第三章双极晶体管ppt课件

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1、7晶体管的基极电阻 晶体管的基区中有两类载流子在流动，一类是从发射区 注入到基区的少数载流子(对n-p-n晶体管来说是电子)，另 一类是多数载流子，它主要起这样的作用：提供注入到 基区的少子的复合所需的多子，提供向发射区注入少子 所需的多子。近似地说，基区中少子的运动是垂直于结 面的扩散运动(如果有自建电场，还应加上漂移运动)，而 多子流的运动方向则与少子扩散流的方向垂直，是平行 于结面的漂移运动，由于基区很薄，基区存在一定的电 阻，在多子流过基区时会产生压降，它对晶体管的特性 有影响，如发射极电流集边效应，放大、频率特性变差 和基极电阻引起的噪声等。,基极电阻通常称为基极扩展电阻。晶体管的基

2、极电流平行于结平面。当基极电流流过基区时，将产生平行于结面的横向压降，使发射结偏压从边缘到中心逐渐减小，产生发射结电流的集边效应。,梳状晶体管的基极电阻由四部分组成：发射区下面的电阻 ， 发射区和基极金属电极之间的电阻 ，基极金属电极下面部分的电阻 及基极金属电极与半导体的接触电阻 。,发射区下面的基极电流分布是不均匀的，在发射 区边沿基极电流为 (考虑到有两条基极)，而 在发射区中心，基极电流近似为0。假定基极电 流是线性分布的，并令坐标原点在发射区边沿 上，此时IB可写为：,(3-205),（3-206）,则dx长的基区微分电阻为：,（3-207） 将上式从0到x积分，并取 处电位为零，可

3、得： （3-208） 基区平均电 压： （3-209）,（3-210）,（3-211）,（3-212）,为发射极与基极间的电阻，因通过这部分的基极电流是均匀的；,是基极金属电极下面的电阻，这一部分区域内的电流是不均匀分部的：,为基极金属电极与半导体材料的欧姆接触电阻 （3-213） RC为金属与半导体材料的欧姆接触系数。 因此，梳状晶体管每个单元的基极电阻为： （3-214） 具有n条发射极的梳状晶体管的基极电阻为n个单元的基极电阻的并联： （3-215）,二晶体管的频率特性 1.小信号交流等效电路,跨导(在放大状态下)：反应了发射结电压对集电极 电流 的调解,输入电导：,2.电流增益随频率变

4、化 （1） 随工作频率变化,共发射交流短路电流增益,（2） 随工作频率变化,随频率变化的物理原因：,输入交变信号发射结势垒变化注入电流发生变化基区输运交变信号浓度梯度发生相应变化 越过耗尽区集电区电阻调节影响集电极电压,最高振荡频率,截止频率（共基极截止频率）,：,截止频率（共发射 极截止频率）,：,特征频率,截止频率 A.基区渡越时间 设基区少子电子的有效速度为 ,基区电子电流: (3-219) (3-220) (3-221),对均匀基区：,(3-222),（3-223）,B.发射结过渡电容充电时间 正向偏置的发射结扩散电容和势垒电容估计为零偏时的四倍。电容与结电阻并联，充电时间： (3-2

5、24) C.集电结耗尽层渡越时间 假设载流子达到饱和速度 (3-225),D.集电结电容充电时间,（3-227）,截止频率,等于从发射极到集电极的信号传播中全部时间延迟的倒数,（3-226）,集电结反偏时与结电容并联的电阻很大，充电时间由集电极串联电阻和电容决定。,截止频率：,一般高频晶体管中，基区渡越时间起主要作用。,m为常数，对均匀基区晶体管，m=0.22弧度； 漂移晶体管管m=0.4。,特征频率 ：,晶体管的功率增益与最高震荡,晶体管的特征频率是共发射极运用晶体管的电流放大 作用的上限频率，但管子仍有功率放大和电压放大作 用。晶体管的功率不仅与载流子的传输有关，而且与 管子的几何结构，外

6、电路匹配状态有密切关系。,在共扼匹配的情况下 ：,晶体管的功率增益随频率升高而下降的根本原因是 晶体管的电流电流放大系数随频率升高而下降和晶 体管的输出阻抗随频率升高而下降。,高频优值，只与晶体管的性质有关，是衡量晶体 管高频特性优劣的一个重要指标。 工作频率增加一倍，功率下降至 。,最高振荡频率：,3.晶体管的交流特性 发射结和集电结电压分别等于其直流偏置电压 和交流信号电压的迭加。当输入为正交变电压时：,(3-216),(3-217),(3-218),4.晶体管的高频参数与等效电路 从电路理论角度看，不必涉及晶体管内部载流子运动的 复杂过程，只需知道两个输入端与两个输出端的电压与 电流的关

7、系。晶体管表示成等效电路形式，正是为了适 应电路分析的需要。 在交流小信号状态下，晶体管的输出信号随输入信号近 似按线性关系变化，所以可以将晶体管等效为一线性二 端网络。在四个参数中只有二个是独立变量，选用不同 的自变量和因变量，可得到不同的参数方程，当选取VE 和VC为自变量时，可得Y参数方程。,Y参数是最基本的晶体管参数，由晶体管交流电流、电压基本方程导出。 (3-228) (3-229) YEE和YCC为共基极输入和输出 导纳。 YCE和YEC为正向和反向转移导纳 Y参数均是在短路状态下通过计 算或测定的导纳参数,当选取输入电流IE和输出电压VC为自变量时，得h参数方程。 (3-230)

8、 (3-231) 当选取输入电流IE和输出电流IC为自变量时，得Z参数方程。Z参数表示一端开路时，另一端电压与电流比。因此Z参数为开路阻抗参数。 Y参数、h参数和Z参数等实质上是在晶体管的端点间选择不同的测试条件得出的，它们都由晶体管自身的物理结构决定，因此可以互换。 从晶体管的电流、电压方程可推导出Y参数、h参数和Z参数。,混接 等效电路 代表工作在共发射极连接正向放大状态的晶体管 跨导 ：反映发射结电压对集电极电流的调节作 用 （3-232）,（3-233） 当 时： （3-234） （3-235） （3-236）,（3-237） （3-238） （3-239） （3-240） （3-24

9、1）,再加上耗尽层电容，混接 等效电路 共发射极短路电流增益的截止频率： （3-242） 对 增益带宽乘积： （3-243） 与均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数相等,5.晶体管开关特性 除了用作放大 器之外，晶体 管还可用作通 断开关。 “通”和“断”两个 状态之间的转 换是通过改变 载流子的分布 来完成的。,储存时间结束，超量储存电荷完全消失，晶体管 进入临界饱和状态，集电极电流Ic=Ics，开关过 程进入下降过程。在下降过程中，IB2继续抽出空 穴，基区中电子和空穴不断复合，使基区中积累 的电荷继续减少，基区中非平衡载流子分布梯度 减少，集电极电流不断下降。当基区中储存电荷 完全消失，集

10、电极电流降为反向漏电流，下降结 束。,下降过程中，集电结由0偏压转变为反偏压，发 射结正偏压下降。集电结、发射结势垒电容放 电，它们释放的空穴与基区储存的空穴一起，成 为基极抽出电流和基区复合电流的来源。下降过 程的连续性方程：,提高晶体管的开关特性： 与晶体管开关速度有关的因数主要是发射结、集电 结势垒电容冲放电和储存电荷的建立与消失，一是可通 过结构设计、材料选取和特定扩金工艺解决；二是通过 控制驱动电流IB1和抽出电流IB2，提高开关速度。 晶体管四个开关时间中储存时间最长，降低储存时 间即超量载流子尽快消失的有效办法是降低少子寿命和 加大抽出电流。 减少外延层电阻率和厚度：降低少子寿命

11、、降低储存 电荷 减少发射结和集电结面积 采用浅结扩散、减薄基区 选取适当的基极电流,三晶体管的功率特性 要求功率晶体管内部能承受较大的耗散功率并 尽可能获得较大的输出功率和较大的功率增益。 晶体管的功率特性受到电学特性和热学特性两方 面的限制。 电学特性方面的限制有： 最大集电极工作电流，击穿电压和二次击穿电压 热学方面的限制有： 最高工作结温和最大耗散功率,上述参数给出了晶 体管的安全工作区： 集电极最大电流； 二次击穿；击穿电 压；热学方面的限 制有：最高工作结 温和最大耗散功 率。,1.最大集电极电流：,晶体管工作电流过大时导致电流放大系数和截止 频率都下降，从而限制了输出功率。,晶体

12、管大注入效应：,（1）基区电导调制效应： 大注入时，注入到基区的 少子不能忽略；基区多子 浓度梯度分布与注入的少 子一样；基区电阻率显著 下降。,引起基区中多子同样程度增加，其效应相当于基 区中杂质浓度增加，从而导致发射效率降低。,为注入比,发射效率随发射极电流增加而降低的物理模型是：注入到基区的少子增加，引起基区中多子以同样程度的增加，其效应相当于基区中杂质浓度增加，从而导致发射效率降低。,（3）有效基区扩展效应（克尔克效应）：,（2）大注入自建电场：,大注入对基区渡越时间的影响，对均匀基区晶体管，基区只存在大注入自建电场，载流子受到的漂移作用随注入的增加而增强，使基区渡越时间随注入增加而减

13、少。基区渡越时间减少一半。,在电流密度大的状态下，晶体管的有效基区将扩展。 由于基区渡越时间随扩展基区宽度增大，即随集电极 电流的增大而迅速增长，使电流放大系数随电流增大而 快速下降。,电流放大系数随注入的变化由发射效率项和复合电流项共同作用决定。电流放大系数随发射效率下降而减小，随基区输运系数的增加而上升。当注入电流增大到基区输运系数的增加和发射效率下降作用相互抵消时，电流放大系数达到最大值。,在 外延平面晶体管中，从发射结注入的少数载流子，在通过集电结空间电荷区时，对耗尽层中的正负空间电荷分别起中和和添加作用，使N侧的正空间电荷减少，P区的负空间电荷增多，因此空间电荷区的边界随注入电流的变

14、化而移动。,(4) 发射极电流集边效应 A为了减少基区横向压降，有效降低发射极电流集中应减少基区的薄层电阻，减少发射极条宽；规定从发射结中心到边缘，基区横向压降变化 时的条宽为发射极有效条宽。 B发射极单位周长上的电流容量 由于电流集边效应，发射极边上的电流密度将大于发 射结上的平均电流密度，由大注入产生的基区扩展效应 将首先在边界上发生。为了防止基区扩展效应，须合理 选取发射条周界上的电流容量。,(3-349) 为晶体管的最大限制电流密度 一般放大晶体管 ： 开关管 ： C发射极有效条长 当发射极电流流过金属电极时，在金属电极上产生压降。为了防止金属条长方向上的电流集中效应，将条长方向上的压降限制 在以内。此条长为发射极有效条长 。,集电极最大电流 晶体管的最大电流受基区电导调制效应、有效基区扩 展效应的限制。而发射极电流集边效应使发射极有效面 积缩小，电流密度升高，使基区电导调制效应、有效基 区扩展效应更为严重。 注入到基区-发射结势垒边界上的少数载流子密度达到 基区杂质密度时的发射极电流密度为受基区电导调制效 应限制的最大发射极电流密度：,有效基区扩展效应决定的集电极最大电流密度定为基区开始扩展时的临界电流密度： （3-352） 2.晶体管的最大耗散功率 晶体管