双极晶体管的单管结构及工作原理.ppt

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1、2023/9/24,1,双极晶体管的单管结构及工作原理,双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电,发射区N+,集电区 N,基区P,发射结,收集结,发射极,集电极,基极,结构特点：1.发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小 2.基区宽度很窄,2023/9/24,2,N,N,P,E,C,B,当发射结正偏（VBE0)，集电结反偏（VBC0)时，为正向工作区。,Ie=Ic+Ib,令,则,共基极短路电流增益,共射极短路电流增益,2023/9/24,3,正向工作区发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进，大部分被集电极反偏结收集：(接近于1）具有电流放大作用：,2023/9/24,4,当发射结

2、正偏（VBE0)，集电结也正偏（VBC0)时(但注意，VCE仍大于0)，为饱和工作区。,N,N,P,E,C,B,1.发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明显下降。2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即 不再成立。3.对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深饱和时VCES达0.10.2V。,2023/9/24,5,当VBC0，VBE0时，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，但是由于集电区的掺杂浓度低，因此其发射效率低，很小（约0.

3、02）。,当发射结反偏（VBE0),集电结也反偏（VBC0)时，为截止区。,N,N,P,E,C,B,反向工作区,2023/9/24,6,共发射极的直流特性曲线,三个区域：饱和区放大区截止区,2023/9/24,7,2.2 理想本征集成双极晶体管的EM模型,A:结面积,D:扩散系数,L:扩散长度,pn0,np0:平衡少子寿命,热电压.T=300K,约为26mv,一结两层二极管(单结晶体管),2023/9/24,8,正向偏置,二极管的等效电路模型,2023/9/24,9,两结三层三极管(双结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：,2023/9/24

4、,10,实际双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组成：,基区宽度远远小于少子扩散长度，相邻PN结之间存在着相互作用,发射区,集电区,基区,发射结,收集结,发射极,集电极,基极,2023/9/24,11,两结三层三极管(双结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,NPN管反向运用时共基极短路电流增益,NPN管正向运用时共基极短路电流增益,2023/9/24,12,BJT的三种组态,2023/9/24,13,三结四层结构(多结晶体管),p,p,n,n,IE,E,B,C,S,IB,IC,IS,I1,I2,I3,V1,V2,V3,理想本征集成双极晶体管的EM模型,2023/9/24,14,三结

5、四层结构(多结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,根据基尔霍夫定律，有：,p,p,n,n,IE,E,C,S,IB,IC,IS,I1,I2,I3,V1,V2,V3,2023/9/24,15,三结四层结构(多结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,理想本征集成双极晶体管的EM模型,2023/9/24,16,2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应,双极晶体管的四种工作状态,2023/9/24,17,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于正向工作区和截止区的情况,VEB_pnp0,VS=0,VCB_pnp0,截止,正向工作区和截止区,寄生晶体管的影响可以忽略,pnp管,2023/9/

6、24,18,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于反向工作区的情况,正向工作区,反向工作区,寄生晶体管对电路产生影响,2023/9/24,19,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于反向工作区的情况,几个假设:,晶体管参数,EM模型简化,2023/9/24,20,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于反向工作区的EM方程(VBE(V1)0),2023/9/24,21,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于反向工作区的EM方程,减小了集电极电流,作为无用电流流入衬底,采用埋层和掺金工艺,2023/9/24,22,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于饱和工作区的情况

7、,正向工作区,寄生晶体管对电路产生影响,2023/9/24,23,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于饱和工作区的EM方程,2023/9/24,24,2.4 集成双极晶体管的无源寄生效应,P+,P+,N+,P,N+-BL,N-epi,C,B,E,N+,2023/9/24,25,集成双极晶体管的无源寄生效应,rES=rE,c+rE,b,发射极串联电阻rES,发射区为N+扩散,杂质浓度在1020cm-3以上,所以发射区的体电阻很小,串联电阻主要由金属与硅的接触电阻决定,SE:发射极接触孔的面积RC:为硅与发射极金属的欧姆接触系数,E,接触电阻,体电阻,2023/9/24,26,rCS=rC

8、1+rC2+rC3,集电极串联电阻rCS,集成双极晶体管的无源寄生效应,rC1,上底为有效集电结面积SC,eff=SE并作以下近似:1.上底、下底各为等位面；2.锥体内的电流只在垂直方向流动；3.在上下面的电流是均匀的。,E,C,2023/9/24,27,rCS=rC1+rC2+rC3,集电极串联电阻rCS,集成双极晶体管的无源寄生效应,LE-C,E,C,2023/9/24,28,rCS=rC1+rC2+rC3,集电极串联电阻rCS,集成双极晶体管的无源寄生效应,rC3,E,C,2023/9/24,29,rCS=rC1+rC2+rC3,集电极串联电阻rCS,集成双极晶体管的无源寄生效应,rC3

9、,rC1,E,C,2023/9/24,30,rB=rB1+rB2+rB3,基区电阻rB,集成双极晶体管的无源寄生效应,E,B,rB3,rB2,rB1,发射区扩散层下的基区电阻,发射区扩散层边缘到基极接触孔边缘的外基区电阻,基极金属和硅的接触电阻以及基极接触孔下的基区电阻,2023/9/24,31,2.5 MOSFET的单管结构及工作原理,单极器件：只有一种载流子参与导电,n+,n+,p型硅基板,栅极,绝缘层（SiO2）,半导体基板,漏极,源极,2023/9/24,32,VG=0VS=0VD=0,栅极电压为零时，存储在源漏极中的电子互相隔离,2023/9/24,33,VGS0时，沟道出现耗尽区，

10、至VGS VTH时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。,S,VDS较小时，沟道中任何一处电压的栅沟道电压都大于阈值电压，随着VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。（线性区，非饱和区）,随着VDS进一步增大至VDS=VGS-VTH(即VGDVTH)时，靠近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入饱和区。随着VDS的增大，夹断区向源区移动，电压的增加主要降落在夹断点至漏端边缘的高阻区，沟道电子被横向强电场拉至漏极，漏源电流基本上不随VDS的增大而变化。,2023/9/24,34,N沟MOSFET的输出特性曲线,2023/9/24,35,场区寄生MOSFET寄生双极晶

11、体管寄生PNPN效应（闩锁（Latch up）效应）,2.6 MOS集成电路中的有源寄生效应,2023/9/24,36,场区寄生MOSFET,措施：1.加厚场氧化层的厚度 2.增加场区注入工序,2023/9/24,37,寄生双极晶体管,防止措施：1.增大寄生晶体管“基区宽度”2.P型衬底接地或负电位,2023/9/24,38,寄生PNPN效应（闩锁（Latch up）效应）,RS,RW,P阱,RS,RW,Vdd,Vss,N衬底,消除措施：1.减小RS,RW（增加接触孔数量，加粗电源、地线,双阱工艺）2.降低寄生三极管电流放大倍数,N,2023/9/24,39,作业,1.分析集成双极晶体管的有源寄生效应，说明器件工作于何种状态下寄生效应不可忽略，为什么？2.P48 2.7,