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1、微微电子器件与子器件与IC设计第第 3 章章 双极晶体管双极晶体管Bipolar Junction Transistor-BJT1双极晶体管第 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2双极晶体管3.1 晶体管的基本晶体管的基本结构及构及杂质分布分布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NPNNPNcbecbePNPPNP3双极晶体管3.1 晶体管的基本晶体管的基本结构及构及杂质分布分布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
2、质均匀分布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4双极晶体管5双极晶体管6双极晶体管3.1 晶体管的基本晶体管的基本结构及构及杂质分布分布“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。发射区射区集集电区区基区基区发射射结集集电结发射射极极集集电极极基极基极
3、7双极晶体管2. 发射结正偏时，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 )8双极晶体管 NPN NPN晶体管的几种晶体管的几种晶体管的几种晶体管的几种组态组态共基极共基极共射极共射极共集共集电极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
4、的放大原理9双极晶体管3.2.1、晶体管中、晶体管中载流子的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WBIneIncIrIpeICBOIEICIB10双极晶体管各区少子分布各区少子分布能能带图11双极晶体管NPN晶体管的电流转换晶体管的电流转换Ine:发射射结正向注入正向注入电子子电流流 Ipe:发射射结反向注入空穴反向注入空穴电流流 Irb:基区复合基区复合电流流 Inc:集集电结电子子电流流Icbo:集集电结反向反向饱和和电流流12双极晶体管3.2.2、发射效率及基区射效率及基区输运系数运系数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
5、Ine和Ipe，但只有正向注入的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13双极晶体管14双极晶体管2、基区、基区输运系数运系数*3、集集电区倍增因子区倍增因子为了说明传输过程中效率的高低15双极晶体管1.共基极直流共基极直流电流放大系数流放大系数 2.共射极直流共射极直流电流放大系数流放大系数3.2.3、晶体管、晶体管电流放大系数流放大系数16双极晶体管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
6、大及功率放大。17双极晶体管晶体管放大三要素：晶体管放大三要素： WbNB 。发射射结正向偏置，集正向偏置，集电结反向偏置。反向偏置。18双极晶体管3.3 晶体管的直流晶体管的直流电流增益流增益任任务：导出出0 0、0 0的定量关系式的定量关系式19双极晶体管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
7、到共基极和共射极电流放大系数20双极晶体管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WBIneIncIrIpeICBOIEICIB21双极晶体管坐坐标：发射区射区集集电区区基区基区发射射结集集电结发射射极极集集电极极基极基极We0WbWcxexc22双极晶体管一、一、少数少数载流子分布流子分布（1 1）基区）基区“少子少子”电子密度分布子密度分布WB0nB(x)23双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益一、一、少数少数载流子分布流子分布（2）发射区少数射区少数载流子分布流子分布x0pE(x)24双极晶体管3.3 晶体管
8、的直流电流增益一、一、少数少数载流子分布流子分布（3）、集）、集电区少数区少数载流子分布流子分布x0pC(x)25双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益二、电流密度分布函数26双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益27双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益WeWbWcxexc28双极晶体管3.3 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*29双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益3、共基极电流增益或者或者30双极晶体管 4、共射极电流增益31双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益3.3.2 缓变基区晶体管的基区晶体管的电流增益流增益一、一、缓变基区晶体管基区自建基区晶
9、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32双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益（1）基区自建电场计算公式（2）基区杂质分布指数近似33双极晶体管二、发射区自建射区自建电场34双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益 三、三、缓变基区晶体管基区晶体管电流增益推流增益推导思路思路A、先忽略基区中少子复合。B、利用： “电流流 少子少子扩散散电流在自建流在自建电场作用下的漂作用下的漂移移电流流” 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) 35双极晶体管缓变基区晶体管基区非平衡
10、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。36双极晶体管根据根据(3.3.46)(3.3.46)，利用，利用类似可得到类似可得到37双极晶体管3.3 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38双极晶体管D、引入平均平均杂质浓度度的概念求出 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39双极晶体管3.3 晶体管的直流电流增益四、四、电流增益流增益（1）发射效率40双极晶体管3
11、.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：41双极晶体管3.3 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率与均匀基区形式相同发射效率与均匀基区形式相同42双极晶体管3.3 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43双极晶体管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
12、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44双极晶体管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）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。45双极晶体管2）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
13、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。 46双极晶体管EcEv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。47双极晶体管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 表面复合表面复合3.基区表面复合基区表面复合48双极晶体管 共射极共射极输出特性曲出特性曲线上上 VBC 0 点的切点的切线与与 VCE 轴负方向交于一点，方向交于一点，该点点电压称称为Early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
14、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，致使信号失真。49双极晶体管3.4 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共共共发发射极直流放大
15、系数射极直流放大系数射极直流放大系数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、 50双极晶体管3.4.2 晶体管的反向晶体管的反向电流流一、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。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
16、和集射极和集电极的极的电流流。IVIeboIVIcboIVIceo51双极晶体管二、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52双极晶体管3.4.3 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、BVBV
17、cbocbo3 3、BvBvceoceo定定义：某一极开路，另二极所能承受的最大反向：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、基区穿通、基区穿通、基区穿通电压电压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间反向击穿电压 ：基极开路时e-c间所能承受的最高反向电压53双极晶体管 3.4.4 基极基极电阻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。
18、处接触电阻。54双极晶体管降低降低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，也会降低击穿电压。55双极晶体管3.4.5 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
19、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
20、个常数就是 （增益增益带宽积带宽积）56双极晶体管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 均匀基区晶体管直流伏安特性57双极晶体管58双极晶体管于是得到发射极电流59双极晶体管集电极电流60双极晶体管61双极晶体管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。62双极晶体管输入特性曲线输入特性曲线63双极晶体管输出特性曲线共基极共射极64双极晶体管l两种组态输出特性曲线的共同之处是
21、：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。这是因为基区宽变效应对共射极电流增益的影响比对共基极的大得多。65双极晶体管(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
22、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66双极晶体管3.5.2 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。67双极晶体管1. E-M1. E
23、-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68双极晶体管1. 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69双极晶体管同理，对倒向晶体管对倒向晶体管ICS是E结短路， C 结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70双极晶体管由图71双极晶体管代入式（3.5.6）、（3.5.10）得E-M方程等效电路见图72双极晶体
24、管对照式（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73双极晶体管2. 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反向饱和电流 来表示EM方程74双极晶体管上式又可写为于是得到对 有:-175双极晶体管对 有即集电结（发射结）短路时的发射结（集电
25、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,ICSCS76双极晶体管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77双极晶体管一、晶体管的工作状一、晶体管的工作状态 晶体管的工作状晶体管的工作状态完全完全由直流偏置情况决定，如由直流偏置情况决定
26、，如图可分可分为三个区。当晶体管三个区。当晶体管处于倒向运用状于倒向运用状态时，也同，也同样存在以上三个区，但截止区存在以上三个区，但截止区和和饱和区是一和区是一样的。只注意的。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78双极晶体管各工作区中各工作区中结的偏置情况和的偏置情况和电流关系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饱和区和区截止区截止区发发射射结结偏置偏置VBE0（正偏）（正偏） VBE0（正偏）（正偏）VBE0(反偏反偏)集集电结电结偏置偏置VBC0(正偏）正偏）VBC=0（正偏）（正偏）VBC0（反偏）（反偏）电电流关系流
27、关系ICIbICR IbICVBB+VBE时时 IBIBS 时时Vcc,VBB为集集电极和极和发射极的反向偏置射极的反向偏置电压。RL：负载电阻阻当当VI为负脉冲或零脉冲或零时当当VI为VBB的正脉的正脉冲信号冲信号时79双极晶体管80双极晶体管小结：饱和态晶体管的特点：(1)饱和电流(3)产生超量贮存电荷81双极晶体管 在放大在放大电路中，晶体管作路中，晶体管作为放大元件；但在放大元件；但在逻辑电路中，路中，晶体管是作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（以共射极二、晶体管的开关作用（以共射极电路路为例）例）截止区截止区-关关态饱和区和区-开开态82双极晶体管三、正向三、
28、正向压降和降和饱和和压降降如图：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83双极晶体管四、晶体管的开关四、晶体管的开关过程程1、延、延迟过程程2、上升、上升过程程3、贮存存过程程4、下降、下降过程程晶体管开关的实际波形晶体管开关的实际波形84双极晶体管1、延、延迟过程程2、上升、上升过程程3、贮存存过程程4、下降、下降过程程85双极晶体管五、开关五、开关时间l1、延、延迟时间l2、上升、上升
29、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86双极晶体管3.7 小小结：BJT的特点的特点优点点垂直垂直结构构与与输运运时间相关的尺相关的尺寸由工寸由工艺参数决定，参数决定，与光刻尺寸关系不大与光刻尺寸关系不大易于易于获得高得高fT高速高速应用用整个整个发射射结上有上有电流流流流过可可获得得单位面位面积的大的大输出出电流流易于易于获得得大大电流流大功率大功率应用用开开态电压VBE与尺寸、与尺寸、工工艺无关无关片片间涨落小，可落小，可获得小的得小的电压摆幅幅易于小信易于小信号号应用用模模拟电路路87双极晶体
30、管输入入电容由容由扩散散电容决容决定定随工作随工作电流的减流的减小而减小小而减小可同可同时在大或小的在大或小的电流下工作而无需流下工作而无需调整整输入入电容容输入入电压直接控制提供直接控制提供输出出电流的流的载流子密度流子密度高跨高跨导88双极晶体管缺点：缺点：存在直流存在直流输入入电流，基极流，基极电流流功耗大功耗大饱和区中存和区中存储电荷上升荷上升开关速度慢开关速度慢开开态电压无法成无法成为设计参数参数设计设计BJTBJT的关的关的关的关键键：获获得尽可能大的得尽可能大的得尽可能大的得尽可能大的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作作业：P65 3.1，3.2，3.489双极晶体管
