第十一章-BJT的靜態(tài)特性課件

第11章BJT的靜態(tài)特性11.1理想晶體管模型（作業(yè)2，7，8）11.2理論和實驗的偏差（作業(yè)）11.3現(xiàn)代BJT結構（作業(yè)）(11.17)11.1理想晶體管模型1.理想BJT的基本假設2.各區(qū)的少子分布函數(shù)3.流過E-B結和C-B結的電子、空穴電流4.特性參數(shù)1.理想BJT的基本假設（1）E-B結和C-B結都是均勻突變結（2）小注入（3）耗盡層近似（4）忽略耗盡層中的產(chǎn)生-復合效應（5）發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的準中性寬度遠大于少子的擴散長度（6）忽略串聯(lián)電阻效應（7）晶體管在穩(wěn)態(tài)條件下工作坐標系和材料參數(shù)符號說明2.各區(qū)的少子分布函數(shù)方法步驟：（1）擴散方程（2）邊界條件（3）求解方程得到少子分布函數(shù)表達式（4）由少子分布函數(shù)求出流過E-B結和C-B

結的電流IEp，IEn,ICp,ICn（5）根據(jù)，T，dc,dc的定義求出特性參數(shù)+擴散方程和邊界條件由pn結定律得耗盡層的邊界條件

P區(qū)

n區(qū)發(fā)射區(qū)的擴散方程和邊界條件晶體管處于穩(wěn)態(tài)條件，且GL=0擴散方程邊界條件發(fā)射區(qū)的少子分布規(guī)律和電流方程的解（少子分布規(guī)律）從B區(qū)擴散過E-B結的電子電流方程的通解集電區(qū)的擴散方程和邊界條件擴散方程邊界條件少子分布規(guī)律從C區(qū)擴散過C-B結的電子電流基區(qū)的擴散方程和邊界條件擴散方程邊界條件少子的分布基區(qū)的少子分布規(guī)律基區(qū)的空穴分布從E區(qū)擴散過E-B結的空穴電流從B區(qū)擴散過C-B結的空穴電流簡化關系式因為基區(qū)寬度遠小于少子的擴散長度，即W<<LB，0xW基區(qū)少子分布的簡化求解方法基區(qū)很薄，忽略基區(qū)的熱復合和產(chǎn)生，即方程和通解代入邊界條件求解基區(qū)的少子分布規(guī)律少子在基區(qū)的分布近似滿足直線分布此時三極管的基區(qū)輸運系數(shù)：注入載流子在通過基區(qū)的過程中沒有通過復合而損失。作業(yè)題5：基區(qū)寬度對基區(qū)少子分布的影響3流過發(fā)射區(qū)、集電區(qū)和基區(qū)的電流發(fā)射極電流集電極電流基極電流4特性參數(shù)4特性參數(shù)作業(yè)題6BJT處于放大工作偏置下各區(qū)的少子分布作業(yè)題7pnp四種偏置模式下少子分布圖作業(yè)題7npn正向放大模式npn飽和模式npn截止模式Npn反向放大模式雙極型晶體管的Ebers-Moll（E-M）模型埃伯斯-莫爾方程pnpECBECBE-M模型把晶體管看作具有公共區(qū)域的兩只背靠背連接的二極管，對于pnp晶體管，n型基區(qū)就是背靠背連接的二極管的公共區(qū)域。BJT正偏，流過發(fā)射結電流IF，在放大工作狀態(tài)，從發(fā)射結注入基區(qū)的少子大部分到達集電極，這部分電流由電流源FIF表示，F(xiàn)共基極放大系數(shù)。反向工作狀態(tài).......11.2理論和實驗的偏差1。理想特性曲線和實驗的比較理論曲線：IE與VCB無關實驗曲線：VEB一定時，IE隨VCB

的增加而增大。這是因為晶體管的基區(qū)很薄，VCB增大時集電結耗盡層變寬，有效基區(qū)寬度變窄，導致基區(qū)中注入空穴濃度梯度變大，所以同樣的VEB，IE隨VCB增加而增加。共基極的輸入和輸出特性曲線基區(qū)寬度調(diào)制效應共基極輸出特性曲線特點理論和實驗曲線之間具有很好的一致性。區(qū)別：理論曲線對加在晶體管的電壓沒有限制實際器件存在擊穿電壓VCBO共發(fā)射極的輸入和輸出特性曲線理論曲線實驗曲線實驗和理論曲線的主要區(qū)別：IC隨VEC的增加而逐漸增加2.當VEC增大到一定值時，晶體管發(fā)生擊穿共發(fā)射極輸出特性曲線的特點共發(fā)射極輸入特性曲線的特點理論和實驗曲線符合的很好（1）VCE=0V，即集電極與發(fā)射極相接，相當于集電結與發(fā)射結兩個p-n結并聯(lián)，所以此時的輸入特性應為兩個二極管并聯(lián)后的特性。（2）VEC>0V,發(fā)射結正偏，集電結反偏，三極管處于放大狀態(tài)，發(fā)射區(qū)注入的空穴只有極小部分在基區(qū)復合，大部分被集電極收集。因此對應于相同的VEB，當VEC>0V時，流向基極的電流比VEC=0V時小了，特性曲線右移。（3）從理論上講，VEC繼續(xù)增大，特性曲線還將繼續(xù)右移，但當VEC>1V,只要VEB一定，則從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴數(shù)一定，集電極上的反偏電壓已足以將發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴全部收集到集電極，因此即使VEC繼續(xù)增大，IB也不會明顯減少，特性曲線幾乎與VCE=1V時重疊在一起。所以輸入特性曲線一般只用兩條來描述。共發(fā)射極輸入特性曲線的特點2.基區(qū)寬度調(diào)制效應基區(qū)準中性寬度隨外加電壓VEB和VCB的變化而變化的現(xiàn)象叫基區(qū)寬度調(diào)制效應或厄利效應（Early效應）基區(qū)寬度調(diào)制效應對BJT特性參數(shù)的影響基區(qū)寬度調(diào)制效應對共基輸入和共發(fā)射極輸出的影響大基區(qū)寬度調(diào)制效應對共基輸入特性曲線的影響大VEB一定，VCB增加，W減小，IE增加exp(qVCB/kT)0W/LB<<1，展開小量忽略展開去一級小量基區(qū)寬度調(diào)制效應對共發(fā)射極輸出的影響大C-B結反向電壓增加，W減小，隨VEC的增加而增加，IB給定后，IC隨VEC的增加而略有增加基區(qū)寬度調(diào)制效應對共基輸出和共發(fā)射極輸入影響小。

W的變化對dc的影響非常小，ICBO也與W的變化幾乎無關，所以基區(qū)寬度調(diào)制效應對共基輸出特性影響較小晶體管的摻雜和偏置模式對基區(qū)寬度調(diào)制效應的靈敏度：NE>>NB>NC,E-B結耗盡區(qū)主要在B區(qū)，VEB很小，對基區(qū)寬度調(diào)制影響小，C-B結的耗盡層寬度大部分位于C區(qū)，使對基區(qū)寬度調(diào)制的影響減小到最小。但是若在倒置模式下工作，基區(qū)寬度調(diào)制效應將會很明顯。3.穿通基區(qū)寬度調(diào)制效應最終導致的W0的物理狀態(tài)。穿通發(fā)生，E-B結和C-B結就靜電聯(lián)結在一起，導致大量的載流子從發(fā)射區(qū)直接注入集電區(qū)，擊穿電壓和穿通電壓先發(fā)生者決定了BJT的VCBO和VCEO電場EVEBO:集電極開路，發(fā)射極-基極擊穿電壓。

VCEO:基極開路，集電極-發(fā)射極的擊穿電壓。VCBO：發(fā)射極開路，集電極-基極的擊穿電壓發(fā)射極開路時流過CB結的飽和電流基極開路時流過CB結的飽和電流4。雪崩倍增和擊穿共基極：放大模式下，加在C-B結的電壓增加，穿過C-B耗盡區(qū)的載流子增加，獲得的動能增加，碰撞晶格離子產(chǎn)生更多載流子，發(fā)生雪崩擊穿。

倍增系數(shù)m=3-6非對稱摻雜結共發(fā)射極擊穿共發(fā)射極擊穿電壓VCEO<VCBO0-注入基區(qū)的空穴1-擴散到C-B結邊界2空穴碰撞C-B耗散區(qū)內(nèi)的晶格，產(chǎn)生電子空穴3電子被掃回基區(qū)，多余電子導致基區(qū)多子失去平衡共基極，多余電子流出基極共發(fā)射極，多余電子注入發(fā)射區(qū)，從而導致附加的空穴注入基區(qū)，隨著附加空穴的注入，在C-B耗盡區(qū)會有附加的載流子倍增，導致更大的集電區(qū)電流，IC時的VEC遠小于CB結的擊穿電壓考慮C-B耗盡區(qū)內(nèi)的載流子倍增ICP=MTIEPMT代替T，Mdc代替dc，根據(jù)公式10.15M1/dc,時IC利用設VBR=VCBOVA=VCEOICBO與ICEO的關系ICBO是流過集電極的反向飽和電流，主要是集電結附近熱產(chǎn)生的電子被掃入基區(qū)形成的電流ICEO是基極開路時，集電極-發(fā)射極的電流，此時集電結強反偏，發(fā)射結弱正偏，發(fā)射結有微弱的空穴注入，所以ICEO>>ICBO共基極共發(fā)射極與共發(fā)射極的公式對比5.幾何效應在理想BJT模型中，電流被假定為是“一維”的，即從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的載流子是直線移動到集電區(qū)的，而實際BJT中并非如此，因而使理想結構給出的結果與實際情況有一些偏差。基區(qū)擴展電阻和發(fā)射極電流集邊效應發(fā)射區(qū)面積集電區(qū)面積串聯(lián)電阻：它使E-B結的電壓降低IBrB,雖然其值很小，但對發(fā)射區(qū)電流影響很大，因電流是結電壓的指數(shù)函數(shù)。

在晶體管工作時，基極電流在基區(qū)中平行于結面流動，基極電流是一股漂移電流，因此，在基極電流流動的方向產(chǎn)生電壓降，使發(fā)射－基極結面的不同位置處于不同的正向偏壓下，在發(fā)射極條邊緣位置的結偏壓最高，中心結偏壓最低，因而在整個發(fā)射結面的注入是不均勻的，大部分注入電流通過發(fā)射極的邊緣，這種注入電流向發(fā)射結邊緣集中的現(xiàn)象稱為發(fā)射極電流集邊效應?；鶇^(qū)擴展電阻和發(fā)射極電流集邊效應在功率BJT中，流過BJT的電流較大，電流集邊和因此導致的局部過熱特別有害，所以在功率BJT中，發(fā)射極和基極采用如下圖所示的梳狀結構理想BJT看作本征晶體管，串聯(lián)電阻包括體電阻和接觸電阻之和，實際的E-B結和C-B結的電壓為：考慮串聯(lián)電阻效應后BJT的等效電路6。復合-產(chǎn)生電流在理想BJT中，忽略了E-B結和C-B結耗盡區(qū)內(nèi)的熱復合-產(chǎn)生電流。實際BJT中，如SiBJT在室溫下就發(fā)現(xiàn)有顯著的復合-產(chǎn)生電流。在放大模式下，E-B結中的復合-產(chǎn)生流成為基區(qū)電流的主要成分，使發(fā)射效率和電流放大系數(shù)變小。輸入端開路時，C-B結的復合-產(chǎn)生流會使ICBO和ICEO增加但是，對于BJT，在大多數(shù)情況下，輸入和輸出電流都主要以發(fā)射區(qū)注入的電流為主。7.緩變基區(qū)基區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)分布不是常數(shù)，而是從E-B結處的最大值“緩變”到C-B結處的最小值?；鶇^(qū)雜質(zhì)分布的濃度梯度，使基區(qū)存在內(nèi)建電場，電場幫助少子以更快的速度穿過基區(qū)，即減少了基區(qū)渡越時間，減少了基區(qū)內(nèi)的復合，增加了基區(qū)輸運系數(shù)和電流放大系數(shù)，同時也改善了高頻響應速度。熱平衡時，擴散流=漂移流8BJT的品質(zhì)因素

借助圖形顯示的“品質(zhì)因素”，可以迅速地了解實驗結果與理想結果的偏差程度

Gummel圖-同時記錄IB和IC隨輸入電壓VEB變化的半對數(shù)圖理想情況：IC，IB都是一條直線，斜率為q/KT

實際情況：VEB較小時，復合-產(chǎn)生流使實際的基極電流明顯增大。

VEB較大時，集電極電流開始向水平方向傾斜并趨于飽和，主要是由于大注入效應，串聯(lián)電阻效應和電流集邊效應引起的8BJT的品質(zhì)因素BJT的Gummel曲線共發(fā)射極直流電流增益與輸出電流的關系11.3現(xiàn)代BJT結構1.多晶硅發(fā)射極(應用于集成電路中）2.異質(zhì)結三極管（HBT）(高頻高速應用）

1多晶硅發(fā)射極多晶硅發(fā)射極的BJT的理想橫截面圖采用多晶硅發(fā)射極的優(yōu)勢：1適合制作現(xiàn)代IC所需的淺發(fā)射區(qū)/基區(qū)結2它的共發(fā)射極電流放大系數(shù)大

現(xiàn)代IC中，為提高工作速度，采用薄發(fā)射區(qū)，即WE/LE<<1，在發(fā)射區(qū)的復合可忽略，此時發(fā)射區(qū)少子分布成為位置的線性函數(shù)，在放大模式偏置下，從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的電流會有一個顯著的增加，從而使發(fā)射效率下降，電流增益也減小。原因采用多晶硅發(fā)射極后，WE1<LE1,WE2<LE2E1<E2,但是在多晶硅和單晶硅的界面處，少子的濃度和少子擴散電流是連續(xù)的多晶硅的少子分布的斜率比單晶硅的大，總的結果使基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的電流減少，發(fā)