第2章_2_双极型晶体管

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1、“龙芯”资料由中国科学院计算技术研究所与意法半导体公司编写了《龙芯2E处理器数据手册》，披露了龙芯处理器的技术细节。由中科院计算所授权意法半导体制造龙芯2号，故处理器上有“ST”字样。龙芯2E微处理器是一款实现64位MIPSⅢ指令集的通用RISC处理器，采用90nm的CMOS工艺，布线层为七层铜金属，芯片晶体管数目为4700万，芯片面积6.8mm×5.2mm，最高工作频率为1GHz，典型工作频率为800MHz，实测功耗5-7瓦。龙芯2E具有128KB一级缓存、512KB二级缓存，单精度峰值浮点运算速度为80亿次/

2、秒，双精度浮点运算速度为40亿次/秒，在1GHz主频下SPECCPU2000的实测分值达到500分，综合性能已经达到高端PentiumⅢ以及中低端Pentium4处理器的水平。MIPS即MillionInstructionPerSecond的简写--计算机每秒种执行的百万指令数.是衡量计算机速度的指标.2.4双极型晶体管双极晶体管即三极管，是集成电路的主要有源器件之一。由两个相距很近的PN结组成，具有放大作用，即两个独立PN结有本质区别。分为：NPN和PNP两种形式放大原理、晶体管模型、基本模型参数发射区收集区发

3、射结收集结发射极收集极基极基区基区宽度远远小于少子扩散长度1理想化的本征结构电流关系表示为矩阵形式：IES、ICS和ISS为BE、BC和SC结的饱和电流，NE、NC、NS分别为三个结的发射系数，是电流增益。若忽略衬底结SC的影响，则：F和R分别为正向和反向的共基电流放大系数。双极晶体管4个区域2.4.1直流放大原理（1）双极晶体管结构双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbePNPcbe双极晶体管的结构和版图示意图（2）实际结构和杂质分布（3）偏置方式正向放大：发射结正偏，集电结反偏反向放大：发射结反

4、偏，集电结正偏截止状态：发射结反偏，集电结反偏饱和状态：发射结正偏，集电结正偏（4）晶体管电路连接方式根据公共端不同，分为三种：共基极、共射极、共集电极共基极有助理解晶体管放大作用的物理过程，而共发射极具有较大的放大能力，应用较广。2直流电流传输过程（1）双极晶体管直流电流传输过程发射结正偏发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度发射极电流主要由高掺杂发射区向基注入的电子电流组成，故称发射结发射区向基区注入的电子远大于基区的平衡少子电子的数量，，因此在发射结的基区一侧边界就有非平衡少子的积累，形成非平衡少子电子在基区的扩

5、散运动。扩散的电子一部分要在扩散过程中与基区的多子空穴复合。为此，基区宽度Wb必须比非平衡少子在基区的扩散长度小得多，则电子在基区的复合就很少，大部分能够扩散到集电结。晶体管用于放大时，集电结反偏，集电结在基区一侧边界处电子浓度基本为0，基区中非平衡少子呈线性分布，基区电子扩散到边界时，立即被反偏集的强电场扫至集电区，成为集电极电流。基区非平衡少子分布根据上述分析，在发射结正偏、集电结反偏时，晶体管内部的电流传输如图所示：2.3NPN晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运相应的载流子分布电子流空穴流NPN晶体

6、管的电流输运NPN晶体管的电流转换（1）发射效率与基区输运系数：发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度基区宽度尽量小，基区中非平衡少子的寿命尽量大。注入效率基区输运系数β*3双极晶体管直流电流增益直流电流的理论表征第一项是发射区多数载流子电流与发射极总电流的比值，即注入效率。第二项是离开基区的少数载流子与发射区注入到基区输运的少数载流子的比值，即输运系数β*。第三项是总的集电极与从基区进入集电区的电子电流之比，称为收集效率。定量分析可得：要增大β*，需使Wb远小于非平衡少子电子在基区的扩散长度Lnb。（2）共基

7、极直流电流增益α0：α0=γβ*，即共基极直流电流增益等于注入效率和基区输运系数的乘积。非常接近于1，一般大于0.9。（3）共射极直流电流增益β0三个区域：饱和区放大区截止区(4)晶体管放大电路工作原理饱和区：两个结均为正偏放大区：正常放大截止区：Ib=0，集电结反偏减小发射区方块电阻，即增益发射区的掺杂浓度。增大基区的方块电阻，即减少基区的掺杂浓度，但要适量，否则引起副作用。减小基区宽度Wb增大Lnb，即提高基区非平衡少子的寿命增大λ，使基区杂质分布尽量陡峭。4提高电流增益的途径2.4.2影响晶体管直流特性的其

8、他原因1基区宽变(变窄)效应和厄利电压理想情况下晶体管输出特性曲线(图1)基区宽变效应(厄利效应)厄利电压2大电流效应（1）电流增益β0与电流的关系（图）（2）大注入效应：注入到基区的非平衡少数载流子浓度超过平衡多数载流子的浓度。1形成基区自建场，起着加速少子的作用，导致电流放大系数增大。2基区电导调制，由于少子增加，导致多子增加，以保持电中性，使电导增加，导致发射效率γ