
nb (x)

J nb qDnb Nb (x)

Wb x
3.1 双极型晶体管的工作原理
VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE
当VCC足够大，VR较小时，VCB>0 此时正向有源。 IC增大， VR增大，VCB减小，C结零偏 准饱和，C结反偏饱和 饱和时集电极电流不受控于VBE！
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.3 双极晶体管放大电路
希望尽可能多的电子能到达集电区而不和基区中的多子空穴复合
3.1.1 基本工作原理
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.2 晶体管电流的简化表达式
偏置在正向有源模式下的npn的少子分布图
理想情况，由于没有 复合，少子浓度线性。
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.2 晶体管电流的简化表达式
集电极电流： 假定：基区电子线性分布 集电极电流为扩散电流
第三章 双极晶体管
Bipolar junction transisitor (BJT)
第三章 双极晶体管
3.1 双极晶体管的工作原理 3.2 少子的分布与直流特性 3.3 低频共基极电流增益 3.4 非理想效应 3.5 等效电路模型 3.6 频率特性 3.7 大信号开关特性 3.8 其他的双极晶体管结构
LE,LB,LC 发射区、基区、集电区的少子扩散长度
Pe0
发射区热平衡少子空穴浓度
Nb0
基区热平衡少子电子浓度
Pc0
集电区热平衡少子空穴浓度
3.2 少子分布
3.2.1 正向有源模式
3.2 少子分布
一 均匀基区晶体管（以npn为例）
假设： （采用一维理想模型） e,b,c三个区均匀掺杂，e,c结突变 e,c结为平行平面结，其面积相同，电流垂
3.2 少子分布
B. 发射区空穴分布
对一般平面管，发射区有杂质梯度
发射区自建电场与基区处理类似
Ee (x)


kT q

1 Ne (x)

dNe (x) dx
• 有
pe (x)

J pe qDpe Ne (x)
x
We Ne (x)dx
pe
0

p eqVeb e0
kT
晶体管的诞生
1947年的圣诞前某一天，贝尔实验室中，布拉顿平稳地用刀片在三角形 金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随 即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他 们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫 起来。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40…… 实 验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克莱在这本笔记上 郑重地签了名。
IC


A

qDnb nb0 Lnb
csc h

Wb Lnb

(e
qVeb

kT

1)


qDnb
nb0
Lnb
cth

Wb Lnb

qDpc pc0 Lpc

3.2 少子分布
二 缓变基区晶体管（以npn为例）
1. 缓 变 基 区 中 的 自 建 电 场
双极晶体管和其他元件相连， 可以实现电压放大和电流放大
3.2 少子分布
对于正向有源工作npn器件，如何计算电 流？
晶体管电流>少子扩散电流>少子分布？
本书重要符号:
NE,NB,NC 发射区、基区、集电区的掺杂浓度
xE,XB,xC 电中性发射区、基区、集电区的宽度
DE,DB,DC 发射区、基区、集电区的少子扩散系数
结论：集电极电流由基极和发射极之间的电压控制，这就是晶体管的工作原理 发射极电流：
一是由从发射区注入到基区的电子电流形成的（iE1）；二是由基区的多子空穴越 过B-E结注入到发射区（iE2）,它也是正偏电流，表达形式同iE1
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.2 晶体管电流的简化表达式
基极电流:
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1 双极型晶体管的工作原理
均匀基区：少子扩散—扩散晶体管 缓变基区：扩散+漂移—漂移晶体管 合金晶体管：
铟球+N型鍺+铟球，熔化-冷却-析出形成 再结晶层，PNP,分布均匀 平面扩散晶体管
3.1 双极型晶体管的工作原理
• 发射区，基区杂质分布非均匀 • 发射结近似为突变结 • 集电结为缓变结
直结平面 外电压全降在空电区，势垒区外无电场，
故无漂移电流 e,c区长度＞＞少子L，少子浓度为指数分
布（随 x） Xm＜＜少子L，忽略势垒复合及产生 满足小注入条件 不考虑基区表面复合
3.2 少子分布
3.2 少子分布
1. 基区电子（少子）浓度分布
解
DB
d 2 (nb x nb0 )
得 Ae Ac A
IE


A


qDnb nb0 Lnb
cth

Wb Lnb

qDpe pe0 Lpe
(eqVeb
kT
1)
qDnb nb0 Lnb
csc
h

Wb Lnb

C极总电流 = C区电子电流 + 空穴电流（忽略c结势垒产生电流）
Nb
( x)dx
•基区杂质指数分布
x
Nb (x) Nb (0)e Wb
其中 为电场因子 ln Nb(0) Nb (Wb )
•对不同 η (η=0为均匀基区）做基区电子归一化浓 度分布曲线如图
由图可见：当η较大时，随着 x nb (x)
→
dnb (x) dx
扩散电流增加，漂移电流减少，但二者之和不变。
(a) 共基极接法
0

IC IE
0 0*

I
nB (0) I NE


I
nB (WB ) InB (0)

α＜1 并接近1(一般为0.95~0.995) 晶体管中的复合作用是不可避免的
N=ND-NA 硼B、磷P分别采用预淀积、再分布两步扩散形 成高斯分布。
N=NSeexp(-x2/Le2)-Nsbexp(-x2/Lb2)+NC Le2=4Dete,De 磷扩散系数，te扩散时间 Lb2=4Dbtb,Db 硼扩散系数，tb扩散时间 NSe磷表面浓度，NSb硼表面浓度
1948年，肖克莱发明了“结型晶体管 ”。1948年7月1日，美国《纽约 时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消 息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引 爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！
1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶 体管计算机 TRADIC
dx2

nb x nb0
B0
0
当 Wb Lnb,Vc 0, Vc KT 时q ，式10.15b简化
nb
x

qVBE
nb0e kT
1
x xB

3.2 少子分布
同理可以得到 •发射区空穴浓度分布
pe
x'

pe0

pe0 xE

Wb Lnb
cth
Wb Lnb

3.2 少子分布
发射区空穴电流密度分布
J pe (x)

qDpe
dpe (x) dx


qDpe pe0 Lpe
(eqVeb
kT
1) e(xx1)
Lpe
当
W L，则近似有 e
pe
J pe

qDpe Pe0 We
一是iE2， 该电流正比于exp(VBE/Vt) ，记为iBa；另一是基区多子空穴 的复合流iBb,依赖于少子电子的数量，也正比于exp(VBE/Vt) 。故基极电 流正比于exp(VBE/Vt) 。
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.3 工作模式
pn结电压大于0，正偏； 反之反偏
四种工作模式(npn)： 正向有源：Vbe>0，Vbc<0 饱和：Vbe>0，Vbc>0 反向有源：Vbe<0，Vbc>0 截止：Vbe<0，Vbc<0
qVbe e kT

1

e
x x1 Lpe

集电区空穴电流密度
J pc (x)


qDpc pc0 Lpc
e( xx4 )
Lpc
3.2 少子分布
3. 晶体管直流电流-电压基本方程
E极总电流 = 电子电流 + 空穴电流
令 Ae Jnb (0) Ac J pe (x1)
无源器件（passive device） ：工作时不
需要外部能量源（Source Energy）的器件。电阻、电 容、电感、二极管。
有源器件（Active Device） ：
工作时需要外部能量源的器件，该器件至少有一个输出 ，并且是输入信号的一个函数。
如：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管 、结型场效应晶体管…
原理：在器件的两个端点施加电压，控制第三端的电流
晶体管的诞生
1947年12月23日，美国物理 学家肖克莱（W·Shockley）
和布拉顿和巴丁在著名的
贝尔实验室向人们展示了第 一个半导体电子增幅器，即 最初的晶体管。
获得了1956年若贝尔物理学 奖金
第一支晶体管表面积2cm2， 相当于现在十亿个晶体管

J pe
qDpe Ne
0
0
N We e x dx
3.2 少子分布
C. 集电区杂质是均匀分布的，其中少子分布与均匀基区 晶体管相同。图2-15给出了一个实际外延平面晶体管 在不同工作电压下杂质分布及电场分布的计算结果。
3.2 少子分布
D. 基区渡越时间
B

Q'B IC

WB 2 2DnB
2. 电流密度分布
（假设③，势垒区外无电场，只考虑扩散电流）
基区电子扩散电流 Jnb x qDnb dnb x dx
Jnb (x)

qDnb nb0 Lnb

(e
qVeb


kT
1)ch(Wb x ) ch Lnb
sh(Wb Lnb )
x Lnb



FB
3.2 少子分布
三 重掺杂发射区
禁带宽度变窄
Eg

9ln
N 1017


ln
N 1017
2


1
0.5
/
2
(meV
)

有效掺杂浓度下降
nie 2

ni 2
exp( Eg ) KT
N'DE (x)

ni 2 nie 2
NDE (x)
3.3 低频共基极电流增益
3.3.1 有用的因素
3.3 低频共基极电流增益
3.3.1 有用的因素
3.3 低频共基极电流增益
3.3.1 有用的因素
定义
3.3 低频共基极电流增益
3.3.1 有用的因素
3.3 低频共基极电流增益
3.3.2 电流增益的数学表达式
一、晶体管的三种连接方式及电流放大系数
3.3 低频共基极电流增益
Pb q p Eb
qDp
dPb dx
0
Eb
x

kT q

1 pb (x)

dpb (x) dx

kT q

1 Nb (x)

dNb (x) dx
3.2 少子分布
BB

KT q
1 N AB (x)
dNAB (x) dx
BB
KT q
1 dNDB(x) NDB(x) dx
令X=0，得 通过发射结电子电流为
Jnb (0)

qDnb nb0 Lnb
(e
qVeb

kT
1)cth

Wb Lnb


csc h


Wb Lnb

X=Wb，得 到达集电结电子电流为
Jnb (Wb )

qDnb nb0 Lnb
(eqVeb
kT
1) csc h