【正文】 Bipolar junction transisitor (BJT) 第三章 雙極晶體管 第三章 雙極晶體管 ? 雙極晶體管的工作原理 ? 少子的分布與直流特性 ? 低頻共基極電流增益 ? 非理想效應 ? 等效電路模型 ? 頻率特性 ? 大信號開關特性 ? 其他的雙極晶體管結(jié)構(gòu) ? 無源器件（ passive device） ： 工作時不需要外部能量源（ Source Energy）的器件。電阻、電容、電感、二極管。 ? 有源器件（ Active Device） ： 工作時需要外部能量源的器件，該器件至少有一個輸出，并且是輸入信號的一個函數(shù)。 如： 雙極晶體管、金屬 氧化物 半導體場效應晶體管、結(jié)型場效應晶體管 … 原理： 在器件的兩個端點施加電壓，控制第三端的電流 晶體管的誕生 ? 1947年 12月 23日，美國物理學家肖克萊（ WShockley）和 布拉頓和巴丁 在著名的貝爾實驗室向人們展示了第一個半導體電子增幅器，即最初的晶體管 。 ? 獲得了 1956年若貝爾物理學獎金 第一支晶體管表面積 2cm2，相當于現(xiàn)在十億個晶體管 晶體管的誕生 ? 1947年的圣誕前某一天，貝爾實驗室中，布拉頓平穩(wěn)地用刀片在三角形金箔上劃了一道細痕，恰到好處地將頂角一分為二，分別接上導線，隨即準確地壓進鍺晶體表面的選定部位。電流表的指示清晰地顯示出，他們得到了一個有放大作用的新電子器件！布拉頓和巴丁興奮地大喊大叫起來。布拉頓在筆記本上這樣寫道：“電壓增益 100，功率增益 40…… 實驗演示日期 1947年 12月 23日下午。”作為見證者，肖克萊在這本筆記上鄭重地簽了名。 ? 1948年，肖克萊發(fā)明了“結(jié)型晶體管 ”。 1948年 7月 1日，美國 《 紐約時報 》 只用了 8個句子的篇幅，簡短地公開了貝爾實驗室發(fā)明晶體管的消息?！耙皇て鹎永恕保拖耦w重磅炸彈，在全世界電子行業(yè)“引爆”出強烈的沖擊波。電子計算機終于就要大步跨進第二代的門檻！ ? 1954年，貝爾實驗室使用 800支晶體管組裝成功人類有史以來第一臺晶體管計算機 TRADIC 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管的工作原理 ? 均勻基區(qū)：少子擴散 —擴散晶體管 ? 緩變基區(qū)：擴散 +漂移 —漂移晶體管 ? 合金晶體管： 銦球 +N型鍺 +銦球，熔化 冷卻 析出形成再結(jié)晶層， PNP,分布均勻 ? 平面擴散晶體管 ? 發(fā)射區(qū)，基區(qū)雜質(zhì)分布非均勻 ? 發(fā)射結(jié)近似為突變結(jié) ? 集電結(jié)為緩變結(jié) 雙極型晶體管的工作原理 ? N=NDNA 硼 B、磷 P分別采用預淀積、再分布兩步擴散形成高斯分布。 ? N=NSeexp(x2/Le2)Nsbexp(x2/Lb2)+NC ? Le2=4Dete,De 磷擴散系數(shù)， te擴散時間 ? Lb2=4Dbtb,Db 硼擴散系數(shù)， tb擴散時間 ? NSe磷表面濃度， NSb硼表面濃度 集成電路中的常規(guī) npn管 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管的工作原理 氧化物隔離的 npn管橫截面圖 雙極型晶體管的工作原理 基本工作原理 發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的典型摻雜濃度為 1019， 1017， 1015 cm3 BJT是非對稱器件 基本工作原理 雙極型晶體管的工作原理 希望盡可能多的電子能到達集電區(qū)而不和基區(qū)中的多子空穴復合 基本工作原理 偏置在正向有源模式下的 npn的少子分布圖 雙極型晶體管的工作原理 晶體管電流的簡化表達式 理想情況，由于沒有復合，少子濃度線性。 雙極型晶體管的工作原理 晶體管電流的簡化表達式 集電極電流： 假定：基區(qū)電子線性分布 集電極電流為擴散電流 結(jié)論 ：集電極電流由基極和發(fā)射極之間的電壓控制，這就是晶體管的工作原理 發(fā)射極電流： 一是由從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流形成的（ iE1）；二是由基區(qū)的多子空穴越過 BE結(jié)注入到發(fā)射區(qū)（ iE2） ,它也是正偏電流，表達形式同 iE1 雙極型晶體管的工作原理 晶體管電流的簡化表達式 基極電流 : 一是 iE2， 該電流正比于 exp(VBE/Vt) ，記為 iBa；另一是基區(qū)多子空穴的復合流 iBb,依賴于少子電子的數(shù)量，也正比于 exp(VBE/Vt) 。故基極電流正比于 exp(VBE/Vt) 。 雙極型晶體管的工作原理 工作模式 pn結(jié)電壓大于 0，正偏； 反之反偏 四種工作模式 (npn)： 正向有源： Vbe0， Vbc0 飽和： Vbe0， Vbc0 反向有源： Vbe0， Vbc0 截止： Vbe0， Vbc0 ? VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE ? 當 VCC足夠大， VR較小時， VCB0 此時 正向有源。 ? IC增大， VR增大， VCB減小， C結(jié)零偏 準飽和 ， C結(jié)反偏 飽和 飽和時集電極電流不受控于 VBE！ 雙極型晶體管的工作原理 雙極型晶體管的工作原理 雙極晶體管放大電路 雙極晶體管和其他元件相連， 可以實現(xiàn)電壓放大和電流放大 少子分布 ? 對于正向有源工作 npn器件，如何計算電流？ ? 晶體管電流 少子擴散電流 少子分布？ ? 本書重要符號 : ? NE,NB,NC 發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的摻雜濃度 ? xE,XB,xC 電中性發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的寬度 ? DE,DB,DC 發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的少子擴散系數(shù) ? LE,LB,LC 發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)的少子擴散長度 ? Pe0 發(fā)射區(qū)熱平衡少子空穴濃度 ? Nb0 基區(qū)熱平衡少子電子濃度 ? Pc0 集電區(qū)熱平衡少子空穴濃度 正向有源模式 少子分布 一 均勻基區(qū)晶體管（以 npn為例） 假設： （采用一維理想模型） ? e,b,c三個區(qū)均勻摻雜， e,c結(jié)突變 ? e,c結(jié)為平行平面結(jié)，其面積相同，電流垂直結(jié)平面 ? 外電壓全降在空電區(qū)，勢壘區(qū)外無電場，故無漂移電流 ? e,c區(qū)長度＞＞少子 L，少子濃度為指數(shù)分布（隨 x） ? Xm＜＜少子 L，忽略勢壘復合及產(chǎn)生 ? 滿足小注入條件 ? 不考慮基區(qū)表面復合 少子分布 少子分布 1. 基區(qū)電子（少子）濃度分布 解 當 時，式 , 0 ,b n b c cW L V V KT q? ? ? ? ?? ? 0 1BEqVkTbbBxn x n ex??? ? ?????? ? ? ?2 002 0() 0b b b bBBd n x n n x nDdx ????? 少子分布 ? ? ? ? ? ? ? ?39。 39。 39。00 1BEq V k Tee e E eEpp x p e x x x xx? ? ? ? ?? ? ? ?pcpcBCLxcLxkTqVcccepeeppxp000 1????????發(fā)射區(qū)空穴濃度分布 ?集電區(qū)空穴濃度分布 同理可以得到 少子分布 ? 其他工作模式的少子分布？ ? 截止區(qū) ? 飽和區(qū) ? 反向有源 其他工作模式 少子分布 2. 電流密度分布 （假設③，勢壘區(qū)外無電場，只考慮擴散電流） ? 基區(qū)電子擴散電流 令 X=0，得 通過發(fā)射結(jié)電子電流為 X=Wb，得 到達集電結(jié)電子電流為 0 ( 1 ) ( )()()ebq V k T bn b b n b n bnbn b b n bWx xe c h c hqD n L LJxL sh W L???? ? ??????0( 0 ) ( 1 ) c s cebq V k Tn b b b bnbn b n b n bq D n W WJ e c th hL L L??? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ???0( ) ( 1 ) c s cebq V k Tn b b b bn b bn b n b n bq D n W WJ W e h c thL L L?? ? ? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ? dxxdnqDxJ bnbnb ? ? 發(fā)射區(qū)空穴電流密度分布 當 ， 則近似有 ? 集電區(qū)空穴電流密度 10 ()()( ) ( 1 )peeb x x Lp e e q V k Tep e p epeq D pd p xJ x q D e ed x L?? ? ? ? ? ?40()() pcx x Lp c cpcpcq D pJ x eL????pee LW ?? pebe L xxkTqVeepepe eeW PqDJ 110 ?????????? ?? 少子分布 3. 晶體管直流電流 電壓基本方程 ? E極總電流 = 電子電流 + 空穴電流 令 得 (0)e nbAJ? 1()c peA J x??ecA A A??000c sc ( 1 )eb p c cq V k Tn b b b n b b bCn b n b n b n b p cqD pqD n W qD n WI A h e c t hL L L L L?? ??? ? ? ???? ? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ??????C極總電流 = C區(qū)電子電流 + 空穴電流（忽略 c結(jié)勢壘產(chǎn)生電流） 000 ( 1 ) c scebp e e q V k Tn b b b n b b bEn b n b p e n b n bqD pqD n W qD n WI A c t h e hL L L L L??? ? ? ?? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ??? 少子分布 二 緩變基區(qū)晶體管（以 npn為例） 1. 緩變基區(qū)中的自建電場 0bb p b