【正文】 1 微電子器件與 IC設計 第 3 章 雙極晶體管 Bipolar Junction TransistorBJT 2 第 3 章 雙極型晶體管 ? 結構 ? 放大原理 ? 電流增益 ? 特性參數 ? 直流伏安特性 ? 開關特性 ? 小結 3 晶體管的基本結構及雜質分布 由兩個靠得很近的背靠背的 PN結構成 NPN c b e c b e PNP 4 晶體管的基本結構及雜質分布 BJT的雜質分布 均勻基區(qū)晶體管 特點： 三個區(qū)雜質均勻分布 2結為突變結 緩變基區(qū)晶體管 特點： E、 B區(qū)雜質非均勻分布 2結為緩變結 5 6 7 晶體管的基本結構及雜質分布 “背靠背”的 2個二極管有放大作用嗎？ npn晶體放大的機理是： 發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分被集電區(qū)收集成為集電極電流（發(fā)射結正偏，集電結） 1. 若基區(qū)寬度較大， WbLnb，則注入到基區(qū)的電子（少子）在到達集電區(qū)前就已經復合掉了，使大的正向電流只在左邊 pn結中存在，右邊 pn結 反偏，電流很小，兩 pn結 互不相干，沒有放大作用。 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 基區(qū) 發(fā)射結 集電結 發(fā)射極 集電極 基極 2. 發(fā)射結正偏時，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子的同時，基區(qū)也向發(fā)射區(qū)注入空穴 由基極電流提供，但此電流不能形成集電極電流，對放大作用沒有貢獻。故需要讓發(fā)射區(qū)注入的電子比基區(qū)注入的空穴多得多，即要求摻雜濃度的控制。 、結構特點 （ 1）基區(qū)寬度遠小于基區(qū)少子擴散長度 (WB L) （ 2）發(fā)射區(qū)雜質濃度遠大于基區(qū)雜質濃度 ( NE NB ) 8 9 NPN晶體管的幾種組態(tài) 共基極 共射極 共集電極 共基極 共發(fā)射極 共收集極 N N P 晶體管的共集電極接法 c b e 晶體管的放大原理 0CEII? ?0CBII? ?10 、晶體管中載流子的傳輸 以共基極為例： 發(fā)射結的注入 基區(qū)的輸運與復合 集電極的收集 WB Ine Inc Ir Ipe ICBO IE IC IB 11 各區(qū)少子分布 能帶圖 12 NPN晶體管的電流轉換 C n c c b oI I I??E p e n eI I I?? B p e rb c b oI I I I? ? ?E B CI I I??Ine:發(fā)射結正向注入電子電流 Ipe:發(fā)射結反向注入空穴電流 Irb:基區(qū)復合電流 Inc:集電結電子電流 Icbo:集電結反向飽和電流 n e n c r bI I I??13 、發(fā)射效率及基區(qū)輸運系數 發(fā)射效率 γ0 從發(fā)射結注入的電流有電子電流和空穴電流，即 Ine和 Ipe，但只有正向注入的 Ine中的大部分能達到集電區(qū)，構成 IC的主要部分，它顯然對放大有貢獻。因此從電流的傳輸和放大來看，Ine越大越好， Ipe越小越好。 為了表示有效注入電流在總的發(fā)射電流中所占的比例 14 011ne nepeE ne peneIIII I II? ? ? ???0peneII???，則15 基區(qū)輸運系數 β* 集電區(qū)倍增因子 0 1n c n e r b r bn e n e n eI I I II I I? ? ?? ? ? ?0rbneII? ???，則1cncII? ? ?*?為了說明傳輸過程中效率的高低 16 0 0 0C n e n c CE E n e n cI I I II I I I? ? ? ?? ? ? ? ? ?00011CCC ECB E CEIII III I II???? ? ? ????、晶體管電流放大系數 ? 晶體管共基極電流沒有電流放大作用，但可有電壓及功率放大作用。 ? 共射極電路既可作為電流放大，也可作為電壓放大及功率放大。 17 18 晶體管放大三要素： ① WbLnb，實現不衰減的電流傳輸。 ② 發(fā)射結為單邊結， NENB 。 ③ 發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。 19 晶體管的直流電流增益 任務：導出 α 0、 β 0的定量關系式 0 0 0? ? ????0001?????011 peneII? ??0 1rbneII? ? ??20 均勻基區(qū)晶體管的電流增益 均勻基區(qū)晶體管直流電流增益推導思路 A、對發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)分別建立擴散方程 B、利用波爾茲曼分布關系建立邊界條件 C、解擴散方程得到各區(qū)少子分布函數 D、利用少子分布函數求出各區(qū)電流密度分布函數 E、 由電流密度分布函數得到 jne , jnc , jpe 。 F、 求出發(fā)射效率和輸運系數 G、 得到共基極和共射極電流放大系數 21 ? 以共基極連接為例，采用一維理想模型 ? 發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置 WB Ine Inc Ir Ipe ICBO IE IC IB 22 坐標： 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 基區(qū) 發(fā)射結 集電結 發(fā)射極 集電極 基極 We 0 Wb Wc xe xc 23 一、 少數載流子分布 （ 1）基區(qū)“少子”電子密度分布 ? ?00011BCBE qVqVbk T k Tbbnb nbbbbnbWx xn e s h n e s hLLn x nWshL? ? ? ?? ????? ? ??? ??? ? ? ??? ??? ? ? ?????????WB 0 nB(x) 24 晶體管的直流電流增益 一、 少數載流子分布 （ 2）發(fā)射區(qū)少數載流子分布 x 0 pE(x) ? ? ? ?00 1 pEbe xLq V k TE E Ep x p p e e ?? ? ?25 晶體管的直流電流增益 一、 少數載流子分布 （