双极晶体管的单管结构及工作原理

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1、双极晶体管的单管结构及工作原理双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电发射区N+集电区N基区P发射结收集结发射极集电极基极BECnpN+结构特点：1.发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小2.基区宽度很窄7/20/20211NNPECB当发射结正偏（VBE>0)，集电结反偏（VBC<0)时，为正向工作区。电子流空穴流Ie=Ic+Ib令则共基极短路电流增益共射极短路电流增益7/20/20212正向工作区发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进，大部分被集电极反偏结收集：(接近于1）具有电流放大作用：7/20/20213当发射结正偏（V

2、BE>0)，集电结也正偏（VBC>0)时(但注意，VCE仍大于0)，为饱和工作区。NNPECB1.发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明显下降。2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即不再成立。3.对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深饱和时VCES达0.1～0.2V。7/20/20214当VBC>0，VBE<0时，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，但是由于集电区的掺杂浓度低，

3、因此其发射效率低，很小（约0.02）。当发射结反偏（VBE<0),集电结也反偏（VBC<0)时，为截止区。NNPECB反向工作区7/20/20215共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区7/20/202162.2理想本征集成双极晶体管的EM模型P-SiN-SiIVA:结面积,D:扩散系数,L:扩散长度,pn0,np0:平衡少子寿命热电压.T=300K,约为26mv正方向VI(mA)ISO一结两层二极管(单结晶体管)7/20/20217+-VD正向偏置-+反向偏置二极管的等效电路模型7/20/20218两结三层三极管(双结晶体管)N

4、PNBECIEICIBIDEIDCV1V2理想本征集成双极晶体管的EM模型假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：7/20/20219实际双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：基区宽度远远小于少子扩散长度，相邻PN结之间存在着相互作用发射区集电区基区发射结收集结发射极集电极基极7/20/202110两结三层三极管(双结晶体管)理想本征集成双极晶体管的EM模型NPNBECIEICIBI1I2V1V2NPN管反向运用时共基极短路电流增益NPN管正向运用时共基极短路电流增益7/20/202111BJT的三种组态7/20/202112三结四层

5、结构(多结晶体管)ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3理想本征集成双极晶体管的EM模型7/20/202113三结四层结构(多结晶体管)理想本征集成双极晶体管的EM模型根据基尔霍夫定律，有：ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V37/20/202114三结四层结构(多结晶体管)理想本征集成双极晶体管的EM模型理想本征集成双极晶体管的EM模型7/20/202115§2.3集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)双极晶体管的四种工作状态VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正

6、偏)(反偏)(正偏)(反偏)ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V37/20/202116VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于正向工作区和截止区的情况VBC<0npn管VEB_pnp<0VS=0VCB_pnp<0截止正向工作区和截止区寄生晶体管的影响可以忽略pnp管7/20/202117VEB_pnp=VBC_npn>0VS=0VCB_pnp<0pnp管VBC>0npn管VBE<0集成双极晶体管的有源寄生

7、效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于反向工作区的情况正向工作区反向工作区寄生晶体管对电路产生影响VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)7/20/202118集成双极晶体管的有源寄生效应NPN管工作于反向工作区的情况几个假设:晶体管参数EM模型简化7/20/202119集成双极晶体管的有源寄生效应NPN管工作于反向工作区的EM方程(VBE(V1)<0,VBC(V2)>0)7/20/202120集成双极晶体管的有源寄生效应NPN管工作于反向工作区的EM方程减小了集电极电流作为无用电流

8、流入衬底采用埋层和掺金工艺7/20/202121VEB_pnp=VBC_npn>0VS=0VCB_pnp<0pnp管VBC>0npn管饱和工作区VBE