双极型晶体管课件.pptx
理想化的本征结构,2.4.1 直流放大原理1.双极晶体管结构,（1）双极晶体基本管结构,双极晶体管的两种形式：NPN和PNP,NPN,c,b,e,双极晶体管的结构和版图示意图,（2）实际结构和杂质分布,（3）偏置方式正向放大：发射结正偏，集电结反偏反向放大：发射结反偏，集电结正偏截止状态：发射结反偏，集电结反偏饱和状态：发射结正偏，集电结正偏,（4）晶体管电路连接方式根据公共端不同，分为三种：共基极、共射极、共集电极共基极有助理解晶体管放大作用的物理过程，而共发射极具有较大的放大能力，应用较广。,2 直流电流传输过程,（1）双极晶体管直流电流传输过程,发射结正偏发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度发射极电流主要由高掺杂发射区向基注入的电子电流组成，故称发射结,发射区向基区注入的电子远大于基区的平衡少子电子的数量，因此在发射结的基区一侧边界就有非平衡少子的积累，形成非平衡少子电子在基区的扩散运动。,扩散的电子一部分要在扩散过程中与基区的多子空穴复合。为此，基区宽度Wb必须比非平衡少子在基区的扩散长度小得多，则电子在基区的复合就很少，大部分能够扩散到集电结。晶体管用于放大时，集电结反偏，集电结在基区一侧边界处电子浓度基本为0，基区中非平衡少子呈线性分布，基区电子扩散到边界时，立即被反偏集的强电场扫至集电区，成为集电极电流。,基区非平衡少子分布,根据上述分析，在发射结正偏、集电结反偏时，晶体管内部的电流传输如图所示：,（1）发射效率与基区输运系数：发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度基区宽度尽量小，基区中非平衡少子的寿命尽量大。注入效率 基区输运系数*,3 双极晶体管直流电流增益,直流电流的理论表征第一项是发射区多数载流子电流与发射极总电流的比值，即注入效率。第二项是离开基区的少数载流子与发射区注入到基区输运的少数载流子的比值，即输运系数*。第三项是总的集电极与从基区进入集电区的电子电流之比，称为收集效率。,定量分析可得：,要增大*，需使Wb远小于非平衡少子电子在基区的扩散长度Lnb。,（2）共基极直流电流增益0：0=*，即共基极直流电流增益等于注入效率和基区输运系数的乘积。非常接近于1，一般大于0.9。（3）共射极直流电流增益0,三个区域：饱和区 放大区截止区,(4)晶体管放大电路工作原理,减小发射区方块电阻，即增益发射区的掺杂浓度。增大基区的方块电阻，即减少基区的掺杂浓度，但要适量，否则引起副作用。减小基区宽度Wb增大Lnb，即提高基区非平衡少子的寿命增大，使基区杂质分布尽量陡峭。,4 提高电流增益的途径,2.4.2 影响晶体管直流特性的其他原因,1 基区宽变(变窄)效应和厄利电压理想情况下晶体管输出特性曲线(图1)基区宽变效应(厄利效应)厄利电压,2 大电流效应,（1）电流增益0与电流的关系（图）,（2）大注入效应：,注入到基区的非平衡少数载流子浓度超过平衡多数载流子的浓度。1 形成基区自建场，起着加速少子的作用，导致电流放大系数增大。2 基区电导调制，由于少子增加，导致多子增加，以保持电中性，使电导增加，导致发射效率减小，从而使电流增益0 减小。上述两种效应的综合结果是0首先随工作电流的增加而增加，随着电流的进一步加大，0随工作电流的增加而减小。,（3）电流集边效应：,由于基区横向压降，使发射区基区一侧结面上的电位不相等。因此增大最大允许工作电流的途径是增大发射结的周长。,3 晶体管小电流特性,小电流情况下，由于空间电荷区的复合，导致0下降。,2.4.3 晶体管的击穿电压,1 击穿电压三个结击穿电压，与单个结的击穿电压基本相同2 基区穿通基区穿通现象：随着集电结上反向电压增加，集电结耗尽层变宽，使基区有效宽度wb减小。若尚未使集电结击穿，但由于集电结耗尽层变宽使基区有效宽度wb减小到趋于0的程度，将导致输出端电流急剧增加，与击穿现象类似。基区穿通电压基区穿通电压与晶体管结构的关系,2.4.4 晶体管的频率特性,1 双极晶体管交流小信号增益晶体管用于放大交流信号时，信号一般很小，因此采用交流小信号增益。,共基极交流小信号放大倍数为：共射极交流小信号放大倍数：,2 晶体管频率特性参数,(1)频率特性频率较低时，电流增益和的辐值基本为常数，等于直流小信号电流增益。随着频率增高，和的幅值以(6dB/十倍频程)的速度下降。,(2)截止频率f 和f：使电流增益下降为低频值的(1/2)时的频率。(3)特征频率：共射极电流增益下降为1 时的频率，记为fT.(4)最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率,3.频率特性和结构参数的关系,提高fT的途径减小基区宽度，以减小基区的渡越时间b减小发射结面积Ae和集电结面积Ac，可以减小发射结和集电结势垒电容，从而减小时间常数e和c减小集电区串联电阻Rc，也可以减小c兼顾功率和频率特性的外延晶体管结构。,2.4.5 晶体管模型和模型参数,综合考虑双极晶体管直流、交流特性和各种效应的影响，可得到描述其特性的等效电路，共涉及27个基本模型参数。,BJT的特点,优点,垂直结构,与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大,易于获得高fT,高速应用,整个发射结上有电流流过,可获得单位面积的大输出电流,易于获得大电流,大功率应用,开态电压VBE与尺寸、工艺无关,片间涨落小，可获得小的电压摆幅,易于小信号应用,模拟电路,输入电容由扩散电容决定,随工作电流的减小而减小,可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容,输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度,高跨导,缺点：,存在直流输入电流，基极电流,功耗大,饱和区中存储电荷上升,开关速度慢,开态电压无法成为设计参数,设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB,2.5 JFET与MESFET器件基础,JFET(Junction-gate Field Effect Transistor)MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)都是目前集成电路中广泛使用的半导体器件.JFET可以与BJT(双极晶体管)兼容,可用作恒流源及差分放大器等单元电路;而MESFET是目前GaAs 微波集成电路广泛采用的器件结构。MOSFET是靠静电感应电荷控制沟道电荷量,JFET与MESFET依靠势垒的空间电荷区扩展来控制沟道的变化。JFET依靠pn结空间电荷区控制沟道电荷，MESFET是依靠肖基特势垒来控制沟道的变化。,2.5.1 器件结与电流控制原理,1 结型场效应晶体管的结构,用掺杂在n型衬底上构成p+区，从而形成一个pn结。上下两个P型区联在一起,称为栅极(G:grid)。pn结下方有一条狭窄的N型区域称为沟道(channel)，其厚度为d，长度为L，宽度为W。沟道两端的欧姆接触分别称为漏极(D,drain)和源极(S,source)。这种结构又称为N沟JFET。,2 JFET中沟道电流的特点在漏（D）极和源（S）极之间加一个电压VDS,就有电流IS流过沟道.如果在栅（G）和源（S）极之间加一个反向pn 结电压VGS，将使沟道区中的空间电荷区之间的距离逐步变小,由于栅区为P+,杂质浓度比沟道区高得多，故PN结空间电荷区向沟道区扩展,使沟道区变窄.从而实现电压控制源漏电流的目的。综上所述：1 JFET是压控器件.2 JFET工作时,栅源是反偏电压,控制电流很小,因此是用小输入功率控制大的输出功率.3 ID是在沟道中电场作用下多数载流子漂移电流,又称为单极器件.,1 VGS=0情况下的源漏特性一般源极接地。由于栅区为P+,可以认为栅区等电位.2 VGS0情况下的源漏特性：曲线下移,2.5.2 JFET直流输出特性的定性分析,2.5.3 JFET直流转移特性 IDS随 VGS变化的情况.VGS=0的电流IDSSIDS=0对应的电压VGS即为夹断电压VP.,VGS,2、特性分析1.阈值电压VTNsub为沟道掺杂浓度，a代表沟道宽度的一半2.直流特性（1）导通区伏-安特性 为跨导因子，为沟道长度调制系数,（2）饱和区伏-安特性（3）特征频率fTfT的定义与MOSFET相同,三、器件模型参数,源 栅 漏 源 漏,N沟道衬底JFET,N沟道衬底MESFET,JFET与MESFET结构,P+,Metal,
