6-13 雙極晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理

2020/4/25,1,雙極晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理,雙極器件：兩種載流子（電子和空穴）同時參與導(dǎo)電,發(fā)射區(qū)N+,集電區(qū)N,基區(qū)P,發(fā)射結(jié),收集結(jié),發(fā)射極,集電極,基極,結(jié)構(gòu)特點：1.發(fā)射區(qū)摻雜濃度最大，基區(qū)次之，集電極最小2.基區(qū)寬度很窄,2020/4/25,2,N,N,P,E,C,B,當發(fā)射結(jié)正偏（VBE0)，集電結(jié)反偏（VBC0)，集電結(jié)也正偏（VBC0)時(但注意，VCE仍大于0)，為飽和工作區(qū)。,N,N,P,E,C,B,1.發(fā)射結(jié)正偏，向基區(qū)注入電子，集電結(jié)也正偏，也向基區(qū)注入電子（遠小于發(fā)射區(qū)注入的電子濃度），基區(qū)電荷明顯增加（存在少子存儲效應(yīng)），從發(fā)射極到集電極仍存在電子擴散電流，但明顯下降。2.不再存在象正向工作區(qū)一樣的電流放大作用，即不再成立。3.對應(yīng)飽和條件的VCE值，稱為飽和電壓VCES，其值約為0.3V，深飽和時VCES達0.10.2V。,2020/4/25,5,當VBC0，VBE0時，為反向工作區(qū)。工作原理類似于正向工作區(qū)，但是由于集電區(qū)的摻雜濃度低，因此其發(fā)射效率低，很小（約0.02）。,當發(fā)射結(jié)反偏（VBE0),集電結(jié)也反偏（VBC0)時，為截止區(qū)。,N,N,P,E,C,B,反向工作區(qū),2020/4/25,6,共發(fā)射極的直流特性曲線,三個區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū),2020/4/25,7,2.2理想本征集成雙極晶體管的EM模型,A:結(jié)面積,D:擴散系數(shù),L:擴散長度,pn0,np0:平衡少子壽命,熱電壓.T=300K,約為26mv,一結(jié)兩層二極管(單結(jié)晶體管),2020/4/25,8,正向偏置,二極管的等效電路模型,2020/4/25,9,兩結(jié)三層三極管(雙結(jié)晶體管),理想本征集成雙極晶體管的EM模型,假設(shè)p區(qū)很寬，忽略兩個PN結(jié)的相互作用，則：,2020/4/25,10,實際雙極晶體管的結(jié)構(gòu),由兩個相距很近的PN結(jié)組成：,基區(qū)寬度遠遠小于少子擴散長度，相鄰PN結(jié)之間存在著相互作用,發(fā)射區(qū),集電區(qū),基區(qū),發(fā)射結(jié),收集結(jié),發(fā)射極,集電極,基極,2020/4/25,11,兩結(jié)三層三極管(雙結(jié)晶體管),理想本征集成雙極晶體管的EM模型,NPN管反向運用時共基極短路電流增益,NPN管正向運用時共基極短路電流增益,2020/4/25,12,BJT的三種組態(tài),2020/4/25,13,三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管),p,p,n,n,IE,E,B,C,S,IB,IC,IS,I1,I2,I3,V1,V2,V3,理想本征集成雙極晶體管的EM模型,2020/4/25,14,三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管),理想本征集成雙極晶體管的EM模型,根據(jù)基爾霍夫定律，有：,p,p,n,n,IE,E,C,S,IB,IC,IS,I1,I2,I3,V1,V2,V3,2020/4/25,15,三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管),理想本征集成雙極晶體管的EM模型,理想本征集成雙極晶體管的EM模型,2020/4/25,16,2.3集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng),雙極晶體管的四種工作狀態(tài),2020/4/25,17,集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng),NPN管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)的情況,VEB_pnpVTH時，溝道反型，形成了連接源漏的通路。,S,VDS較小時，溝道中任何一處電壓的柵溝道電壓都大于閾值電壓，隨著VDS的增大，電場強度增大，電子漂移速度增大，因此電流隨著VDS的增大而增大。（線性區(qū)，非飽和區(qū)）,隨著VDS進一步增大至VDS=VGS-VTH(即VGDVTH)時，靠近漏端邊緣的溝道出現(xiàn)夾斷，晶體管進入飽和區(qū)。隨著VDS的增大，夾斷區(qū)向源區(qū)移動，電壓的增加主要降落在夾斷點至漏端邊緣的高阻區(qū)，溝道電子被橫向強電場拉至漏極，漏源電流基本上不隨VDS的增大而變化。,2020/4/25,34,N溝MOSFET的輸出特性曲線,2020/4/25,35,場區(qū)寄生MOSFET寄生雙極晶體管寄生PNPN效應(yīng)（閂鎖（Latchup）效應(yīng)）,2.6MOS集成電路中的有源寄生效應(yīng),2020/4/25,36,場區(qū)寄生MOSFET,措施：1.加厚場氧化層的厚度2.增加場區(qū)注入工序,2020/4/25,37,寄生雙極晶體管,防止措施：1.增大寄生晶體管“基區(qū)寬度”2.P型襯底接地或負電位,2020/4/25,38,寄生PNPN效應(yīng)（閂鎖（Latchup）效應(yīng)）,RS,RW,P阱,RS,RW,Vdd,Vss,N襯底,消除措施：1.減小RS,RW（增加接觸孔數(shù)量，加粗電源