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1、 第十章双极晶体管双极晶体管的工作原理基本工作原理工作模式少子分布电流增益非理想效应频率特性开关特性 双极结型晶体管 BipolarJunctionTransistor BJT 简称为双极型晶体管或双极晶体管 晶体管可以用来放大电流 电压 或功率 是一种有源器件 三端器件 通过控制两端之间的电压来控制另外一端的电流 电压控制电流源 双极的意义在于 在这种器件中存在着两种极性相反的载流子和电流两个耦合的PN结有多种偏置状态组合 即不同的工作模式 10 1双极晶体管的工作原理基本结构三个掺杂区 两个PN结 代表重掺杂 代表较重的掺杂 实际器件结构图传统双极型集成电路中的BJT结构埋层 减小串联电阻
2、 隔离 采用PN结 实际器件结构图先进的双层多晶硅BJT结构埋层 减小串联电阻 隔离 采用绝缘介质 注意 npn和pnp的双极晶体管不是对称结构 从实际器件结构图和各区的掺杂浓度的不同都可以反映出这一点 基本工作原理npn型BJT与pnp型BJT是完全互补的两种双极型晶体管 以npn型器件为例来进行讨论分析 其结论对pnp型器件也完全适用 典型杂质浓度 E 1e19 B 1e17 1e18 C 1e15 P n n C B E Nd Na E B C 定性分析热平衡和偏置状态 注意这里没有反映出各个区杂质浓度的区别 正向有源区 电子的输运过程 B E结正偏 B C结反偏 正向有源模式 注意基区
3、宽度回忆 短二极管 发射结正偏 电子扩散注入基区B C结反偏 基区中靠近B C结边界处电子浓度为零 基区中电子存在着较大的浓度梯度 因此电子可以通过扩散流过基区 和正偏的PN结二极管类似 少子电子在通过中性基区的过程中也会与其中的多子空穴发生一定的复合 电子扩散通过基区后 进入反偏的B C结空间电荷区 被B C结电场抽取进入搜集区 能够被拉向收集区的电子数目取决于由发射区注入到基区中的电子数目 复合掉的电子数目 流入到收集区中的电子数量 构成收集极电流 取决于发射结上的偏置电压 此即双极型晶体管的放大作用 即 BJT中流过一个端点的电流取决于另外两个端点上的外加电压 其他因素 发射极空穴电流
4、基区复合电流 集电极反向漏电流 通过前边的分析 简单结论 BJT中两个PN结不是独立无关的PN结正向有源状态下 反偏BC结的电流大部分来源于EB结的正偏电流三个区掺杂不同 E重掺 B较高掺 C轻掺短基区 大集电区 在后边的分析中我们还会逐渐了解到 BJT的这种结构特点是因为只有这样才能获得较大的电流增益 具有良好的放大作用 晶体管电流的简化表达形式 有用电流和无用电流电子电流和空穴电流扩散电流 漂移电流 复合电流 产生电流 集电极电流 线性假设 基区宽度 注意实际为基区中性区宽度 iC由BE结电压所控制 BE结面积 发射极电流 IS2是饱和空穴电流 为少数载流子空穴的参数 共基极电流增益 共基
5、极电流增益 集电极电流与集电极电压无关 双极晶体管如同一个恒流源 基极电流发射极电流成分iE2 空穴扩散电流 实际上也是基极电流的一个组成部分 基极电流的另一个组成部分则是基区中的多子空穴与电子的复合电流iBb 它与电子浓度相关 因而这二者都与exp vBE Vt 成正比从而集电极电流和基极电流之比为一个定值 共射极电流增益 工作模式截止模式正向有源模式饱和模式反向有源模式 不同的工作模式下 EB结和BC结处于不同的偏置状态 其电路功能也不同 截止模式两个结均反偏 发射极 集电极电流均为零正向有源模式EB结正偏 BC结反偏 集电极电流受BE结电压控制 电流放大作用 共发射极应用时 C E电压和
6、集电极电流IC之间存在着线性关系 这种线性关系称为负载线 负载线 1 R 饱和模式BE结正偏 BC结正偏 集电极电流反向 相对于放大模式 并不受BE结电压控制反向有源模式和正向有源模式相对的一种模式状态 但是由于晶体管本身结构的非对称性 因而其特性和正向有源模式有着很大的不同 在应用中一般会避免出现这种状态 四种不同的工作模式及其对应的PN结偏置条件示意图 双极晶体管放大电路 EB结上附加的正弦信号电压 相应的基极电流和集电极电流 负载RC上输出的放大后的信号电压 10 2少子的分布晶体管为少数载流子工作器件 少数载流子的分布决定着器件内部各处的电流成分在各种工作模式下对晶体管各区的少子分布进
7、行计算 在此基础上分析电流增益和器件结构之间的关系 正向有源模式 利用定性的分析我们知道了三个区中少数载流子的大致分布情况 这里将对各区内载流子的分布做具体的计算和推导 基区内少子电子的稳态双极疏运方程过剩电子浓度定义 解的一般形式为 因基区宽度为有限值 故两个指数系数都必须保留 基区中过剩少数载流子电子的浓度在基区的两个边界处分别为如下两式所示 由于B E结处于正偏状态 因此在x 0处过剩载流子浓度的边界条件为 而B C结处于反偏状态 因此在x xB处过剩载流子浓度的边界条件为 利用上述边界条件 可以求得上述双极输运方程解得一般形式中的系数为 这样我们就可以求出基区中过剩少数载流子电子的浓度
8、分布为 当xB LB时 上式可简化为 即基区中的过剩少数载流子电子的浓度分布确实可以近似为线性分布 这一点也可以从下面的双曲正弦函数变化曲线看出 问题 基区宽度应该短还是长 基区宽度和扩散长度的比值大约是多少 相同宽度的P型基区和N型基区 少数载流子分布那个更接近于线性 E10 1 发射区少子浓度分布稳态双极输运方程 过剩空穴浓度定义为 解的一般形式为 其中LE为发射区中少数载流子空穴的扩散长度 即 类似地 中性区宽度xE一般为有限值 两个指数项系数都需要保留边界条件 注意坐标的方向 由于B E结处于正偏状态 因此在发射区中x 0处 过剩少数载流子空穴浓的边界条件为 而在发射区表面 复合速度为
9、无穷大 因此在x xE处边界条件为利用上述边界条件求出系数C和D 由此可以求得发射区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为 如果BJT器件的发射区厚度xE也足够薄的话 同样可以得出发射区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为线性分布的结论 即 注意与第八章短二极管相对应 如果BJT器件的发射区厚度xE与发射区中少数载流子空穴的扩散长度LE相当或可以比拟的话 则发射区中过剩少数载流子空穴的浓度为指数分布 集电区少子浓度分布对于集电区来说 一般其宽度比较长 其过剩少数载流子分布同反偏PN结的结果完全相同 其它工作模式下的少数载流子分布截止模式 由于发射结和收集结均处于反向偏置状态 因此在这两个结的空间电荷区边
10、界处的少数载流子浓度均为零 又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度 因此基区中的少子已经基本上被空间电荷区的反向电场抽走 其浓度基本为零 饱和模式 器件发射结和收集结均处于正偏状态 但是对于共发射极应用来说 器件中的电流仍然是由收集极流向发射极 即电子由发射区注入到基区 最后通过扩散流向收集区 反向有源模式发射结处于反偏状态 而收集结处于正偏状态 电子由收集区注入到基区 最后扩散到发射结附近并被发射结电场拉向发射区 基区中的过剩少子电子的浓度梯度也与正向放大状态正好相反 BJT中三个区域掺杂浓度不同 几何结构也非对称 反向有源模式下BJT的电流增益将大大下降 如图所示 由于发射极的面积远小于收
11、集结的面积 因此由收集区注入到基区的电子只有很少一部分能够被发射区所收集 10 3低频信号下的共基极电流增益信号放大 电流增益电流增益 电流成分电流成分 少数载流子分布少数载流子分布 结构参数 少子分布 电流成分 电流增益 具体应用 BJT的基本工作原理是集电极电流受到发射结电压的控制作用 而共基极电流增益也就是定义为BJT器件的集电极电流与发射极电流之比 影响共基极电流增益的因素一个处于正向放大模式的双极型晶体管 其内部存在着多种不同的粒子流 所对应的电流密度如图所示 JnE为基区中x 0处由于少子电子的扩散所引起的电流 JnC为基区中x xB处由于少子电子的扩散所引起的电流 JRB则为Jn
12、E与JnC之差 它是由基区中过剩少子电子与多子空穴的复合所引起的 即为补偿基区内因复合而损失的空穴数目 必须由基极提供的空穴电流 JpE为发射区中x 0处由于少子空穴的扩散所引起的电流 JR为正偏发射结中的载流子复合电流 Jpc0为器件集电区中x 0处由于少子空穴的扩散所引起的电流 JG为反偏集电结中的载流子产生电流 其中JRB JpE和JR这三个电流仅仅流过发射结 并没有流过集电结 而Jpc0和JG这两个电流则仅仅流过收集结 并没有流过发射结 因此这些电流成分对晶体管作用或电流增益并没有任何贡献 直流情况下BJT器件的共基极电流增益定义为 如果我们假设BJT器件的发射结面积与收集结面积相等
13、则上式可表示为 我们真正感兴趣的实际上是器件的集电极电流如何随着发射极电流的改变而变化 即在正弦小信号情况下 BJT器件的共基极电流增益可定义为 注意 上述几个因子的定义公式仅仅是对npn型BJT器件而言的 对于PNP型BJT器件来说 这些因子的定义公式也是完全类似的 只是公式中的电子电流和pnp电流要互相对调一下 在理想情况下我们总是希望 1 但是由上式可见 实际的 总是小于1的 空穴电流成分比重对电流增益的影响 有效输运性 即基区中复合电流对电流增益的影响 B E结耗尽区复合对电流增益带来的影响 pn结的非理想因素 影响电流增益因素的数学推导 发射极注入效率因子 考虑理想情况下的发射极注入
14、效率因子 有 利用已经求得的正向放大模式下BJT中各区的少数载流子浓度分布 上述两个电流密度表示为 由此可得BJT的发射极注入效率为 当满足条件 则可进一步简化为 基区输运因子 根据定义 有 使注入效率近似等于1的结构参数选择 NB NE 上式中的两个电流密度可表示为 JnE的表达式前面已经求出 利用基区中的少数载流子浓度分布公式可以求得JnC的表达式为 当满足下述条件 有 因此有当满足条件 时 则有 上式还可以进一步简化为 复合因子 根据定义 我们可以进一步将复合因子表示为 使基区输运系数近似等于1的结构参数条件 xB LB 其中JR可表示为 而JnE可表示为 其中Js0为 因此复合因子为
15、复合因子是发射结正向偏置电压的函数 随着VBE增加 复合电流成分减少 复合系数接近于1 使复合因子近似为1的条件 VBE足够大 结构条件 xBE尽可能小 E B区重掺杂 另外 复合因子中通常还必须考虑表面复合效应的影响 如下图所示 当电子由发射区注入到基区之后 由于基区表面复合效应的影响 有一部分电子还将会向基区表面扩散 小结以上我们对npn型BJT器件的少数载流子浓度分布以及电流增益做了初步的分析 上述分析对PNP型BJT器件也是完全适用的 只是电子和空穴的浓度必须对调 同时外加电压的极性和电流的方向也必须反转 对于共基极pnpBJT的直流电流增益为 结构参数与增益 共基极电流增益中的每一项
16、都小于1 为了得到尽可能大的电流增益 要求每一项都尽可能接近于1NB VT 复合系数 1 是不是根据电流增益对结构的要求而将结构参数作相应的调整就可以得到任意大的电流增益呢 实际并非如此 非理想效应 例10 1 10 4 10 4非理想效应前边分析所涉及到的理想假设 均匀掺杂小注入发射区和基区宽度恒定禁带宽度为定值电流密度均匀非击穿 理想中性区 双极输运方程 不考虑偏置影响 禁带宽度和杂质 1维器件模型 电压限制 基区宽度调制效应基区宽度被B C结反向偏压所调制 P 282例10 5 基区宽变效应引起基区少子浓度梯度增加 从而造成电流增大 这导致实际的集电极电流iC随B C结反向偏压增大而缓慢增大 又称为厄利效应 理想情况下器件集电极电流与集电结上的反偏电压无关 即输出电导为零 然而由于基区宽度调制效应 器件的输出电导不为零 输出特性曲线变斜 斜线交点处的电压值称为厄利电压 通常在100 300V之间 P 283例10 6 由输出特性曲线可得 其中VA VCE均定义为正值 g0为BJT的输出电导 因此有 考虑基区宽度调制效应之后 BJT器件的集电极电流与集电结上的外加反向电压相关 问题
