11第三章双极性晶体管

(1
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半导体器件物理
p E x p E0 p E0 e VE
n p x n p 0e VE
VT

VT
(1
x ) xB
x 1 1 xE

p C x p C0 p C0 e VC

VT
1 e

VT
p E xE p E0
p E x p E0 p E0 e VE

VT
xE x sinh L pE 1 x E WE sinh L pE

4
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xE x sinh L pE 1 x E WE sinh L pE
而增加。这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应，也称为Early效应
IC
I I B C0 h FE I B I CE 0 1 1
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基区宽度减小使少子浓度梯度增加：
图3-21 晶体管中的少数载流子分布 (a)有源区工作， VEB =常数， VCB 改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化 (b) I CB0 和 I CEO 对应的基区少数载流子分布
VT
1 ）
1 e VC xB sinh L n

VT
1

I nC qA
Dnnp0 Ln

VT
x 1 cth 1

I nE qAD n
np0
x B VE cth L e Ln n
• 寄生PNP晶体管截止
• 等效为寄生电容
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（2）NPN晶体管饱和或反向有源时：
• VBC>0
VSC<0
• 寄生PNP晶体管正向有源导通
• 饱和区：发射结正偏，集电结正偏
• 放大区：发射结正偏，集电结反偏 • 截止区：发射结反偏，集电结反偏 • 反向有源区：发射结反偏，集电结正偏 • 击穿区
I B I pE I nE I nC I rg
DPE D x qAn n B2 N dE x E 2N a L n
2 i
VE (e
VT
WE VE 1) e 2 0n i
2VT

I B e VE
VT
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x 1 1 xE

空穴电流为：
I pE WE qADpE
PE0 VE e xE

VT
1
VT

qAD pE
n2 i e VE N dE x E

1

5
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三、集电区少子空穴分布及其电流
d 2p C p C p C0 Dp 0 dx 2 p
n p x n p 0 n p 0 e VE

VT
xB x sinh L n n e VC 1 p0 xB sinh L n


VT
x sinh L n 1 xB sinh L n
2 VT
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3.6 基区扩展电阻和电流集聚 • 一、基区扩展电阻和电流集聚 • 有源电阻和无源电阻 • 非均匀载流子的注入使得沿发射结出现非均匀的电流分布，造 成在靠近边缘处有更高的电流密度，这种现象称为电流集聚效 应。
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• p+沟道阻挡：防止场寄生
晶体管开启。
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3.8.1 集成NPN管与分立NPN管有什么不同？
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3.8.2 集成NPN晶体管的有源寄生效应
• （1）NPN晶体管正向有源时：
• 放大区：发射结正偏，集电结反偏 • VBC<0 VSC<0


VT
x sinh L n 1 xB sinh L n

•
x=0处的电子电流和x=xB处的电子电流：
I nE qAD n dn p x dx
x0
I nE qA
Dn n p 0 Ln
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3.8 集成电路中的双极晶体管
• 器件之间必须相互电绝缘而成为各自相互独立的器件。 • 横向氧化层隔离；纵向反向pn结隔离。 • n-外延层的目的：为了提高集电结的反向击穿电压，获得易于控 制的高性能集电区；
• n+埋层的作用：降低集
电极串联电阻；同时防止 寄生效应。
n p x n p 0 n p 0 e VE n p 0 n p 0 e VE

VT
1 (1
x x x n
B B
p0
x n p 0 n p 0 e VE xB

VT
1 (1
VT

x x ) np0 xB xB x ) xB
7
VT
x x x ) n p 0 (1 ) n p 0 n p 0 e VE xB xB xB
x B VE cth （ e L n
VT
1 ）
1 e VC xB sinh L n

VT
1

I nC qAD n
dn p x dx
x xB
qA
Dn np0 Ln
1 e VE sinh( x B ) Ln

VT
1

I nC qAD n
np0
x B VE csch L e Ln n

VT
1

T
I nC x sech B I nE Ln
若 x B L n
I nE
n2 i qAD n e VE Na xB

VT
1

1 x2 B T 1 2 2 Ln

2
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n p x n p 0 n p 0 e VE

VT
xB x sinh L n n e VC 1 p0 xB sinh L n
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三、共发射极电流增益
1 hF E
IB IC
h
1 F E
I nE I nC I rg IC IC IC I pE
N x W x2 B2 a B E e VE N dE x E Dn 2L n 2Dnn i 0 N a x B DpE
h
1 F E
I E I nE IpE IRE
I B I pE I RE I nE I nC IC0
IC InC IC0
I E IC I B
1
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3.3.1 载流子分布与电流分量 一、中性基区少子电子的分布及其电流传输 中性基区（ 0 x x B ）少子电子分布及其电流：
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（3）减小有源寄生效应的措施 A.在结构上，可以增加n+埋层
• ①加大了寄生PNP晶体管的基区宽度
• ②形成了寄生PNP晶体管基区减速场
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（3）减小有源寄生效应的措施 • B.在工艺加工中，可以采用掺金的办法，通过增加复合中心数量 来减小寄生PNP管的电流增益； • C.在电路设计中，可以在NPN管的收集结上并连一个肖特基势垒 二极管（钳位二极管）限制寄生PNP管发射结正向电压来减小寄 生电流。
边界条件：
p C xC p C0e VC
pC pC0
VT
p C x p C0 p C0 e VC
I pC x qADpC

VT
1 e

x x C L pC
pC0 VC e LpC

VT
1 e

x xC LpC
qADpC
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空穴电流
I pE qAD pE
I pC qADpC
n2 i e VE N dE x E

VT
1

pC0 n i2 qADpC LpC N dC LpC
正偏压发射结空间电荷区复合电流：
I rg qAn i WE VE / 2VT e 2 0
Dn d 2n p dx 2 np np0 n
VT
0
边界条件为：
n p 0 n p 0 e VE
n p x B n p 0e VC
VT
x xB x xB np x np0 A exp B exp Ln Ln
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3.2.2 电流分量
I nE 是从发射区注入到基区中的电子流。 I nC 是到达集电结的电子流。
I nE I nC 是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 I pE 是从基区注入到发射区的空穴电流 I RE 是发射结空间电荷区内的复合电流。
I C 0 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。
p E x p E0 p E0 e VE

VT

若 x E LpE ,即发射结为短PN结：
p E x p E0 p E0 e VE

VT
WE x 1 1 x W E E

p E x p E0 p E0 e

VE VT
二、中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图
基极接触
n
p
发射极
型基极 型集电极
n
发射极接触
图3-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图
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3.7基区宽度调变效应
• 在共发射极电路正向有源模式下，对于给定的基极电流，集电极电流应当与集 电极电压无关。图中的曲线斜率应为零。但图中的电流却随集电极电压的增加
x x C L pC
正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布
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二、电流分量 正向有源区的基区电子电流：
I nE qA Dn n p 0 Ln x B VE cth （ e Ln
1 e VE sinh( x B ) Ln
一、少数载流子分布
n p x n p 0 n p 0 e VE

VT

n p 0 e VC

VT

n p x n p 0 n p 0 e VE

VT
1

sinh
xB x x sinh Ln Ln np0 x x sinh B sinh B Ln Ln
在 xB Ln 的情况下，简化
n i2 e VC N dC LpC

VT
1 e

( x xC )/Lpc
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•
3.3.2正向有源模式（放大区）
xB x sinh L n 1 xB sinh L n x sinh L n 1 xB sinh L n

VT
x B VC 1 cth e L n


VT
1

3
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二、发射区少子空穴分布及其电流：
d 2p E p E p E0 Dp 0 dx 2 p
边界条件：
pE WE p E0eVE