半导体集成电路_04集成电路中的晶体管及其寄生效应讲述

大部分被集电极反偏结收集：I
( 接近于1）
c
Ie
I c bo
Ie
I • 具有电流放大作用： c
Ib
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E
N
P
C N
B
当发射结正偏（VBE>0)，集电结也正偏（VBC>0)时(但注意，VCE仍
大于0)，为饱和工作区。
1. 发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电 子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在
正方向 V
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二极管的等效电路模型
VD
+
I Iso (eVT 1)
VD
-
正向偏置
-
+
反向偏置
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两结三层三极管(双结晶体管)
假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：
I
EE
N
IDE
V1
B
IB
P
N
ห้องสมุดไป่ตู้
IDC
V2
V1
I DE I ES (eVT 1)
IC
C
V2
I DC ICS (eVT 1)
半导体 集成电路
第2章 集成电路中的晶体管及 其寄生效应
• 双极晶体管的单管结构及工作原理 • 理想本征双极晶体管的EM模型 • 集成双极晶体管的有源寄生效应 • 集成双极晶体管的无源寄生效应 • MOS晶体管的单管结构及工作原理 • MOS集成电路中的有源寄生效应
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2.1双极晶体管的单管结构及工作原理
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理想本征集成双极晶体管的EM1模7 型
§2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应
双极晶体管的四种工作状态
S
IS
E(n+)
VBC
p I3 n I2
IB p n I1
V3 B(p)
IC C pnp
V2
npn C(n)
V1
S(p)
反向工作区
(反偏)
截止区
(正偏)
饱和区 VBE
(正偏)
正向工作区
• 双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电
发
发
收
集
射
发射区 射 基区 集
集电区
电
极
N+
结P 结
N
极
C
BE
基极
N+
p n
结构特点：1. 发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小 2.基区宽度很窄
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E
N
P
C N
B
当发射结正偏（VBE>0)，集电结反偏（VBC<0)时，为正向工作区。
BJT的三种组态
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三结四层结构(多结晶体管)
S
IS
p I3
n I2
B IB
p n I1
V3
IC C
V2 V1
IE
E
V1
V2
I1 I ES (eVT 1) aICS (eVT 1)
V1
V2
V3
I2 bI ES (eVT 1) ICS (eVT 1) cISS (eVT 1)
少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明 显下降。
2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即
Ic Ib不再成立。
3. 对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深 饱和时VCES达0.1～0.2V。
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当发射结反偏（VBE<0),集电结也反偏（VBC<0) 时，为截止区。
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理想本征集成双极晶体管的EM1模1 型
实际双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成：
发
发
收
集
射
发射区 射 基区 集 集电区
电
极
结
结
极
基极
基区宽度远远小于少子扩散长度，相邻PN结 之间存在着相互作用
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两结三层三极管(双结晶体管)
V1
V2
I1 I ES (eVT 1) AICS (eVT 1)
当VBC>0 ， VBE<0时，为反向工作区。工作 原理类似于正向工作区，但是由于集电区
的掺杂浓度低，因此其发射效率低， R
很小（约0.02）。
C
N
P
E N
B
反向工作区
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共发射极的直流特性曲线
三个区域： 饱和区 放大区 截止区
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2.2 理想本征集成双极晶体管的EM模型
电子流
空穴流
共基极短路电
Ie=Ic+Ib
流增益
Ic Ie Icbo Ie
令
1
共射极短路电 流增益
则 Ic Ib
Ie I p ( X1) In ( X 2 ) Ib I p ( X1) Irb Icbo 2020/10/1
Ic In ( X 4 ) Icbo
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正向工作区
• 发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进，
I1 1
I2 R
I3 0
R
1
R
0
R
1
I ES I CS I SS
V1
(e VT
V2
(e VT
V3
(e VT
1) 1)
1)
n I2 IB p
IC C
V2
根据基尔霍夫定律，有：
n I1 V1
IE
E
IE 1
IB IC IS
1 0 0
0 1 1 0
0
0 11
I1 I2 I3
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理想本征集成双极晶体管的EM1模6 型
三结四层结构(多结晶体管)
IE 1
IB IC IS
1
F
0
F
R 1R (1SF ) SF
0
SR (1 SR
1
)
I ES ICS I SS
V1
(e VT
V2
(e VT
V3
(e VT
1) 1)
1)
理想本征集成双极晶体管的 EM模型
V2
V3
I3 dICS (eVT 1) ISS (eVT 1)
a
I1 I2
V1 V3
0 0
R
c
I2 I3
V1 V2
0 0
SR
b
I2 I1
V2 V3
0 0
F
d
I3 I2
V2 V3
0 0
SF
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理想本征集成双极晶体管的EM1模5 型
三结四层结构(多结晶体管)
S
IS
p I3 V3
I
EE
B
IB
NPN
I1
I2
V1 V2
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V1
V2
I2 BI ES (eVT 1) ICS (eVT 1)
NPN管反向运用时
IC
共基极短路电流增
C
A I1 I2
V 10
IE IC
益
V 10 R
B I2 I1
V 20
IC IE
V 20 F
NPN管正向运用时
共基极短路电流增
理想本征集成双极益晶体管的EM1模3 型
(反偏)
IE
E
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NPN管工作于正向工作区和截止区的情况
B(p) pnp
E(n+)
npn
C(n)
S(p)
(正偏)
VBC
反向工作区
饱和区
(反偏) 截止区
(反偏)
(正偏) VBE 正向工作区
一结两层二极管(单结晶体管)
P-Si N-Si
I
V
I Is0 (eVT 1)
V
IS0
Aq( DnnP0 Ln
DP Pn0 ) LP
热电压. I(mA) T=300K,约为26mv
A:结面积, D:扩散系数,L:扩散长度,
pn0,np0:平衡少子寿命
ISO
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V
I I so (eVT 1)