双极晶体管直流特性.ppt

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1、第三章 双极型晶体管的直流特性,内容,3.1 双极晶体管基础,3.2 均匀基区晶体管的电流放大系数,3.3 缓变基区晶体管的电流放大系数,3.4 双极晶体管的直流电流电压方程,3.5双极晶体管的反向特性,3.6 基极电阻,3.1 双极晶体管的基础,由两个相距很近的pn结组成：,分为：npn和pnp两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,1、双极型晶体管的结构,双极型晶体管的结构示意图如图所示。它有两种类型:npn型和pnp型。,e-b间的pn结称为发射结(Je),c-b间的pn结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射极，

2、用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。,两种极性的双极型晶体管,双极型晶体管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,加在各PN 结上的电压为：,PNP 管：,NPN管：,根据两个结上电压的正负，晶体管可有 4 种工作状态：,E 结,工作状态放大状态，用于模拟电路饱和状态，用于数字电路截止状态，用于数字电路倒向放大状态,C 结,2、偏压与工作状态,放大状态：,饱和

3、状态：,截止状态：,倒向放大状态：,3、少子分布与能带图,NPN 晶体管在平衡状态下的能带图：,EC,EF,EV,N,N,P,4、NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图：,NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图：,放大状态：,饱和状态：,截止状态：,倒向放大状态：,（1）基区必须很薄，即WB LB；,3-2 均匀基区晶体管的放大系数,1、晶体管的放大作用,均匀基区晶体管：基区掺杂为均匀分布。少子在基区中主要作扩散运动，又称为 扩散晶体管。缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，少子在基区中主要作漂移运动，又称为 漂移晶体管。,要使晶体管区别于两个二极管的串联而具有放大作用，晶体管在结构

4、上必须满足两个基本条件：,（2）发射区的杂质总量远大于基区，当WE 与WB 接近时，即要求 NE NB。,晶体管放大电路有两种基本类型，即 共基极接法 与 共发射极接法。,先讨论共基极接法（以PNP 管为例）：,RL,V,P区,N区,0,为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下 PN 结中的电流：,忽略势垒区产生复合电流，处于放大状态的晶体管内部的各电流成分如下图所示：,从 IE 到 IC，发生了两部分亏损：InE 与 In r。要减小 InE，就应使NE NB；要减小In r，就应使WB LB。,定义：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IE 之比，称为共基极直流短路电流放大系数，记为，

5、即：,共发射极接法：,定义：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IB 之比，称为共发射极直流短路电流放大系数，记为，即：,根据，及 的关系，可得与之间有如下关系：,对于一般的晶体管，=0.9500.995，=20200。,定义：由发射结注入基区的少子电流 IpE 与总的发射极电流IE 之比，称为 注入效率（或 发射效率），记为，即：,2、电流放大系数中间参数的定义,定义：基区中到达集电结的少子电流 IpC 与从发射结注入基区的少子电流 IpE 之比，称为 基区输运系数，记为*，即：,由于空穴在基区的复合，使 JpC JpE。,3.基区传输系数 1)用电流密度方程求基区传输系数,用连续性方程求

6、解基区非平衡载流子浓度,这里必须采用薄基区二极管的精确结果，即:,pB(0),pB(x),x,0,WB,近似式，忽略基区复合,精确式，考虑基区复合,再利用近似公式：(x 很小时），得：,根据基区输运系数的定义，得：,静态下的空穴电荷控制方程为：,2)利用电荷控制法来求*。,另一方面，由薄基区二极管的 近似 公式：,从上式可解出：，代入 Jpr 中，得：,B,E,C,0,WB,JpE,JpC,上式中，即代表了少子在基区中的复合引起的电流亏损所占的比例。要减少亏损，应使WB，LB。,的典型值：WB=1m，LB=10 m，=0.9950。,3、基区渡越时间,定义：少子在基区内从发射结渡越到集电结所需

7、要的平均时间，称为少子的 基区渡越时间，记为。,可以设想，在 期间，基区内的少子全部更新一遍，因此：,。将：代入，得：,。因此 又可表为：,注意 与 的区别如下：,的物理意义：,时间，代表少子在单位时间内的复合几率，因而 就代表,少子在基区停留期间被复合的几率，而 则代表未复合,掉的比例，也即到达集电结的少子电流与注入基区的少子电流,4、表面复合的影响（自学）,之比。,代表少子在基区停留的平均,5、注入效率,定义：由发射结注入基区的少子电流 IpE 与总的发射极电流IE 之比，称为 注入效率（或 发射效率），记为，即：,当 WB LB 及 WE LE 时，有：,代入 中得：,为提高，应使 NE

8、 NB，即（NB/NE）1，则上式可近似写为：,已知：，代入 中，,再利用爱因斯坦关系：，得：,注意：DB、DE 代表少子扩散系数，B、E 代表多子迁移率。,得：,利用 方块电阻 的概念，可有更简单的表达式。方块电阻表示一个正方形薄层材料的电阻，记为：R口。,对于均匀材料：,对于厚度方向（x方向）上不均匀的材料：,对于均匀掺杂的发射区与基区，有：,中，可将 表示为最简单的形式：,代入前面得到的 公式,由，可得：,6、电流放大系数与亏损因子,上式中：，称为 亏损因子。,，将其代入少子电流方程，求出 与，进而,3-3 缓变基区晶体管的放大系数,基区杂质分布的不均匀会在基区中产生一个内建电场，使少子

9、在基区内以漂移运动为主，故缓变基区晶体管又称为 漂移晶体管。,以NPN 管为例，结电压为 VBE 与 VBC。,本节主要思路：令基区多子电流为零，解出基区内建电场,求出基区渡越时间，最后求出：,1、内建电场的形成,杂质浓度分布图：,在实际的缓变基区晶体管中，=4 8。,设基区杂质浓度分布为：,式中 是表征基区内杂质变化程度的一个参数：,当=0 时为均匀基区。,由于，故对电子起加速作用，称为加速场。,令基区多子电流为零：,得内建电场为：,小注入时，基区中总的多子浓度即为平衡多子浓度：,将基区电场 代入电子电流方程中，可得注入基区的少子电流为：,2、基区少子分布与少子电流,根据非均匀材料方块电阻表

10、达式，缓变基区的方块电阻为：,于是 JnE 可表示为：,下面求基区少子分布 nB(x):,在前面的积分中将下限由 0 改为基区中任意位置 x，得：,由上式可解出 nB(x)为：,对于均匀基区：,纵轴：,横轴：,3、基区渡越时间与基区输运系数,对于均匀基区，,当 时，分别为：这表明 由于内建电场的存在使少子的渡越时间大为减小。,当 较大时，上式可简化为：,进一步可求得基区输运系数 为：,4、注入效率与电流放大系数,已知从发射区注入基区的电子电流为：,类似地可得从基区注入发射区的空穴电流为：,上式中：,于是可得缓变基区晶体管的注入效率为：,以及：,5、小电流时 的下降,实测表明，与发射极电流 IE

11、 有如下图所示的关系。,上式中：,原因：发射结正向电流很小时，发射结势垒区复合电流 JrE 的比例增大，使注入效率下降。当 JrE 不能被忽略时有：,当电流很小，即 VBE 很小时，很大，使 很小，从而 很小。,随着电流的增大，减小，当 但仍不能被忽略时，有：,当电流很大时，又会开始下降，这是由于大注入效应和基区扩展效应引起的。,当电流继续增大到 可以被忽略时，则有：,6、重掺杂的影响,重掺杂效应：当 NE 太高时，不但不能提高注入效率，反而会使其下降，从而使 和 下降。原因：发射区禁带宽度变窄 与 俄歇复合增强。,对于室温下的 Si：,(1)禁带变窄,发射区禁带变窄后，会使其本征载流子浓度

12、ni 发生变化：,而先增大。但当 NE 超过 后，反而下降，,当NE 增大时，减小，增加，随NE 增大,从而导致 与 的下降。,(2)俄歇复合增强,8、异质结晶体管（HBT）,上式中，当 时，则：,7、低发射区杂质浓度晶体管（本小节内容自学）,选择不同的材料来制作发射区与基区，使两区具有不同的禁带宽度，则有：,第三章 习题,1、4、（）5、（）8、12、17、23、思考题：15、25、26、27、28、29、30（穿通电压）,3-4 晶体管的电流电压方程,本节以缓变基区NPN 管为例，推导出在发射结和集电结上均外加任意电压时晶体管的电流电压方程。电流的参考方向和电压的参考极性如下图所示。,E,

13、B,C,IE,IB,IC,VCE,VBE,VBC,N,N+,P,+,+,+,-,-,-,推导电流电压方程时，利用扩散方程的解具有线性迭加性的特点：方程在“边界条件1”时的解n1(x)与在“边界条件2”时的解n2(x)的和n1(x)+n2(x)，等于以“边界条件1与边界条件2的和”为边界条件时的解n(x)。,1、集电结短路(VBC=0)时的电流,上式中，IES 代表发射结反偏，集电结零偏时的发射极电流，相当于单独的发射结构成的PN 结二极管的反向饱和电流。,于是可得三个电极的电流为：,2、发射结短路(VBE=0)时的电流,把发射区当作“集电区”，把集电区当作“发射区”，就得到一个 倒向晶体管，发

14、射结短路就是倒向管的“集电结短路”，故可得：,上式中，ICS 代表集电结反偏，发射结零偏时的集电极电流，相当于单独的集电结构成的PN 结二极管的反向饱和电流。R 代表倒向管的共基极直流短路电流放大系数，通常比 小得多。,3、电流电压方程,由于三个电流之间满足 IE=IC+IB，三个电流中只有两个是独立的。如果选取 IE 与 IC，所得为共基极电流电压方程，也称为“埃伯斯莫尔方程”：,将上述两种偏置条件下得到的电流相加，即可得到发射结和集电结上均外加任意电压时晶体管的电流电压方程。,如果选取 IB 与 IC，所得为共发射极电流电压方程：,正向管与倒向管之间存在一个 互易关系：,4、共基极输出特性

15、,以输入端的IE 作参变量，输出端的IC 与VBC 之间的关系。,由共基极电流电压方程：,E,B,C,IE,IC,VBC,N,N+,P,+,-,B,消去VBE，得：,当VBC=0 时，,在放大区，VBC 0，且当 时，,ICBO 代表发射极开路(IE=0)、集电结反偏(VBC 0)时的集电极电流，称为共基极反向截止电流。,上式中，,共基极输出特性曲线：,5、共发射极输出特性 以输入端的IB 为参变量，输出端的 IC 与VCE 之间的关系。,由共发射极电流电压方程：,E,C,B,P,N,IB,IC,N,E,VCE,上式中：,或：,消去VBE，得：,当 VBC=0，或VBE=VCE 时，,在放大区

16、，VBC 0，或VBE VCE，,ICEO 代表基极开路(IB=0)、集电结反偏(VBC 0)时从发射极穿透到集电极的电流，称为共发射极反向截止电流，或共发射极穿透电流。,共发射极输出特性曲线：,图中，虚线表示VBC=0，或VCE=VBE，即放大区与饱和区的分界线。在虚线右侧，VBC VBE，为放大区；在虚线左侧，VBC 0，或VCE VBE，为饱和区。,3）两种输出特性曲线的比较,第一，共射极输出特性曲线中，较小IB的变化将引起较小IC的变化;第二，共射极输出特性曲线随VCE增加而上翘；第三，共射极输出特性在VCE下降为零前IC就已经开始下降，而共基极输出特性曲线在VCB=0时还保持水平，要

17、到VCB为负值时才开始下降。,几种反向电流的小结：,(1)IES：VBE 0、VBC=0 时的 IE，相当于单个发射结的反向饱和电流。,(2)ICS：VBC 0、VBE=0 时的 IC，相当于单个集电结的反向饱和电流。,(3)ICBO：VBC 0、IE=0 时的 IC，,在共基极电路放大区中，,当发射极开路时，发射结上存在浮空电势，它的存在使ICBO不同于ICS,浮空电势产生的原因：,发射极浮动电势是指当发射极开路，集电结处于反偏时，发射极的对地电压。当集电结反偏时，集电结抽取基区的电子（npn），一般情况下，WBLB，因此少子浓度降低将延伸到发射结边界，从而破坏了发射结原来的的平衡状态，引起

18、电子从发射区向基区扩散，发射区失去电子，缺少负电荷，因此发射结处于反向偏置，即出现浮动电势。,ICBO计算公式,ICS的测试电路,ICBO的测试电路,+,PN结的反向电流由扩散电流和产生电流构成，产生电流不遵守该关系式，只是一个PN结的反向电流。,ICEO计算公式,ICEO较ICBO大倍的原因,+,=,6、基区宽度调变效应厄尔利效应,在共发射极放大区，由前面的公式，IC=IB+ICEO,IC 与VCE 无关。但在实际的晶体管中，IC 随VCE 的增大会略有增大。,原因：当VCE 增大时，集电结反偏增大（VBC=VBE-VCE），集电结耗尽区增宽，使中性基区的宽度变窄，基区少子浓度分布的梯度 增

19、大，从而使IC 增大。这种现象即称为 基区宽度调变效应，也称为 厄尔利效应。,WB,WB,WB,WB,x,N,N,P,0,0,np（x）,当忽略基区中的复合与 ICEO 时，,中的部分，即。,上式中：,称为 厄尔利电压。,，称为 共发射极增量输出电阻。,，为集电结耗尽区进入基区,对于均匀基区，,或：,可见，为减小厄尔利效应，应增大基区宽度WB，减小集电结耗尽区在基区内的宽度 xdB，即增大基区掺杂浓度 NB。,如果假设，则无厄尔利效应，,此时 IC 与VCE 无关。,实际上，故VA 与 r0 均为正的有限值，,VA 的几何意义：,1、共基极接法中的雪崩倍增效应和击穿电压,已知 PN 结的雪崩倍

20、增因子 M 可以表示为：,它表示进入势垒区的原始电流经雪崩倍增后放大的倍数。,在工程实际中常用下面的经验公式来表示当已知击穿电压时 M 与外加电压之间的关系：,当V=0 时，M=1;当V VB 时，M。,锗PN 结:,硅PN 结:,S=6(PN+),S=3(P+N),S=2(PN+),S=4(P+N),3-5 晶体管的反向特性,对于晶体管，在共基极接法的放大区中，,当发生雪崩倍增效应时，成为：,上式中，分别为计入雪崩倍增,效应后的放大系数与反向截止电流。,定义：将发射极开路时，使 ICBO 时的VBC称为共基极集电结雪崩击穿电压，记为BVCBO。,显然，当VBC VB 时，M,ICBO，所以B

21、VCBO=VB。,雪崩击穿对共基极输出特性曲线的影响：,2、共发射极接法中的雪崩倍增效应和击穿电压,在共发射极接法的放大区中，有：,当发生雪崩倍增效应时，IC 成为：,上式中，,分别为计入雪崩倍增效应后的放大系数与穿透电流。,可见雪崩倍增对 与ICEO 的影响要比对 与ICBO 的影响大得多。或者说，雪崩倍增对共发射极接法的影响要比对共基极接法的影响大得多。,定义：将基极开路时，使 ICEO 时的 VCE 称为集电极发射极击穿电压，记为：BVCEO。,BVCEO 与 BVCBO 的关系：,当 时，即 时，将此关系,代入M 中，得：,在击穿的起始阶段电流还很小，在小电流下变小，使满足击穿条件 的

22、 M 值较大，击穿电压 BVCEO 也就较高。随着电流的增大，恢复到正常值，使满足 的M值减小，击穿电压也随之下降到与正常的 与 值相对应的，使曲线的击穿点向左移动，形成一段负阻区。当出现负阻区时，上式应该改为：,原因：,曲线中有时会出现一段 负阻区。图中，VSUS 称为维持电压。,ICEO,BVCEO,VCE,VSUS,IC,0,负阻区,4、发射极与基极间接有一定外电路时的反向电流,（本小节内容请同学们自学。）,雪崩击穿对共发射极输出特性曲线的影响：,晶体管的各种偏置条件,测试BVCES的电路示意图,BVCES 基极对发射极短路时的C-E间的击穿电压BVCER基极接有电阻RB时的C-E间的击

23、穿电压BVCEX基极接有反向偏压时的C-E间的击穿电压各种击穿电压的大小关系BVCEO BVCER BVCEX BVCES BVCBO,3、发射结击穿电压,集电极开路（IC=0），发射极与基极之间加反向电压时的 IE 记为 IEBO，使IEBO 时的发射极与基极间反向电压记为BVEBO。,在通常的晶体管中，NE NB NC，故 BVCBO 取决于NC，BVEBO 取决于NB,且 BVCBO BVEBO。,4、基区穿通效应,1）基区穿通电压,当集电结上的反向电压增大到其势垒区将基区全部占据，WB=0 时，IC 将急剧增大，这种现象称为 基区穿通，相应的集电结反向电压称为 穿通电压，记为Vpt。,

24、WB,N,N,P,0,穿通电压 VPT 的计算的计算：,集电结基区一侧的空间电荷区宽度等于基区宽度时,忽略Vbi,防止基区穿通的措施：提高WB和NB，这与防止基区宽变效应一致，与提高电流放大系数相矛盾。,2)基区穿通时的 BVCBO,基区穿通时的 BVCBO与Vpt是否相等？为什么？,在进行BVCBO的测试时，发射结上存在浮空电势，它使其反偏，发生穿通时，由于发射结反偏，所以并未发生击穿，直到发射结达到击穿电压才发生击穿。,3)基区穿通时的 BVCEO,防止基区穿通的措施：增大 WB 与 NB。这与防止厄尔利效应的措施相一致，但与提高 放大系数 与 的要求相反。,在平面型晶体管中，NB NC，

25、势垒区主要向集电区扩展，一般不易发生基区穿通。但可能由于材料的缺陷或工艺的不当而发生局部穿通。,VCE,VSUS,IC,0,Vpt,3-6 基极电阻,已知 要使 增加，应使 减小与 增大。但 的减小受重掺杂效应的限制，而 的增大受厄尔利效应与基区穿通的限制，此外，的增大还会使基极电阻 增大，影响晶体管的功率、频率与噪声特性。以下的分析以 PNP 管为例。,梳状晶体管的结构与基极电流的流动情况,有源区内，由于边流动，边复合及边向发射区注入，基极电流逐渐减小，在发射区中心处的基极电流为零。,1、方块电阻和基极电阻的构成,对于均匀材料:,对于沿厚度方向(x 方向)不均匀的材料:,对于矩形的薄层材料，

26、总电阻就是 乘以电流方向上的方块个数，即:,晶体管中各个区的方块电阻分别为:,发射区：,有源基区：指正对着发射区下方的在 WB=xjC-xjE 范围内的基区，也称为 工作基区 或 内基区。,无源基区：指在发射区下方以外从表面到 xjC 处的基区，也称为 非工作基区 或 外基区。,(1)内基区电阻 rb,基极电阻 rbb 由 4 部分组成：,(2)内基区边缘到基极接触孔边缘下的电阻 rb,(3)基极接触孔边缘下到基极接触处的电阻 rcb,(4)基区与基极金属的欧姆接触电阻 rcon,2、rcon 与 rb,式中 C 为 欧姆接触系数，单位为 cm2，随半导体类型，掺杂浓度及金属种类不同而不同，参

27、见表 2-2(p.79)。通常掺杂浓度越高，则 C 越小。,1）单基极条,E,B,P,P,N,d,Se,Sb,L,2）双基极条,在发射区左右对称地设置两个基极接触孔。,E,B,d,L,B,d,Se,Sb,Sb,3）圆环形基极条,dS,dB,Se,3、rb 与 rcb,1）单基极条,采用 等效电阻 的概念:总电流IB 在等效电阻rb上消耗的功率IB2rb与分布电流Ib(y)在有源基区消耗的实际功率Pb 相等。,分布电流为,段上的电阻为,在 段电阻上消耗的功率,于是有：,为：,y,Se,0,IB,Ib(y),dy,令:,得：,为了降低 rcon 与 rcb，通常在基极接触孔下进行重掺杂，就是对部分无源基区进行重掺杂。,用类似于求 rb 的方法，,无源基区的方块电阻为:,得：,2)双基极条,3）圆环形基极,圆环形基极的 rcb 很小，可以忽略。,圆环行基极:,降低 rbb 的措施:（1）减小 R口B1 与 R口B2，即增大基区掺杂与结深，但这会降低，降低发射结击穿电压与提高发射结势垒电容。（2）无源基区重掺杂,以减小 R口B3 和 C。（3）减小 Se、Sb 与 d，增长 L，即采用细线条，并增加基极条的数目，但这受光刻工艺水平和成品率的限制。,单基极条:,双基极条:,