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1、微电子器件与微电子器件与IC设计设计第第 3 章章 双极型晶体管双极型晶体管Bipolar Junction Transistor-BJT第第 3 章章 双极型晶体管双极型晶体管l3.1 结构构 l3.2 放大原理放大原理 l3.3 直流直流电流增益流增益l3.4 反向直流特性反向直流特性l3.5 开关作用开关作用3.1 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晶体管的基本晶体管的基本结构构由两个靠得很近的背靠背的由两个靠得很近的背靠背的PN结构成构成NPNNPNcbecbePNPPNP3.1 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的的杂质
2、分布分布1.锗合金管合金管-均匀基区晶体管均匀基区晶体管特点：特点：三个区三个区杂质均匀分布均匀分布2结为突突变结 2.硅平面管硅平面管-缓变基区晶体管基区晶体管特点：特点：E、B区区杂质非均匀分布非均匀分布2结为缓变结3.1 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？3.1.3、结构特点构特点（1）基区）基区宽度度远小于基区少子小于基区少子扩散散长度度(WB NB )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 NPN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
3、电极共集电极3.2 晶体管的放大原理晶体管的放大原理3.2.1、晶体管中载流子的传输、晶体管中载流子的传输以共基极以共基极为例：例：1、发射射结的注入的注入2、基区的、基区的输运与运与复合复合3、集、集电极的收集极的收集WBIneIncIrIpeICBOIEICIB各区少子分布各区少子分布能带图能带图NPNNPN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3.2.2、发射效率及基区输运
4、系数、发射效率及基区输运系数1、发射效率射效率r02、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1.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其中令其中令*1。晶体管放大三要素：晶体管放大三要素： 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。3.3 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3.3.1 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均匀基区晶体管直流电流增
5、益推流增益推导思路思路对发射区、基区、集射区、基区、集电区分区分别建立建立连续性方程；性方程；利用波利用波尔兹曼分布关系建立曼分布关系建立边界条件；界条件；解解扩散方程得到各区少子分布函数；散方程得到各区少子分布函数；利用少子分布函数求出各区利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数；流密度分布函数；由由电流密度分布函数得到流密度分布函数得到jne , jnc , jpe ；求出求出发射效率和射效率和输运系数；运系数；得到共基极和共射极得到共基极和共射极电流放大系数。流放大系数。l以共基极以共基极连接接为例，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
6、WBIneIncIrIpeICBOIEICIB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WeWbWc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)3.3 晶体管的直流电流增益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）发射区少数载流）发射区少数载流子分布子分布x0pE(x)3.3 晶体管的直流电流增益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）集电区少数载流）集电区少数载流子分布子分布x0pC(x)3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益二、电
7、流密度分布函数二、电流密度分布函数3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益三、直流电流增益三、直流电流增益1.发射效率发射效率02.基区输运系数基区输运系数*3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益3、共基极电流增益、共基极电流增益或者或者其中：为电阻率 4、共射极、共射极电流增益流增益3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益3.3.2 缓变基区晶体管缓变基区晶体管的电流增益的电流增益一、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对载载流流子子的的影影响响基基区区自自建建电电场场多子：维持分布多子：维持分布
8、少子：阻滞、加速少子：阻滞、加速通常阻滞区很小，可以忽略不计。通常阻滞区很小，可以忽略不计。3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益（1）基区自建电场计算公式）基区自建电场计算公式（2）基区杂质分布指数近似）基区杂质分布指数近似二、发射区自建电场发射区自建电场3.3 晶体管的直流电流增益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。先忽略基区中少子复合。B、利用：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关系，得到基区和发
9、射区少子密度分布函数 = 0123xnB(x)基区少子分布：基区少子分布：(3.3.46) 当基区杂质指数分布时当基区杂质指数分布时(3.3.47) 根据根据(3.3.46)(3.3.46)，利用，利用类似可得到发射区电流：类似可得到发射区电流：3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益C、利用利用 把把(3.3.47)代入得到基区复合电流代入得到基区复合电流D、引入平均杂质浓度的概念求出引入平均杂质浓度的概念求出 jne 和和 jpe ，得到发射效率得到发射效率E、得到共基极和共射极得到共基极和共射极 电流放大系数电流放大系数3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益四、电流增益
10、四、电流增益（1）发射效率3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益（2）输运系数）输运系数其中，其中，是与电场因子是与电场因子有关的系数。有关的系数。均匀均匀基区晶体管基区晶体管 ：= 2基区杂质基区杂质线性线性分布：分布：= 4基区杂质基区杂质指数指数近似：近似：3.3 晶体管的直流电流增益晶体管的直流电流增益（3）共基极电流增益）共基极电流增益（4）共射极电流增益）共射极电流增益发射效率与均匀基区形式相同发射效率与均匀基区形式相同3.3 晶体管的直流电流增益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、减小基区宽度；度； 2、提提高高发射射区区
11、的的杂质浓度度与与基基区区杂质浓度度比比NE/NB； 3、提高基区、提高基区电场因子；因子；4、提高基区、提高基区“少子少子”寿命。寿命。l3.3.4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考考虑虑势势垒垒复复合合电电流流Ire后后，小小电电流流下下的的电电流流放放大大系系数数降降低低，大大电电流流下下Ire可可以忽略。以忽略。2. 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仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低1）
12、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。2）俄歇复合（）俄歇复合（带间直接复合带间直接复合）发射区少子空穴寿命发射区少子空穴寿命 随着俄歇复合的增加而降低。随着俄歇复合的增加而降低。 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。 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
13、 表面复合表面复合3.基区表面复合基区表面复合基区表面复合使基区输运系数变小，电流放大系数下降。基区表面复合使基区输运系数变小，电流放大系数下降。 共射极输出特性曲线上共射极输出特性曲线上 VBC 0 点的切线与点的切线与 VCE 轴负方轴负方向交于一点，该点电压称为向交于一点，该点电压称为Early电压。电压。VEA越大，说明基区宽越大，说明基区宽变效应越小。变效应越小。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
14、变效应的电流放大系数：基区变窄：发射效率和基区输运系数增加。3.4 晶体管的特性参数晶体管的特性参数3.4.1 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交流放大系数交流放大系数 0 、 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交流放大系数交流放大系数 0、 3.4.2 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。
15、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。IVIeboIVIcboIVIceo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包括反向反向扩散散电流流，势垒产生生电流流和和表面漏表面漏电流流。l对Ge管：主要是反向管：主要是反向扩散散电流流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基极接法，信号放大的同时，共基极接法，信号放大的同时，相应的漏电流也增大了相应的
16、漏电流也增大了 倍倍3.4.3 晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压1、 BVebo2、BVcbo3、BVceo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、基区穿通电压、基区穿通电压VPT ：集电极开路时：集电极开路时e-be-b间反向击穿电压。间反向击穿电压。 ：发射极开路时：发射极开路时c-bc-b间反向击穿电压。间反向击穿电压。 ：基极开路时：基极开路时e-ce-c间所能承受的最高反向电压。间所能承受的最高反向电压。基区穿通基区穿通：外加电压使发射结和集电结的势垒区在基区相连。 3.4.4 基极电阻基极电阻基基极极电电流流为为横横向向电
17、电流流，基基区区掺掺杂杂浓浓度度低低，且且很很薄薄，这这个个电电阻阻不不可可忽忽略略。基基极极电电阻阻会会造造成成发发射射极极电电流流集集边边效效应应，导导致致发发射射结结有有效效面面积降低。积降低。基极电阻基极电阻r rb b： 扩扩展展电电阻阻，包包括括基基区区体体电电阻阻和和基极电极引出线处接触电阻。基极电极引出线处接触电阻。 截止频率截止频率 f ：共基极电流放大系数共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频减小到低频值的所对应的频率值。率值。 截止频率截止频率f ：同上。同上。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1 1时对应的工作频率时对应的工作
18、频率。最高振荡频率最高振荡频率fM：功率增益为功率增益为1时对应的频率时对应的频率。6分贝倍频程段分贝倍频程段 （频率增加一倍，放大系数减小（频率增加一倍，放大系数减小6dB）3.4.5 晶体管的频率特性晶体管的频率特性参数参数3.5 3.5 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 3.5.1 均匀基区晶体管直流伏安特性均匀基区晶体管直流伏安特性于是得到发射极电流集电极电流3.5.3 晶体管直流特性曲线晶体管直流特性曲线一、共基一、共基输入、入、输出特性曲出特性曲线V Vcbcb，曲曲线线左左移移，基基区区宽宽变变效效应应使使基基区区输输送送系系数数和和发发射射效率增大，导致效
19、率增大，导致I IE E增大；增大；I Ie e0 0，对应，对应I Ic cI Icbocbo；V Vcbcb0 0，I Ic c00；BCBC结正偏，结正偏，I Ic c才能为才能为0 0。3.5.3 晶体管直流特性曲线晶体管直流特性曲线二、共射二、共射输入、入、输出特性曲出特性曲线I Ib b0 0，对应，对应I Ic cI Iceoceo；V Vcece， V Vcbcb, W, Wb b，曲线倾斜；，曲线倾斜；小电流和大电流时，小电流和大电流时， ，曲线较密。，曲线较密。V Vbebe0 0，I Ib b-I-Icbocbo；V Vcece，W Wb b，I Ib b，曲线右移。，曲
20、线右移。一、晶体管的工作状态一、晶体管的工作状态 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
21、）（正偏）VBE0(反偏反偏)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的正脉冲信号时）的正脉冲信号时）ViVBB+VBE进入饱和的原因：进入饱和的原因：1、从外电路来看，是由于、从外电路来看，是由于RL限制；限制；2、从从晶晶体体管管内内部部来来看看，多多余余的的IBX注注入入基基区区，导导致致发发射射结结和和集集电电结结电电压压都都同同步步增增加加，导导致致基基区区两两端端少少子子浓浓度度同同步步增增加加，但但浓浓度度梯梯度度不不变变，所所以以基基区区少少子子扩散电流不变，导致扩散电流不变，导致
22、ICS基本不变。基本不变。正向压降和饱和压降正向压降和饱和压降Vbes：晶体管驱动到饱和时，：晶体管驱动到饱和时，be间间电电压压降降称称为为共共射射极极正正向向压压降降。 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小结：饱和态晶体管的特点：小结：饱和态晶体管的特点：(1)饱和电流(4)产生超量贮存电荷 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
23、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-开态开态三、晶体管的开关过程三、晶体管的开关过程u延迟过程延迟过程 tdtd：V VI I加入加入Ic=0.1 IcsIc=0.1 Ics；u上上升升过过程程 trtr：IcIc从从0.1 0.1 Ics Ics 0.9 0.9 IcsIcs；u贮存过程贮存过程 tsts：V VI I去掉去掉Ic=0.9 IcsIc=0.9 Ics；u下下降降过过程程 tftf：IcIc从从0.9 0.9 Ics Ics 0.1 0.1 IcsIcs；u开启时间开启时间tontontd + trtd + tr；u关断时间关断时间tofftoffts
24、+ tfts + tf；1、延迟过程、延迟过程集电结发射结延迟开始反偏（-5V）反偏（-1V）延迟结束反偏（-3.5V）正偏（微通，0.5V）lViVBB+VBE，满足发射结导通的条件，IB出现，给CTC和CTE充电，反偏结电压降低；lCTE继续充电到正偏，IB开始给CDE充电，IC由00.1ICS。由于CTC上反偏电压较大，所以仍维持反偏。2、上升过程、上升过程集电结发射结上升开始反偏（-3.5V）微通（0.5V）上升结束接近零偏（0V）正偏（0.7V）lCTC继续充电，反偏集电结电压降低到接近0V；lCTE继续充电到0.7V，CDE充电使基区少子积累，浓度梯度增大。l0.9IC之后，集电结
25、正偏， CTC充电到0.5V，向B区/C区注入少子，导致基区和集电区出现超量电荷，进入饱和状态。 CTE继续充电，VBE略有增加。3、存储过程、存储过程集电结发射结储存开始正偏（0.5V）正偏（0.75V）储存结束接近零偏（0V）正偏（0.7V）lVI去掉，发射结加上反偏电压VBB，IB抽取储存电荷；lQBS和QCS减小，相当于CDE和CDC放电，但基区少子浓度梯度不变，ICS不变。l0.9IC之后，晶体管退出饱和，进入放大区。此时发射结正偏，集电结微负偏。4、下降过程、下降过程集电结发射结下降开始接近零偏（0V）正偏（0.7V）下降结束反偏（-3.5V）微通（0.5V）uQBS和QCS泄放完
26、毕；基区少子浓度梯度开始减小，发射结电压降低，相当于CDE和CTE放电；u集电结反偏电压增加， CTC放电， Ic从0.9Ics 0.1Ics 。u0.9IC之后，晶体管退出饱和，进入放大区。此时发射结正偏，集电结微负偏。u之后，发射结反偏，集电结反偏，晶体管进入截止状态。四、开关速度的提高四、开关速度的提高 四四个个开开关关时间中中，储存存时间ts最最长，是是减减小小整整个个开关开关时间的关的关键：a）增加泄放回路，加大抽取）增加泄放回路，加大抽取电流；流；b）减小集）减小集电区少子寿命；区少子寿命；c）降低集）降低集电区厚度，减小区厚度，减小储存存电荷的荷的储存空存空间；d）降低）降低饱和深度。和深度。
