双极结型晶体管.ppt
,3 双极结型晶体管,教 师：黄辉办公室：创新园大厦A1226,2,1.双极结型晶体管发展历史2.双极结型晶体管的结构3.双极结型晶体管的基本工作原理4.理想双极结型晶体管中的电流传输,本章内容,3.1 双极结型晶体管发展历史,1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain)1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley)1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley)1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（TI）1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖1956年中国制造出第一只锗结型晶体管1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产,3.2双极结型晶体管的结构,(a)为理想的一维NPN双极结晶体管，（b）为（a）的 电路符号,(c)为理想的一维PNP双极结晶体管，（c）为（d）的 电路符号,3.2双极结型晶体管的结构,硅双极晶体管结构（平面工艺）的剖面图,硅平面外延NPN晶体管的横截面示意图和工艺复合图,3.2双极结型晶体管的结构,芯片是通过以下步骤制造出来的：1 衬底制备 衬底为低阻N型硅，电阻率在 左右，沿（111）面切成厚约 的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。2 外延 外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。3 一次氧化 高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。4 光刻硼扩散窗口,3.2双极结型晶体管的结构,芯片是通过以下步骤制造出来的：,5 硼扩散和二次氧化 硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向 硅中扩散，并起钝化作用。6 光刻磷扩散窗口 7 磷扩散和三次氧化 磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。8 光刻发射极和基极接触孔蒸发铝 10 在铝上光刻出电极图形,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令 分别为基极对发射极和基 极对集电极的电压。则四种 工作模式是：,（1）正向有源模式：0，0；（2）反向有源模式：0，0；（3）饱和模式：0，0；（4）截止模式：0，0。,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,共基极连接晶体管的放大作用,NPN晶体管共基极放大电路,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,共基极连接晶体管的放大作用,NPN晶体管共基极能带图,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流分量,放大器工作时，NPN晶体管内的工作电流分量,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流分量,是从发射区注入到基区中的电子流。是到达集电结的电子流。是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 是从基区注入到发射区的空穴电流 是发射结空间电荷区内的复合电流。是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流。,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流分量,为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率,基区输运因子,共基极直流电流增益,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流增益,显然,利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成,考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流增益,集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,式中定义,共发射极接法,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,1、电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义：（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2）结是理想的平面结，载流子作一维运动；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流 子运动是一维的；（4）基区宽度远小于少子扩散长度；（5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；（6）发射结面积和集电结面积相等；（7）小注入，等等,1、电流传输,理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,1、电流传输 中性基区（0）少子电子分布及其电流：,边界条件为：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,1、电流传输,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,2、发射区少子空穴分布及其电流：边界条件：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,空穴电流为：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,2、发射区少子空穴分布及其电流,若 则,3、集电区少子空穴分布及其电流 边界条件：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,4、正向有源模式少数载流子分布,在 的情况下，上式简化为：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,4、正向有源模式,正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,5、电流分量 基区电子电流：,若,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,空穴电流,正偏压发射结空间电荷区复合电流：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,5、电流分量,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,5、电流分量,晶体管的输出特性曲线,NPN 晶体管的静态电流电压特性,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,5、电流分量,6、共发射极电流增益,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,7、共发射极电流增益与工作电流的关系,电流增益对集电结电流的依赖关系,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结 在一般情况下，解发射区、基区、集电区少子扩散方程求出少子分布 基区少子电子分布,发射区少子空穴分布,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结 若,集电区少子空穴分布,8、小结 导出了少子电流公式,(1)基区电子电流,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,(2)发射区空穴电流,(3)集电区空穴电流：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,导出了正向有源模式下少子分布,(1)基区电子分布：,在 的情况下,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,(2)发射区少子空穴分布：,若,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,导出了正向有源模式下少子电流：,(1)基区电子电流,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,若,(2)空穴电流,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结 导出了基区输运因子表达式分析了集电极电流、基极电流随发射结电压的变化导出了共发射极电流增益表达式分析了其随工作电流的变化,若,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,
