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1、1微电子器件与微电子器件与IC设计设计第第 3 章章 双极晶体管双极晶体管Bipolar Junction Transistor-BJT2第 3 章 双极型晶体管双极型晶体管l3.1 结构 l3.2 放大原理 l3.3 电流增益l3.4 特性参数l3.5 直流伏安特性l3.6 开关特性l3.7 小结33.1 晶体管的基本结构及杂质分布晶体管的基本结构及杂质分布3.1.1晶体管的基本结构由两个靠得很近的背靠背的PN结构成NPNNPNcbecbePNPPNP43.1 晶体管的基本结构及杂质分布晶体管的基本结构及杂质分布3.1.2 BJT的杂质分布1.锗合金管-均匀基区晶体管特点：三个区杂质均匀分布
2、2结为突变结 2.硅平面管-缓变基区晶体管特点：E、B区杂质非均匀分布2结为缓变结5673.1 晶体管的基本结构及杂质分布晶体管的基本结构及杂质分布“背靠背背靠背”的的2个二极管有放大作用个二极管有放大作用吗？npn晶体放大的机理是：发射区注入基区的电子绝大部分被集电区收集成为集电极电流（发射结正偏，集电结）1. 若基区宽度较大，WbLnb，则注入到基区的电子（少子）在到达集电区前就已经复合掉了，使大的正向电流只在左边pn结中存在，右边pn结反偏，电流很小，两pn结互不相干，没有放大作用。发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射结结集集电电结结发发射射极极集集电电极极基极基极2. 发射结正偏时
3、，发射区向基区注入电子的同时，基区也向发射区注入空穴-由基极电流提供，但此电流不能形成集电极电流，对放大作用没有贡献。故需要让发射区注入的电子比基区注入的空穴多得多，即要求掺杂浓度的控制。3.1.3、结构特点（1）基区宽度远小于基区少子扩散长度(WB NB )89 NPN NPN晶体管的几种组态晶体管的几种组态晶体管的几种组态晶体管的几种组态共基极共基极共射极共射极共集电极共集电极共基极共基极共基极共基极共发射极共发射极共发射极共发射极共收集极共收集极共收集极共收集极NNP晶晶 体体 管管 的的 共共 集集 电电 极极 接接 法法cbe3.2 晶体管的放大原理晶体管的放大原理103.2.1、晶
4、体管中载流子的传输、晶体管中载流子的传输以共基极为例：1、发射结的注入2、基区的输运与复合3、集电极的收集WBIneIncIrIpeICBOIEICIB11各区少子分布各区少子分布能带图能带图12NPN晶体管的电流转换晶体管的电流转换Ine:发射结正向注入电子电流发射结正向注入电子电流 Ipe:发射结反向注入空穴电流发射结反向注入空穴电流 Irb:基区复合电流基区复合电流 Inc:集电结电子电流集电结电子电流Icbo:集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流133.2.2、发射效率及基区输运系数、发射效率及基区输运系数1、发射效率射效率0从发射结注入的电流有电子电流和空穴电流，即Ine和Ipe，但
5、只有正向注入的Ine中的大部分能达到集电区，构成IC的主要部分，它显然对放大有贡献。因此从电流的传输和放大来看，Ine越大越好，Ipe越小越好。为了表示有效注入电流在总的发射电流中所占的比例14152、基区输运系数、基区输运系数*3、集电区倍增因子集电区倍增因子为了说明传输过程中效率的高低161.共基极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数 2.共射极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数3.2.3、晶体管电流放大系数、晶体管电流放大系数l晶体管共基极电流没有电流放大作用，但可有电压及功率放大作用。l共射极电路既可作为电流放大，也可作为电压放大及功率放大。1718晶体管放大三要素：晶体管放大三
6、要素： WbNB 。发射结正向偏置，集电结反向偏置。发射结正向偏置，集电结反向偏置。193.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益任务：导出任务：导出0 0、0 0的定量关系式的定量关系式203.3.1 均匀基区晶体管的均匀基区晶体管的电流增益流增益均匀基区晶体管直流电流增益推导思路A、对发射区、基区、集电区分别建立扩散方程B、利用波尔兹曼分布关系建立边界条件C、解扩散方程得到各区少子分布函数D、利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数E、由电流密度分布函数得到jne , jnc , jpe 。F、求出发射效率和输运系数G、得到共基极和共射极电流放大系数21l以共基极以共基极连接接为例，
7、采用一例，采用一维理想模型理想模型l发射射结正向偏置，集正向偏置，集电结反向偏置反向偏置WBIneIncIrIpeICBOIEICIB22坐标：坐标：发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射结结集集电电结结发发射射极极集集电电极极基极基极We0WbWcxexc23一、一、少数载流子分布少数载流子分布（1 1）基区）基区“少子少子”电电子密度分布子密度分布WB0nB(x)243.3 晶体管的直流电流增益一、一、少数载流子分布少数载流子分布（2）发射区少数载）发射区少数载流子分布流子分布x0pE(x)253.3 晶体管的直流电流增益一、一、少数载流子分布少数载流子分布（3）、集电区少数载）、集电区
8、少数载流子分布流子分布x0pC(x)263.3 晶体管的直流电流增益二、电流密度分布函数273.3 晶体管的直流电流增益283.3 晶体管的直流电流增益WeWbWcxexc293.3 晶体管的直流电流增益三、直流电流增益1.发射效率02.基区输运系数*303.3 晶体管的直流电流增益3、共基极电流增益或者或者31 4、共射极电流增益323.3 晶体管的直流电流增益3.3.2 缓变基区晶体管的电流增益缓变基区晶体管的电流增益一、缓变基区晶体管基区自建电场一、缓变基区晶体管基区自建电场对载流子的影响基区自建电场多子：维持分布少子：阻滞、加速333.3 晶体管的直流电流增益（1）基区自建电场计算公式
9、（2）基区杂质分布指数近似34二、发射区自建电场发射区自建电场353.3 晶体管的直流电流增益 三、缓变基区晶体管电流增益推导思路三、缓变基区晶体管电流增益推导思路A、先忽略基区中少子复合。B、利用： “电流电流 少子扩散电流在自建电场作用下的漂少子扩散电流在自建电场作用下的漂移电流移电流” 关系，得到基区和发射区少子密度分布函数 = 0123xnB(x)基区少子分布：(3.3.46) 当基区杂质指数分布时(3.3.47) 36缓变基区晶体管基区非平衡少子为非线性分布，且与有关。 越大，基区杂质分布越陡峭，自建电场越大，对载流子的漂移作用越强，故少子分布越平坦，少子浓度梯度越小；说明漂移电流所
10、占比例越大，扩散电流则越小，只在靠近集电结处扩散电流所占比例才大。37根据根据(3.3.46)(3.3.46)，利用，利用类似可得到类似可得到383.3 晶体管的直流电流增益C、利用 把(3.3.47)代入得到基区复合电流39D、引入平均杂质浓度平均杂质浓度的概念求出 jne 和 jpe ，得到发射效率E、得到共基极和共射极 电流放大系数403.3 晶体管的直流电流增益四、电流增益四、电流增益（1）发射效率413.3 晶体管的直流电流增益（2）输运系数均匀基区晶体管 ：= 2基区杂质线性分布：= 4基区杂质指数近似：423.3 晶体管的直流电流增益（3）共基极电流增益（4）共射极电流增益发射效
11、率与均匀基区形式相同发射效率与均匀基区形式相同433.3 晶体管的直流电流增益3.3.3 提高放大系数的途径提高放大系数的途径1、减小基区宽度 （基区少子浓度梯度大，且复合损失小） 2、提高发射区的杂质浓度与基区杂质浓度比NE/NB （NE有上限，NB也不能太低） 3、提高基区电场因子 4、提高基区“少子”寿命44l3.3.4影响影响电流放大系数的因素流放大系数的因素1. 发射结势垒复合对电流放大系数的影响发射结势垒复合对电流放大系数的影响452. 发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响发射区过重的掺杂不仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低发射区过重的掺杂不
12、仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低1）形成杂质带尾，禁带变窄）形成杂质带尾，禁带变窄发射区有效杂质浓度降低为发射区有效杂质浓度降低为:发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。462）俄歇复合）俄歇复合发射区少子空穴寿命发射区少子空穴寿命 随着俄歇复合寿命随着俄歇复合寿命 而而。 俄歇复合通过复合中心复合少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率。 47EcEv多激子产生效应俄歇复合及禁带变窄效应的影响与发射结结深有关。48表面复合对基区输运系数的影响可表示为表面复合对基区输运系数的影响可表
13、示为对均匀基区对均匀基区对缓变基区对缓变基区S为表面复合速率体复合体复合 表面复合表面复合3.基区表面复合基区表面复合49 共射极输出特性曲线上共射极输出特性曲线上 VBC 0 点的切点的切线与线与 VCE 轴负方向交于一点，该点电压轴负方向交于一点，该点电压称为称为Early电压，电压，ICVCEVEAIB增大基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度调变基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度调变效应（厄尔利效应）效应（厄尔利效应）4. 基区宽变效应基区宽变效应有宽变效应的电流放大系数：有宽变效应的电流放大系数：随外加电压变化，电流放大系数会随之变化，降低放大性能的线性度，致
14、使信号失真。503.4 晶体管的特性参数晶体管的特性参数3.4.1 3.4.1 晶体管的放大系数晶体管的放大系数晶体管的放大系数晶体管的放大系数共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和共基极直流放大系数和交流放大系数交流放大系数交流放大系数交流放大系数 0 0 、 两者的关系两者的关系两者的关系两者的关系共发射极直流放大系数共发射极直流放大系数共发射极直流放大系数共发射极直流放大系数交流放大系数交流放大系数交流放大系数交流放大系数 0 0、 513.4.2 晶体管的反向晶体管的反向电流电流一、定一、定义 晶体管某二个晶体管某二个电极极间加反向加反向电压，另一，另一电极开路极
15、开路时流流过管中管中的的电流称其流称其反向反向电流流。1、IEBO：集：集电极极开路，极极开路，发射极与基极射极与基极间反偏，流反偏，流过发射射结的的电流。流。2、ICBO：发射极开路，集射极开路，集电极和基极极和基极间反偏，流反偏，流过集集电结的的电流。流。3、ICEO：基极开路，：基极开路，发射极和集射极和集电极极间反偏，流反偏，流过发射极和集射极和集电极的极的电流流。IVIeboIVIcboIVIceo52二、反向二、反向电流的来源流的来源实际的晶体管反向的晶体管反向电流流应包括反向包括反向扩散散电流，流，势垒产生生电流和表面漏流和表面漏电流。流。l对Ge管：主要是反向管：主要是反向扩散
16、散电流流l对Si管：主要是管：主要是势垒产生生电流流，表面，表面电流流视工工艺而定而定共射极接法，信号放大的同时，共射极接法，信号放大的同时，相应的漏电流也增大了相应的漏电流也增大了 倍倍533.4.3 3.4.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压1 1、 BVBVeboebo2 2、BVBVcbocbo3 3、BvBvceoceo定义：某一极开路，另二极所能承受的最大反向电压定义：某一极开路，另二极所能承受的最大反向电压4 4、基区穿通电压、基区穿通电压、基区穿通电压、基区穿通电压V VPTPT ：集电极开路时e-b间反向击穿电压 ：发射极开路时c-b间反向击
17、穿电压 ：基极开路时e-c间所能承受的最高反向电压54 3.4.4 基极电阻基极电阻基极电流为横向电流，基基极电流为横向电流，基区掺杂浓度低，且很薄，区掺杂浓度低，且很薄，这个电阻不可忽略。这个电阻不可忽略。基极电阻基极电阻r rb b： 扩展电阻，包括基区扩展电阻，包括基区体电阻和基极电极引出线体电阻和基极电极引出线处接触电阻。处接触电阻。降低降低rb的措施是：的措施是：1. 减小发射区条宽、基极电极条宽，以及减小它们之间的距离与增加条长，但这会受到工艺条件的限制。2. 增加发射极条数n，但会受到面积的限制。3. 降低基区方块电阻，即提高基区扩散层的杂质浓度；但会降低发射效率，影响0、0，也
18、会降低击穿电压。55563.4.5 3.4.5 晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管的频率特性参数参数参数参数 截止频率截止频率截止频率截止频率 f f ：共基极电流放共基极电流放共基极电流放共基极电流放大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值所对应的频率值所对应的频率值 截止频率截止频率截止频率截止频率f f ：特征频率特征频率特征频率特征频率f fT T：共发射极电流放大系数为共发射极电流放大系数为共发射极电流放大系数为共发射极电流放大系数为1 1时对应的工作频率时对应的工作频率时对应的工作频率时对应的
19、工作频率最高振荡频率最高振荡频率最高振荡频率最高振荡频率f fMM：功率增益为功率增益为功率增益为功率增益为1 1时对应的频率时对应的频率时对应的频率时对应的频率6 6分贝倍频程段分贝倍频程段 （增减一倍，放大系数变增减一倍，放大系数变化化6dB6dB）6 6分贝倍频程段分贝倍频程段 常数，这个常数就是常数，这个常数就是 （增益增益带宽积带宽积）573.5 双极晶体管直流伏安特性双极晶体管直流伏安特性3.5.1 均匀基区晶体管直流伏安特性5859于是得到发射极电流60集电极电流6162以上各式说明双极晶体管的端电流与其电压具有指数关系，与PN结的直流伏安特性相似；但是，晶体管是由两个相距很近的
20、PN结构成，其端电流应与二结的结电流有关，上式也反映了晶体管的直流特性和单个PN结的直流伏安特性有不同，两个结之间存在相互影响。63输入特性曲线输入特性曲线64输出特性曲线共基极共射极l两种组态输出特性曲线的共同之处是：当输入电流一定时，两种组态的输出电流基本上保持不变，即输出电压的变化很微弱，只有输入电流改变时，输出电流才随之变化。因此晶体管的输出电流受输入电流控制，是一种电流控制器件。但是两组输出特性也有一些不同之处：(1)共射极输出特性中，输入电流IB较小的变化量，就会引起输出电流IC较大的变化(2)共射极输出特性曲线随输出电压的增大逐渐上升，而共基极特性曲线基本上保持水平。这是因为基区
21、宽变效应对共射极电流增益的影响比对共基极的大得多。6566(3)随着输出电压的减小，共射极特性曲线在VCE下降为零之前，输出电流IC已经开始下降，而共基极特性曲线在VCB=0时还保持水平，直到VCB为负值时才开始下降。放大区：发射结正偏，集电结反偏饱和区：发射结正偏，集电结正偏，集电极电流IC基本上不受基极电流影响，仅由VCE决定截至区：发射结反偏，集电结反偏673.5.2 Ebers-Moll 模型模型 Ebers-MollEbers-Moll模型是一模型是一种适用于计算机辅助设计种适用于计算机辅助设计(CAD)(CAD)的表述简单的模型，的表述简单的模型，它于它于19541954年由此二人
22、提出，年由此二人提出，适用于图适用于图2-622-62所示的所有所示的所有工作区。工作区。 * 薄基区导致两个结的相互作用，流过每个结的电流都应由两个结上的电压所决定。681. E-M1. E-M 方程方程将双极晶体管的电流看成一个正向晶体管和一个倒向晶体管将双极晶体管的电流看成一个正向晶体管和一个倒向晶体管叠加后各自所具有的电流并联而成叠加后各自所具有的电流并联而成正向晶体管倒向晶体管691. E-M1. E-M 方程方程IES是C结短路，E结的反向饱和电流对正向晶体管对正向晶体管：对比式（3.5.1）E结正偏，C结零偏正向电流增益70同理，对倒向晶体管对倒向晶体管ICS是E结短路， C 结
23、的反向饱和电流对比式（3.5.2）C结正偏， E结零偏反向电流增益71由图72代入式（3.5.6）、（3.5.10）得E-M方程等效电路见图73对照式（3.5.1）、 （3.5.2）得E-M方程互易定理实际器件中 互易定理的本质是互易定理的本质是：eb eb 结与结与cb cb 结有共同部分（基区），结有共同部分（基区），无论哪个结短路，另一个结的反向饱和电流都含有共同的无论哪个结短路，另一个结的反向饱和电流都含有共同的基区少子扩散电流基区少子扩散电流742. EM1模型模型式（3.5.15）、（3.5.16）是以晶体管某一极短路时的反向饱和电流来表示端电流的EM方程；同样也可以某一极开路时的
24、反向饱和电流 来表示EM方程75上式又可写为于是得到对 有:-176对 有即集电结（发射结）短路时的发射结（集电结）饱和电流等于集电结（发射结）短路时的发射结（集电结）饱和电流等于集电结（发射结）开路时的发射结（集电结）饱和电流除以集电结（发射结）开路时的发射结（集电结）饱和电流除以 (1RF) ，一般，一般RF均小于均小于1，I IEB0EB0,I,ICB0CB0都小于都小于I IESES,I,ICSCS77上述二式均可等效为一个电流源与一个二极管并联，如下上述二式均可等效为一个电流源与一个二极管并联，如下图所示图所示代入式 （3.5.15）、（3.5.16）得78一、晶体管的工作状态一、晶
25、体管的工作状态 晶体管的工作状态完全晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定，如图由直流偏置情况决定，如图可分为三个区。当晶体管处可分为三个区。当晶体管处于倒向运用状态时，也同样于倒向运用状态时，也同样存在以上三个区，但截止区存在以上三个区，但截止区和饱和区是一样的。只注意和饱和区是一样的。只注意反向放大区即可。反向放大区即可。3.6 晶体管的开关特性晶体管的开关特性79各工作区中结的偏置情况和电流关系各工作区中结的偏置情况和电流关系工作区工作区正向放大区正向放大区反向放大区反向放大区饱和区饱和区截止区截止区发射结偏置发射结偏置VBE0（正偏）（正偏） VBE0（正偏）（正偏）VBE0(反偏反偏
26、)集电结偏置集电结偏置VBC0(正偏）正偏）VBC=0（正偏）（正偏）VBC0（反偏）（反偏）电流关系电流关系ICIbICR IbICVBB+VBE时时 IBIBS 时时V Vcccc,V,VBBBB为集电极和发为集电极和发射极的反向偏置电压。射极的反向偏置电压。R RL L：负载电阻：负载电阻当当V VI I为负脉冲或零时为负脉冲或零时当当V VI I为为VVBBBB的正脉的正脉 冲信号时冲信号时8081小结：饱和态晶体管的特点：(1)饱和电流(3)产生超量贮存电荷82 在放大电路中，晶体管作为放大元件；但在逻辑电路中，在放大电路中，晶体管作为放大元件；但在逻辑电路中，晶体管是作为晶体管是作
27、为开关元件开关元件的。的。二、晶体管的开关作用（以共射极电路为例）二、晶体管的开关作用（以共射极电路为例）截止区截止区-关态关态 饱和区饱和区-开态开态83三、正向压降和饱和压降三、正向压降和饱和压降如图：定义Vbes：晶体管驱动到饱和时，：晶体管驱动到饱和时，be间电压降称为间电压降称为共射极正向压降共射极正向压降。 Vces：晶体管驱动到饱和时，：晶体管驱动到饱和时，ce间电压降成为间电压降成为共射极饱和压降共射极饱和压降。很小集电区体电阻压降84四、晶体管的开关过程四、晶体管的开关过程1 1、延迟过程、延迟过程2 2、上升过程、上升过程3 3、贮存过程、贮存过程4 4、下降过程、下降过程
28、晶体管开关的实际波形晶体管开关的实际波形851 1、延迟过程、延迟过程2 2、上升过程、上升过程3 3、贮存过程、贮存过程4 4、下降过程、下降过程86五、开关五、开关时间l1、延、延迟时间l2、上升、上升时间l3、贮存存时间l4、下降、下降时间l5、开启、开启时间l6、关断、关断时间六、开关速度的提高六、开关速度的提高 ts最关最关键873.7 小结：小结：BJT的特点的特点优优点点垂直结构垂直结构与输运时间相关的尺与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于获易于获得高得高fT高速高速应用应用整个发射结整个发射结上有电流流上有电流流过过可获
29、得单位面积可获得单位面积的大输出电流的大输出电流易于获得易于获得大电流大电流大功率大功率应用应用开态电压开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工艺无关工艺无关片间涨落小，可获片间涨落小，可获得小的电压摆幅得小的电压摆幅易于小信易于小信号应用号应用模拟电模拟电路路88输入电容由输入电容由扩散电容决扩散电容决定定随工作电流的减随工作电流的减小而减小小而减小可同时在大或小的电可同时在大或小的电流下工作而无需调整流下工作而无需调整输入电容输入电容输入电压直接控制提供输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度输出电流的载流子密度高跨导高跨导89缺点：缺点：存在直流输入电存在直流输入电流，基极电流流，基极电流功耗大功耗大饱和区中存储电饱和区中存储电荷上升荷上升开关速度慢开关速度慢开态电压无法成开态电压无法成为设计参数为设计参数设计设计设计设计BJTBJT的关键：的关键：的关键：的关键：获得尽可能大的获得尽可能大的获得尽可能大的获得尽可能大的I IC C和尽可能小和尽可能小和尽可能小和尽可能小的的的的I IB B作业：作业：P65 3.1，3.2，3.4
