1、Company LogoCompany Logo第第3 3章章 双极结型晶体管双极结型晶体管廖付友廖付友阮雄飞阮雄飞Company LogoCompany Logo2双极结型晶体管的基本工作原理Contents1理想双极结型晶体管中的电流传输2埃伯斯-莫尔方程3缓变基区晶体管45双极结型晶体管的结构和制造工艺Company LogoCompany Logo33.1 3.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺双极结型晶体管的结构和制造工艺 E E C C 发射区 集电区 基区 N N p（a）C B 发射区 集电区 基区 p p N（c）B C（b）B E（d）B E 图 3-2（a）理想的一维NP
2、N双极结晶体管，（b）图（a）的电路符号（c）理想的一维PNP双极结晶体管，（d）图（c）的电路符号 Company LogoCompany Logo43.1 3.1 双极结型晶体管的结构和制造工艺双极结型晶体管的结构和制造工艺1 1、由两个相距很近的、由两个相距很近的PNPN结组成，基区宽度结组成，基区宽度远远小于少子扩散长度。远远小于少子扩散长度。2 2、发射区为重搀杂，发射结为、发射区为重搀杂，发射结为P P+N N或者或者N N+P P，基区是两个，基区是两个PNPN结的公共端。结的公共端。3 3、双极晶体管的主要作用是对电流或者电双极晶体管的主要作用是对电流或者电压的放大。压的放大。
3、Company LogoCompany Logo5 晶体管与场效应晶体管的区别晶体管与场效应晶体管的区别晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为导电。被称之为双极型双极型器件；而场效应管是利器件；而场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为用多数载流子导电，所以称之为单极型单极型器件。器件。由于场效应管的工作电流和电压都可以很小，由于场效应管的工作电流和电压都可以很小，且在工艺上易于集成，因此在大规模集成电路且在工艺上易于集成，因此在大规模集成电路中占主导地位。中占主导地位。但是结型晶体管凭借功耗和性能方面的优势仍但是结型晶体管凭借功耗和性能
4、方面的优势仍然广泛应用于高速计算机、火箭、卫星以及现然广泛应用于高速计算机、火箭、卫星以及现代通信领域中。代通信领域中。Company LogoCompany Logo63.2 3.2 双极结型晶体管的基本工作原理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0EV0CV0CV0EV0CV0EV0EV0CV令EBBEEVVVVCBBCCVVVV（1 1）正向有源模式：正向有源模式：（2 2）反向有源模式：反向有源模式：（3 3）饱饱和模式：和模式：（4 4）截止模式：截止模式：Company LogoCompany Logo73.2.1 3.2.1 晶体管的放大作用
5、晶体管的放大作用Diagram 1Diagram 3Diagram 4 共基极连接晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用 发射结正偏集电结反偏Company LogoCompany Logo83.2.1 3.2.1 晶体管的放大作用晶体管的放大作用Diagram 1Diagram 3Diagram 4BEqV BCqV E B C（b）图3-5NPN晶体管共基极能带图 Company LogoCompany Logo93.2.1 3.2.1 晶体管的放大作用晶体管的放大作用Diagram 1Diagram 3Diagram 4载流子的运输：载流子的运输：（1 1）发射结正偏，由于正向注入，
6、电子从发射区发射结正偏，由于正向注入，电子从发射区注入基区，空穴由基区注入发射区。呈现正向偏注入基区，空穴由基区注入发射区。呈现正向偏置的少子注入置的少子注入（2 2）假设：基区很小。即少子在到达基区与集电假设：基区很小。即少子在到达基区与集电区边界时还没有被完全复合掉。其中大部分能到区边界时还没有被完全复合掉。其中大部分能到达集电结，并被内电场加速进入集电结，称为集达集电结，并被内电场加速进入集电结，称为集电结电流。电结电流。(3)从发射区注入基区，进入集电区的电子电流远大于集电结反偏所提供的发祥饱和电流，是集电极电流的主要成分。(4)晶体管实现放大的必要条件之一：基区宽度很窄基区宽度很窄C
7、ompany LogoCompany Logo103.2.2 3.2.2 电流分量电流分量Diagram 1Diagram 3Diagram 4从发射区注入到基区中的电子流从发射区注入到基区中的电子流到达集电结的电子流到达集电结的电子流基区注入电子通过基区时复合引起的复合电流基区注入电子通过基区时复合引起的复合电流从从基基区区注注入入到到发发射射区区的的空空穴穴电电流流发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流集电结反向电流，集电结反向电流，它包括集电结反向它包括集电结反向饱和电流和集电结饱和电流和集电结空间电荷区产生电空间电荷区产生电流流Company LogoCo
8、mpany Logo113.2.2 3.2.2 电流分量电流分量Text 1sub text Text 2sub textText 3sub textText 4sub text Text 1sub text Text 2sub textText 3sub textText 4sub text 电流分量之间的关系rgpEnEEIIII0CnCnEREpEBIIIIII0CnCCIII0BCEIIICompany LogoCompany Logo123.2.3 3.2.3 直流电流增益直流电流增益Text 1sub text Text 2sub textText 3sub textText 4s
9、ub text 概念：概念：电流增益、交流电流增益、直流电流增益电流增益、交流电流增益、直流电流增益 为描述晶体管的增益特性引进以下物理量为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率发射极注射效率REpEnEnEEnEIIIIII 的意义：从发射区注入到基区的电子电流，在总的发射极电流中所占的比例。基区输运因子 TnCTnEII 的意义：发射区注入到基区的电子电流中能到达集电极的电子电流比例。TCompany LogoCompany Logo133.2.3 3.2.3 直流电流增益直流电流增益Text 1sub text Text 2sub textText 3sub textText
10、 4sub text 共基极直流电流增益 TrgpEnEnCIIIIEccIII0 是基区运输因子和发射极注射效率的乘积。其意义是经过发射结注入而到达集电极的电子电流在总的发射极电流中所占的百分比。应尽量接近1。提高电流增益的途径是提高 和 。3-2-7还可以写成 上式说明：以基极作为公共端时，输出集电极电流与输入发射极电流之间的关系。T0CECIII（3-2-7）Company LogoCompany Logo143.2.3 3.2.3 直流电流增益直流电流增益Text 1sub text Text 2sub textText 3sub textText 4sub text 当集电结处于正向
11、偏压时：当集电结处于正向偏压时：上式中，当上式中，当V VC C为负的很大时，将还原为反向为负的很大时，将还原为反向向偏置的情况。向偏置的情况。)1(/0TCVVCECeIIICompany LogoCompany Logo153.2.3 3.2.3 直流电流增益直流电流增益Text 1sub text Text 2sub textText 3sub textText 4sub text 共发射极电流增益共发射极电流增益 0CBCCIIII0011CEBFECBCIIhIII式中定义式中定义 1FEh100CCEII共发射极直流电流增益共发射极直流电流增益 I IB B=0=0时，集电极发射极
12、漏电流，也时，集电极发射极漏电流，也称为穿透电流。称为穿透电流。Company LogoCompany Logo163.2.3 3.2.3 直流电流增益直流电流增益Text 1sub text Text 2sub textText 3sub textText 4sub text VCB（V）0 2 4 6 8 10 IC（mA）2 4 6 8 10 mAIE0 10 6 8 4 2 有源区 饱和区 截止区 IC（mA）0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 VCE（V）AIB0 125 75 100 50 25（a）（b）伏安特性曲线伏安特性曲线集电结电流集电结电流电压特性：（电压
13、特性：（a a）共基极情形，（共基极情形，（b b）共发射极情形共发射极情形 Company LogoCompany Logo173.3 3.3 理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输理想晶体管假设:（1 1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2 2）结是理想的平面结，载流子作一维运动；）结是理想的平面结，载流子作一维运动；（3 3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载）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；流子运动是一维的；（4 4）基区宽度远小于少子扩散长
14、度；）基区宽度远小于少子扩散长度；（5 5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结）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；空间电荷区上；（6 6）发射结面积和集电结面积相等；）发射结面积和集电结面积相等；（7 7）小注入，等等）小注入，等等Company LogoCompany Logo183.3 3.3 理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输理想晶体管的结构示意图：理想晶体管的结构示意图：adNN x EW 0 Bx Cx 图 3-10 各区均匀掺杂NPN晶体管的杂质分布 Ex Company LogoCompany Logo193
15、.3.1 3.3.1 载流子分布与电流分量载流子分布与电流分量一、基区载流子分布及电流中性基区（0 xxB）少子电子分布及其电流：0022npppnnndxndD边界条件为：TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0解为：解为：000sinhsinh11sinhsinhcTETBnV VnVVppppBBnnxxxLLnxnnenexxLLCompany LogoCompany Logo203.3.1 3.3.1 载流子分布与电流分量载流子分布与电流分量 0 xpnnEdxxdnqADI1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（BxxpnnCdx
16、xdnqADI0111sinh()CTETnpVVVVBBnnnD nxqAecthexLLLCompany LogoCompany Logo213.3.1 3.3.1 载流子分布与电流分量载流子分布与电流分量二、发射区少子空穴分布及其电流：TEVVEEEepWp00EEEpxp pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh1000022PEEEpppdxpdD 边界条件：中性发射区空穴稳态方程Company LogoCompany Logo223.3.1 3.3.1 载流子分布与电流分量载流子分布与电流分量若，（3-3-11）式可以写作：EVVEEExxeppxpTE1
17、100空穴电流为：12TEVVEdEipEexNnqAD 0011ETEVVEEEEEWxpxppexW01EETpVVpEEpEEIWqADex ExpELCompany LogoCompany Logo233.3.1 3.3.1 载流子分布与电流分量载流子分布与电流分量三、集电区少子空穴分布及其电流边界条件：边界条件：TCVVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp100 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCTx xLVVipCdCpCnqADeeNLCompany LogoCompany Logo243.3.2 3.3.
18、2 正向有源模式正向有源模式一、少数载流子分布在的情况下，以及正向有源区的条件下 BVVppxxenxnTE10 000sinhsinh11sinhsinhcTETBnV VnVVppppBBnnxxxLLnxnnenexxLL简化为：nBLx Company LogoCompany Logo253.3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式 当Xb/Ln=0.1（基区宽度小于扩散长度）时，正向有源模式下的各区少子分布如图3-11所示。图图3-11 3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布 Company LogoCompany Logo263.
19、3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式二、电流分量在正向有源模式下，且有：1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（21 cscETVViBncnannnxIqADehN LL 21 cothETVViBnEnannnxIqADeN LL 0111sinh()CTETnpVVVVBncBnnnD nxIqAecthexLLL nBLx Company LogoCompany Logo273.3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式二、电流分量21 cscETVViBncnannnxIqADehN LL 21 cothETVViBnEnannn
20、xIqADeN LL sec()BnxTLh时当nBLx21ETVVinEnaBnIqADeN x 22112BTnxL Company LogoCompany Logo283.3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式二、电流分量21ETVVinEnaBnIqADeN x 22112BTnxL 当晶体管处于放大状态由上式可知：发射结电子电流随基区宽度的减小而增加对于小的 ，运输因子接近于1，这意味着在越过基区的运输过程中，电子损失可以忽略。nBLx/Company LogoCompany Logo293.3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式二、电流分量空穴电流正偏压发射结空间电荷区
21、复合电流：集电区空穴电流12TEVVEdEipEpEexNnqADI20CipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL /202ETVViEREqAn WIe 2()/1CpcCTx xLVViPCpCdCpCnIxqADeeNLCompany LogoCompany Logo303.3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式二、电流分量忽略集电极反向饱和电流REnCnEpEBIIIIITEVVBeI2220(1)22ETETVVVVnBPEEidEEaniD xDWqAneeNxN Ln 上式说明Company LogoCompany Logo313.3.2 3.3.2 正向有源模式
22、正向有源模式二、电流分量晶体管的输出特性曲线图Company LogoCompany Logo323.3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式三、共发射极电流增益取ICE00，取以及则共发射极电流增益的倒数可以写成：0011CEBFECBCIIhIIITEVVinEBanBnEdEpEBaFEenDWxNLxDxNDxNh20221221TnEnCCIIICompany LogoCompany Logo333.3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式三、共发射极电流增益电流增益对集电结电流的依赖关系10-9 10-1 10-7 10-5 10-3 102 101 100 10-1 hF
23、E AIC 在高电流时，电流增益下降，这是因为注入的少数载流子浓度与基区的多子浓度可比拟，致使发射极效率降低，结果在整个发射结电流中由基区向发射区注入的空穴电流增加，致使发射极效率降低，电流增益下降。Company LogoCompany Logo343.3.2 3.3.2 正向有源模式正向有源模式三、共发射极电流增益大电流下的增益计算式为3-3-28大电流下的增益：增益反比于发射极电流。)214221aANqDxILxDxNDxNhnBEnBnEdEpEBaFE（Company LogoCompany Logo353.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程用等效电路模型来描述用等效电路模
24、型来描述BJT的电特的电特性。性。该模型由两个方程组成，称为该模型由两个方程组成，称为E-M模型。模型。E-M方程适用于各种结构的方程适用于各种结构的BJT和和BJT的各种工作模式。的各种工作模式。Company LogoCompany Logo363.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程3.4.1 埃伯斯莫尔模型埃伯斯莫尔模型电路模型：将NPN晶体管看做两个背靠背的互相有关联的二极管，这种关联是指一个二极管正向电流的大部分流入另一个反向偏置的二极管中。Company LogoCompany Logo373.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程(a)图图3-13 Ebers-Mol
25、l 模型模型（a）NPN一维晶体管，（一维晶体管，（b）将晶体管表示为有公共区域的背靠背连接的二极管，（将晶体管表示为有公共区域的背靠背连接的二极管，（c）Ebers-Moll 模型等效电路模型等效电路F叫做正向共基极电流增益叫做正向共基极电流增益。R 叫做反向共基极电流增益叫做反向共基极电流增益。（c）Company LogoCompany Logo383.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程正向有源区：流过发射结的正向电流正向有源区：流过发射结的正向电流IF，大部分（大部分（）流入集电结）流入集电结反向有源区：流过集电结的正向电流反向有源区：流过集电结的正向电流IR，大部分（大部分（
26、）流入发射结）流入发射结FFIRRICompany LogoCompany Logo393.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程其中其中IF是发射结电压是发射结电压VE的函数，的函数，IR是集电结电是集电结电压压VC的函数。的函数。和和 分别称为正向和反向共基分别称为正向和反向共基极电流增益极电流增益2个二极管的电流可分别表示为（个二极管的电流可分别表示为（IF0和和IR0分分别是发射结和集电极的别是发射结和集电极的PN结反向结反向饱和电流）饱和电流）FR0exp(/)1FFETIIVV0exp(/)1RRCTIIVV（3-4-1）（3-4-2）Company LogoCompany L
27、ogo403.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程则晶体管的端电流可表示为则晶体管的端电流可表示为从而得到从而得到EM模型的基本方程为（的基本方程为（3-4-5和和6）RRFEIIIFFRCIII(1)(1)BFFRRIII00exp(/)1exp(/)1EFETRRBTIIVVIVV 00exp(/)1exp(/)1CRCTFFETIIVVIVV Company LogoCompany Logo413.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程下面分析方程中的四个参数与晶体管的结下面分析方程中的四个参数与晶体管的结构参数和材料参数之间的关系。构参数和材料参数之间的关系。将发射结空间电荷
28、区的复合电流看做外部将发射结空间电荷区的复合电流看做外部电流，则电流，则对于对于xBLn的情形，得到（的情形，得到（3-4-8）nEpEEIII1112exp(/)1exp(/)1EETCTIaVVVV类似的方法可以得到（类似的方法可以得到（3-4-10）2221exp(/)1exp(/)1CCTETIaVVaVVCompany LogoCompany Logo423.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程其中其中4个模型参数（个模型参数（IF0、IR0、）为：为：由于两端口网络器件的互易性质，有由于两端口网络器件的互易性质，有a12=a21，则，则 ，从而，从而4个模型个模型参数中只有参
29、数中只有3个是独立的。个是独立的。F110aIF220aIR120aIRR210aIFF00RRFFIIRCompany LogoCompany Logo433.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程3.4.2 工作模式和少子分布(1)正向有源工作模式：0，0 基区少子满足的边界条件为基区少子满足的边界条件为 ，(2)反向有源工作模式：0 相应的边界条件为相应的边界条件为:,:,(3)饱和工作模式：0，0 相应的边界条件为相应的边界条件为:,:,(4)截止工作模式:0，0 相应的边界条件为相应的边界条件为:EVCV TEVVppenn00 0BpxnEVCV 00 pnTCVVpBpenx
30、n0EVCV TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0EVCV 00BppxnnCompany LogoCompany Logo443.4 3.4 埃伯斯埃伯斯-莫尔方程莫尔方程四种工作模式及相应的少子分布 此外此外，0EEEpxpTEVVEEEePWP0 0CCpp0正向有源饱 和截 止反向有源/()0CTVVCCCP xP eCompany LogoCompany Logo453.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管 2N3866晶体管的杂质分布：图图3-16 2N3866晶体管的杂质分布晶体管的杂质分布Company LogoCompany Logo463.53.5缓变基区晶体管
31、缓变基区晶体管一、基区的缓变杂质分布，引起内建电场 这个电场沿着杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。这时电子通过扩散和漂移越过基区薄层，致使输运因子增加。二、基区少子分布二、基区少子分布 dxxdNxNVaaT（3-5-1）dxNNqADIxnBxxaannp（3-5-4）TEBVVxainnedxNnqADI02（3-5-5）式（式（3-5-53-5-5）中负号表示电流沿）中负号表示电流沿x x方向。方向。三、电子电流三、电子电流Company LogoCompany Logo473.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管四、基区输运因子 把整个基区复合电流取为 （3-5-6）（3-5-7）0BxRBpnqAInx dx 根据基区输运因子的定义根据基区输运因子的定义 11/1/nTRBnnRBRBnIIIIIII 01BxpnnqAnx dxI 把式（把式（3-53-5-4-4）代入式（）代入式（3-53-5-7-7）并使用）并使用，便得到，便得到 2nnnLD（3-59）BBxxxaanTdxdxNNL02111Company LogoCompany LogoThank youHomepage
