chap3双极结型晶体管

IE
（3-2-7）
18
3.2.3电流增益
• 的意义：从发射区注入到基区的电子电
流，在总的发射极电流中所占的比例。
• T的意义：发射区注入到基区的电子电流
中能到达集电极的电子电流比例。
• 共基极直流电流增益还可以写为
I nC
I nE I pE I rg
T
19
3.2.3电流增益
• 是基区运输因子和发射极注射效率的
32
3.3.2正向有源模式
• 二、电流分量和基区运输因子
• 在正向有源模式下，且 xB Ln有：
T
1 1 2
xB2 L2n
（3-3-22）
• 由3-3-22可知：对于小的 xB / Ln，运输因子接近于1，
这意味着在越过基区的运输过程中，电子损失可以忽略。
33
3.3.2正向有源模式
• 三、经过近似后的电流分量 • 可以忽略基区复合电流和集电极漏电流，基
（4）截止模式： VE 0，VC 0。
9
3.2.1晶体管的放大作用
共基极连接晶体管的放大作用
图3 - 6（ a ）NPN 晶体管共基极放大电路
10
3.2.1晶体管的放大作用
共基极连接晶体管的放大作用
qVBE
B
E
qVBC
（b ）
C
图3-5NPN晶体管共基极能带图
11
3.2.1晶体管的放大作用
• 载流子的运输： • （1）发射结正偏，由于正向注入，电子从
34
3.3.2正向有源模式
• 进入发射区的空穴电流，忽略基区复合电流、 空间电荷区复合电流、集电极反向饱和电流：
IB I pE | AEqDpE (dpE / dx) | (AEqDpE p0E / LpE )eVBE /kT
IE IB IC
35
3.4 埃伯斯－莫尔方程
• 1、EM模型及基本方程
• I RE 是发射结空间电荷区耗尽层内的复合电
流。
• I C0 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。
16
3.2.2电流分量
• 电流分量
I E I nE I pE I rg
（3-1）
I B I pE I RE InE InC IC0 （3-2）
• 用等效电路模型来描述BJT的直流电特性。 • 该模型的电特性由两个方程进行描述，称
为E-M方程，该模型称为E-M模型。 • E-M方程适用于各种结构的BJT和BJT的各
种工作模式。
36
3.4.1 埃伯斯－莫尔模型 • 电路模型：将NPN晶体管看做两个背靠背的
互相有关联的二极管，这种关联是指一个 二极管正向电流的大部分流入另一个反向 偏置的二极管中。
pE x
pE0
pE0
eVE
VT
1 1
x xE
空穴电流为：
I pE
WE
qADpE
PEO xE
eVE VT 1
29
qADpE
ni2 N dE xE
eVE VT
1
（3-3-14）
3.3.1载流子分布与电流分量
三、集电区少子空穴分布及其电流 边界条件：
pC xC pC0eVC VT pC pC0
p x p p e 1 e VC VT
xxC LpC
C
C0
C0
（3-3-14）
I pC
x
qADpC
pC 0 LpC
e 1 e VC VT
x xC LpC
qADpC
ni2 N L 30 dC pC
e 1 e VC VT
( xxC ) / Lpc
（3-3-15）
3.3.2正向有源模式
22
3.2.3电流增益
IC （mA ） IC （mA ）
10
10
8
8
6
6
4
4
2 02
2
IE 0mA
4 6 8 10 VCB （V ）
（a ）
饱和区
125
10
100
8
75
6
有源区 50
4
2
0 02
25
IB 0A
截止区
4 6 8 10
VCE （V ） （b ）
图3-7集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形
• 发射区为重搀杂，发射结为P+N或者N+P，基区是两个PN 结的公共端。
• 双极晶体管的主要作用是对电流或者电压的放大。
6
3.1 双极结型晶体管的结构和制造工 艺
• 硅平面外延NPN晶体管：图3-2：横界面图和工艺复合图； 图3-3：净掺杂浓度分布。
• 是一个N+PNN+四层结构器件。 • 发射结面积小于集电结面积。 • 内基区（本征基区）：发射结和集电结距离最短的那一部
上； （7）发射结面积和集电结面积相等； （8）小注入，等等
24
3.3.1电流传输
• 理想晶体管的结构示意图：
N
d
N
a
0
xE WE
xB
xC
x
图 3-10 各区均匀掺杂 NPN 晶体管的杂质分布
25
3.3.1载流子分布与电流分量
一、电流传输
x x 中性基区（0
B）少子电子分布及其电流：
Dn
E
p
N
p
C
E
C
B （c）
B （d）
图 3-2 （a）理想的一维 NPN 双极结晶体管，（b）图（a）的电路符号 （c）理想的一维 PNP 双极结晶体管，（d）图（c）的电路符号
4
3.1 双极结型晶体管的结构和制造 工艺
5
3.1 双极结型晶体管的结构和制造工 艺
• 由两个相距很近的PN结组成，基区宽度远远小于少子扩 散长度，分为：NPN和PNP两种形式
一、少数载流子分布
在 xB Ln 的情况下，以及正向有源区的条件下， 3-3-4简化为
np x
n p0eVE
VT
1
x xB
（3-3-17）
当XB/Ln=0.1（基区宽度小于扩散长度）时，正向 有源模式下的各区少子分布如图3-11所示。
31
3.3.2正向有源模式
图3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布
23
3.3理想双极结型晶体管中的电流传 输
（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场； （2）结是理想的平面结； （3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流
子运动是一维的； （4）基区宽度远小于少子扩散长度； （5）发射结为短PN结； （6）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区
（3-3-7）
pE xE pE0
（3-3-8）
pE x
pE0
pE0
28
eVE
VT
1
s
inh
x
E
L
pE
x
sinh
xE WE L pE
（3-3-11）
3.3.1载流子分布与电流分量
x 若 E LpE，（3-3-11）式可以写作：
pE
x
pE0 pE0
eVE
VT
1
1
WE x xE WE
发射区注入基区，空穴由基区注入发射区。 呈现正向偏置的少子注入 • （2）假设：基区很小。即少子在到达基区 与集电区边界时还没有被完全复合掉。其 中大部分能到达集电结，并被内电场加速 进入集电结，称为集电结电流。
12
3.2.1晶体管的放大作用
• 从发射区注入基区，进入集电区的电子电 流远大于集电结反偏所提供的反向饱和电 流，是集电极电流的主要成分。
Chap3 双极结型晶体管
发展史
• 1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain)
• 1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley)
• 1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley)
37
3.4.1 埃伯斯－莫尔模型 • 正（向 F有I源F）区流：入流集过电发极射结的正向电流IF，大部分
• 反向有源区：流过集电结的正向电流IR，大部分
（ R I R）流入发射极
38
3.4.1 埃伯斯－莫尔模型
• 其中IF是发射结电压VE的函数，IR是集电结电压 VC的函数。F 和 R 分别称为正向和反向共基 极电流增益
8
3.2基本工作原理
• 双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。
令
VE VBE VB ，VE VC VBC VB VC分别为基极
对发射极和基极对集电极的电压。则四种工作模式是：
（1）正向有源模式：VE 0，VC 0；
（2） 反向有源模式：VE 0，VC 0；
（3）饱和模式： VE 0，VC 0；
• 2个二极管的电流可分别表示为（IF0和IR0是通 常二极管的饱和电流）
• IR IR0[exp(VCB / KT ) 1] • IF IF 0[exp(VBE / KT ) 1]
39
（3-4-1） （3-4-2）
3.4.1 埃伯斯－莫尔模型
• 则晶体管的端电流可表示为 IE IF RIR IC IR F IF IB (1F )IF (1R )IR
分。 • 外基区（非本征基区）：其余部分基区。
7
3.1 双极结型晶体管的结构和制造工 艺
• 双极型晶体管基区中的电流传输过程与杂质分布形式有极 密切的关系。
• 均匀基区晶体管：基区杂质浓度为常数。低注入下基区少 子的运动形式为扩散。
• 缓变基区晶体管：基区掺杂浓度随位置变化。低注入下基 区少子的运动形式既有扩散也有漂移。
乘积。其意义是经过发射结注入而到达集 电极的电子电流在总的发射极电流中所占 的百分比。应尽量接近1。
• 提高电流增益的途径是提高 和 T 。 • 提高 ：发射结采用N+P结；提高晶体
质量，减小发射结复合电流；
• 提中高的复T合：。减小基区宽度，降低扩散过程 20
3.2.3电流增益
• 3-2-9和3-2-10：集电结反偏和正偏的电流 关系。
I C I nC I C0 IE IC IB 0
（3-3） （3-4）
17
3.2.3电流增益
• 采用以下物理量描述晶体管的增益特性：
发射极注射效率 InE
I nE
（3-2-5）
IE InE I pE IRE
基区输运因子 T
T
I nC I nE
（3-2-6）
共基极直流电流增益 Ic Ic0
区的电子电流。即IC≈ InC ≈ InE ， T 1 。
IC | AEqDnB (dnB / dx) || AEqDnB (nB (0) / X B ) |
• XB称为有效基区厚度，是两个耗尽区边界到 边界的距离。
• 由PN结定律：IC AE qDnB (n0B / X B )eVBE / kT
• 1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司 （TI）
• 1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三）
• 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产
2
晶体管与场效应晶体管的区别
• 晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子 导电。被称之为双极型器件；而场效应管是利 用多数载流子导电，所以称之为单极型器件。
• 由于场效应管的工作电流和电压都可以很小， 且在工艺上易于集成，因此在大规模集成电路 中占主导地位。
• 但是结型晶体管凭借功耗和性能方面的优势仍 然广泛应用于高速计算机、火箭、卫星以及现 代通信领域中。
3
3.1双极结型晶体管的结构
E
发射区 基区 集电区
N
p
N
C
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E
B （a）
C
B （b）
发射区 基区 集电区
eVC
VT
1
（3-3-5）
InC
qADn
dnp x dx
x xB
qA
Dn n p 0 Ln
1
sinh( xB
)
eVE VT
1
cth
xB Ln
eVC
VT
1
（3-3-6）
Ln
27
3.3.1载流子分布与电流分量
二、发射区少子空穴分布及其电流： 边界条件：
pE WE pE0eVE VT
d 2np dx 2
np np0
n
0
边界条件为： np 0 np0eVE VT
np xB np0eVC VT
26
3.3.1载流子分布与电流分量
• 电子电流
I nE
qADn
dnp x
dx
x0
InE
qA Dnn p0 Ln
cth
xB Ln
（ eVE
VT
1） 1
sinh
xB Ln
• 晶体管实现放大的必要条件之一：基区宽 度很窄。
13
3.2.2电流分量
14
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 合引起的复合电流
• I pE 是从基区注入到发射区的空穴电
流
15
3.2.2电流分量
• 从而得到EM模型的基本方程为（3-4-5和6） IE IF 0[exp(VBE / KT ) 1] R IR0[exp(VCB / KT ) 1] IC IR0[exp(VCB / KT ) 1] F IF 0[exp(VBE / KT ) 1]
• 集电结电流与集电结电压无关。 • 图3-7
21
3.2.3电流增益
共发射极电流增益 hFE
IC IC I B IC0
IC
1
IB
IC0
1
hFE I B
I CE 0
式中定义
hFE 1
I CE 0
IC0
1
共发射极直流电流增益
IB=0时，集电极－发射极漏电流， 也称为穿透电流。