双极型晶体管模型
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双极性晶体管讲义
令X=0，得 通过发射结电子电流为
Jnb (0)
qDnb nb0 Lnb
(e
qVeb
kT
1)cth
Wb Lnb
csc h
Wb Lnb
X=Wb，得 到达集电结电子电流为
Jnb (Wb )
qDnb nb0 Lnb
(eqVeb
kT
1) csc h
3.1 双极型晶体管的工作原理
VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE
当VCC足够大，VR较小时，VCB>0 此时正向有源。 IC增大， VR增大，VCB减小，C结零偏 准饱和，C结反偏饱和 饱和时集电极电流不受控于VBE！
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.3 双极晶体管放大电路
Nb
( x)dx
•基区杂质指数分布
x
Nb (x) Nb (0)e Wb
其中 为电场因子 ln Nb(0) Nb (Wb )
•对不同 η (η=0为均匀基区）做基区电子归一化浓 度分布曲线如图
由图可见：当η较大时，随着 x nb (x)
→
dnb (x) dx
扩散电流增加，漂移电流减少，但二者之和不变。
得 Ae Ac A
IE
A
qDnb nb0 Lnb
cth
Wb Lnb
qDpe pe0 Lpe
(eqVeb
kT
1)
qDnb nb0 Lnb
csc
h
第三章双极晶体管2019124164733535
2019/11/7
半导体器件物理
28
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 发射区连续性方程为
d2nE nE nE0 0
dx2
L2n E
q V E B
发射区少子浓度的边界条件 nE(xE)nE0e k T
发射区少子的分布
nE(LnE )nE0
n E (x ) n E 0 n E 0(e qE V k BT 1 )e (x x E )L nE
• 通过发射结的空穴电流密度为
IE pA qL p p D p B B B 0[e ( qE V k B T 1 )cW L tp B h B (e qC V k B T 1 )ch sW L p B c ] B
• 通过集电结的空穴电流密度为
IC p A qL p p D p B B B 0[e ( qE V k B T 1 )ch sW L p B c B (e qC V k B T 1 )cW L tp B h ] B
集电区少子的分布
nC(LnC)nC0
n C (x ) n C 0 n C 0(eqC V k BT 1 )e(x C x)L n C
通过集电结的电子电流密度为
2019/11/7
JnC JnC (x)xxCqL n D nn C C C 0(eqC V k BT 1 )
半导体器件物理
P-N-P均匀基区 晶体管的物理 结构、杂质分 布、电场分布 和平衡态能带 图
半导体器件物理
13
2019/11/7
中国科学技术大学物理系微电子专业
P-N-P均匀基区 晶体管正常偏 置条件下的的 物理结构、杂 质分布、电场 分布和平衡态 能带图
半导体器件物理
双极型晶体管————工作原理
E
Wb
C
基 区
C结
Wb
2. 饱和区
条件： e结正偏，c结正偏（uCE<uBE即临界饱和线的左侧）。 特点： iC不受iB控制，表现为不同iB 的曲线在饱和区汇集。 由于c结正偏，不利于集电 区收集电子，同时造成基区复合 电流增大。因此：
4 3 2 1 0
iC/ m A u CE＝u BE
临界饱和线
二. 电流分配关系
由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载
流子传输形成的电流之间有如下关系：
I E I EN I BN I CN I B I BN I CBO I BN I C I CN I CBO I CN
可见，在放大状态下，晶体 管三个电极上的电流不是孤立的， R
c I CBO b IB IC
的讨论可以看出，在晶体管 中，窄的基区将发射结和集 电结紧密地联系在一起。从 而把正偏下发射结的正向电 流几呼全部地传输到反偏的 R B 集电结回路中去。这是晶体 管能实现放大功能的关键所 U BB 在。
I CN
N RC
I BN
P
15V
I EP e IE
I
N+
EN
UCC
UCE ≥1
90
60 30 0 0.5 0.7 0.9 UCE > 0
止，iB为反向电流。若反向电 压超过某一值时，e结也会发 生反向击穿。
u BE/V
综上所述，晶体管是一种非线性导电器件，有三个工 作区，对应三种不同的工作状态：
⑴.放大状态（iB>0，uCE≥uBE，即e结正偏，c 结反偏）
特点：①.iC受iB控制，即IC= IB或△IC= β△ IB
大功率达林顿晶体管
Wb
C
基 区
C结
Wb
2. 饱和区
条件： e结正偏，c结正偏（uCE<uBE即临界饱和线的左侧）。 特点： iC不受iB控制，表现为不同iB 的曲线在饱和区汇集。 由于c结正偏，不利于集电 区收集电子，同时造成基区复合 电流增大。因此：
4 3 2 1 0
iC/ m A u CE＝u BE
临界饱和线
二. 电流分配关系
由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载
流子传输形成的电流之间有如下关系：
I E I EN I BN I CN I B I BN I CBO I BN I C I CN I CBO I CN
可见，在放大状态下，晶体 管三个电极上的电流不是孤立的， R
c I CBO b IB IC
的讨论可以看出，在晶体管 中，窄的基区将发射结和集 电结紧密地联系在一起。从 而把正偏下发射结的正向电 流几呼全部地传输到反偏的 R B 集电结回路中去。这是晶体 管能实现放大功能的关键所 U BB 在。
I CN
N RC
I BN
P
15V
I EP e IE
I
N+
EN
UCC
UCE ≥1
90
60 30 0 0.5 0.7 0.9 UCE > 0
止，iB为反向电流。若反向电 压超过某一值时，e结也会发 生反向击穿。
u BE/V
综上所述，晶体管是一种非线性导电器件，有三个工 作区，对应三种不同的工作状态：
⑴.放大状态（iB>0，uCE≥uBE，即e结正偏，c 结反偏）
特点：①.iC受iB控制，即IC= IB或△IC= β△ IB
大功率达林顿晶体管
第三章双极型晶体管
ICn
电子电流 电子流
上式等号右边第一项称为
发射效率，是入射空穴电
流与总发射极电流的比，
即：
I E•
I Ep IE
I Ep I Ep＋I En
第二项称为基区输运系数，
是到达集电极的空穴电流量
与由发射极入射的空穴电流
量的比，即
T
I Cp I Ep
所以 0＝T
发射区 (P )
}I EP
I En
基区 (n) I BB
(d)n-p-n双级型集体管的电路符号
图 4.2
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
-B-
VCB
(a)理想一维p-n-p双级型集体管
IE E
+
+ VEC - IC - C
VEB
VBC
- + IB
B
(b)p-n-p双级型集体管的电路符号
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++ B
I En I BB
I B I E IC I En (I EpICp ) ICn
晶体管中有一项重要的参数
，称为共基电流增益，定义
为
0
I Cp IE
IB
空穴电流 和空穴流
图4.5
因此，得到
＝
0
I
I Cp Ep＋I
En
＝
I Ep I Ep＋I En
I Cp I Ep
}
集电区(P)
11第三章双极性晶体管
(1
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
p E x p E0 p E0 e VE
n p x n p 0e VE
VT
VT
(1
x ) xB
x 1 1 xE
p C x p C0 p C0 e VC
VT
1 e
VT
p E xE p E0
p E x p E0 p E0 e VE
VT
xE x sinh L pE 1 x E WE sinh L pE
4
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
xE x sinh L pE 1 x E WE sinh L pE
而增加。这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应，也称为Early效应
IC
I I B C0 h FE I B I CE 0 1 1
14
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
基区宽度减小使少子浓度梯度增加：
图3-21 晶体管中的少数载流子分布 (a)有源区工作， VEB =常数， VCB 改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化 (b) I CB0 和 I CEO 对应的基区少数载流子分布
VT
1 ）
1 e VC xB sinh L n
VT
1
I nC qA
Dnnp0 Ln
VT
x 1 cth 1
I nE qAD n
np0
x B VE cth L e Ln n
晶体管模型
qe 和 qc（VA和VB）反映了基区宽度调变效应 qf 和 qf（IKF和IKR）反映了大注入效应
半导体器件 3.5 23
I KF =
QB 0
F
IKF正是大注入临界电流。
2002.4 半导体器件 3.5 24
2002.4
4
3.5.2 GP模型 qb通常的描述方式：
3.5.2 GP模型 9 发射系数的影响 定义参数： nF —— 正向电流发射系数 nR —— 反向电流发射系数 发射系数反映了pn结电流~ 电压关系的非理想成 分 qV I
5 2002.4 半导体器件 3.5 6
2002.4
1
3.5.1 EM模型 2. 大信号模型 BJT储存的自由载流子电荷的描述方式： 正向工作： QDE = QE + QJE + QBF + QJC = (τE +τEB +τBF +τD ) ICC ≡τF ICC
3.5.1 EM模型
反向工作： QDC = QC + QJC + QBR + QJE = (τC +τD +τBR +τEB ) IEC ≡τR IEC
2002.4
半导体器件 3.5
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.5.1 EM模型 1. 直流模型 2.4节EM方程反映了BJT的理想直流特性
I E = − (1 + 1 β F ) I S ( e qVBE / kT − 1) + I S e qVBC / kT − 1 qVBE / kT − 1) − (1 + 1 β R ) I S e qVBC / kT − 1 IC = I S ( e
双极型晶体管模型参数提取实验指导书
双极型晶体管模型参数提取在对含双极型晶体管（BJT）的电路进行模拟时，必须提供具有足够精度而又简便的器件模型。
模型选定以后，其模型参数的真实性和数值精度就成了模拟正确与否的决定因素。
由于SPICE已成为国内外流行的通用电路分析程序，因此，对于一个具体版图和工艺设计，如何提取程序要求的BJT模型参数，成为设计人员一项有待掌握的基本技能。
本实验属于综合性较强的实验，其目的和要求是：1．掌握BJT模型，模型参数及其提取方法；2．熟悉用实验方法测取BJT模型参数；3．学习优化程序提取BJT模型参数的方法。
一实验原理1．两类BJT模型参数提取方法对于BJT模型，SPICE－2将简单的EM模型和考虑了各种二级效应的GP模型统一为一个模型，当程序中给定了GP模型的全部参数，就是GP模型，否则自动简化为EM模型。
表1汇总了GP模型全部参数。
其中包括了确定直流特性，反映基区宽度调制和 随Ic变化等效应的参数18个，确定交流特性，模拟结电容，扩散电容及它们随Vbe，Vbc，Ic变化等效应的参数17个，确定温度对BJT特性影响的参数3个和描述噪声特性的参数2个，总共40个参数。
其他电路模拟程序使用了不同的形式和复杂的E-M模型.精度较高的E-M3模型采用24个参数.除了少数模型参数可以直接引用文献提供的数值以外,获取模型参数(所谓提取)有两种方法:一种是分别提取;另一种是整数提取,又称优化提取方法。
分别提取法是安参数定义，设置测试提取方法，分别测量若干于模型参数有关的电学特性，再由相应的模型公式提取这些参数。
这种方法尽量用试验测量来获取参数，计算简单，参数由物理意义，但测试工作量大，所需设备多，准确度低，所得参数往往不能参数见得相互影响，只适用于所对应的测试条件，因而在实际工作条件应用时，会带来较大误差，而且有些参数不易这种方法求得。
整体提取方法以全局优化为目标，测试进可能少的器件外部电学特性，通过数学处理完成模型参数的整体提取。
微电子概论第二章微电子概论 第三节 双极型晶体管
1
1
iCBO ic
说明 > ，由于接近1，所以达
1
几十乃至上百。主要是由于输入端
由微弱的复合电流控制，而输出端
有大的漂移电流增强
➢穿透电流、注入效率与输运系数 (1) 穿透电流
iB
iCBO iCn
令 IC EO (1 ) IC B O
则 iC iB ICEO
当 iB=0 时， iC=ICEO
(2)注入效率
Rb
iB
iE
VBB
iE
称ICEO为穿透电流
发射区向基区注入电流的效率： = iEn/ie
(3)输运系数
基区向集电区电子输运的效率： = iCn/iEn 显然， = iCn/ie ≈
iC Rc
VCC
➢电压放大原理
N
共基极电压放大倍数GV及功率放大倍数GP
GV
iC RC iere
RC re
作业2
1. 已知：一只NPN型双极型晶体管共发射极 连接，测得其电压放大倍数为15，功率放 大倍数为930，基极电流Ib = 50 A，求解 以下问题：（1）画出电路图，并标出发射 极电流Ie、集电极电流Ic和基极电流Ib方向；
（2）求电流放大倍数；（3）求发射极电
流Ie、集电极电流Ic。
2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什 么？
iB′ ic iE iB
共发射极 大
大 大
共基极 大
大
iCn iCBO
iB iE
iE
iC Rc VCC
iC Rc
VCC iB VBB
➢电流增益关系
iE iC iB iE iB iCn iC iCn ICBO iB iB ICBO
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我们称vBC = 0的解称为"正向" 解：
而vBE = 0 则是"反向" 解：
Clif Fonstad, 9/03
第9讲- 幻灯片6
BJT模型: 埃伯斯－莫尔模型，继续 定性的, 正向和反向部分如下: 正向:
反向:
二者结合则组成了完整的埃伯斯-莫尔模型
Clif Fonstad, 9/03
第9讲- 幻灯片7
npn型BJT BF 对IC 图表
Jesus Del Alamo图象. 经过允许. Clif Fonstad, 9/03 第9讲- 幻灯片11
6.012 –微电子器件与电路 第9 讲– 双极晶体管模型– 摘要 BJT 的工作原理和优化 最佳设计: NDE >> NAB 使δE 减小 wB 减小δB 从而减小 NAB >> NDC 使wB* 不受VCE影响 npn与pnp首选npn因为De >Dh,µe >µh 在F.A.R.中的器件和模型 大信号FAR模型: βF = αF/(1-αF) IBS = (1 -αF)IES =IES /(βF + 1) 埃伯斯－莫尔模型
缺陷: 射极缺陷， (理想状态应是<<1) 基极缺损, äB = (wB 基极缺陷， 集电极缺陷， (通常可以忽略) (可能很大)
Clif Fonstad, 10/03
第9讲- 幻灯片12
BJT特性(npn)
输入曲线 BJT模型
输出曲线族
Clif Fonstad, 9/03
第9讲- 幻灯片8
npn型BJT输出IV 特性曲线
Jesus Del Alamo图象. 经过允许. Clif Fonstad, 9/03 第9讲- 幻灯片9
npn型BJT根梅尔图表
Jesus Del Alamo图象. 经过允许. Clif Fonstad, 9/03 第9讲- 幻灯片10
表明:
Clif Fonstad, 9/03
第9讲- 幻灯片3
npn型BJT 复习:，继续.: 对F.A.R.模型进行更多的观察 我们有:
我们也可以说Biblioteka :产生这个特性的电路模型如下:
说明: iF =-iE.
Clif Fonstad, 9/03
第9讲- 幻灯片4
npn型BJT: FAR模型结构设计
过剩载流子：p', n'
Clif Fonstad, 10/03
第9讲- 幻灯片1
npn型BJT: 与6.002中与n沟道MOSFET作对比 简单的特性，简单的用途.
Clif Fonstad, 9/03
第9讲- 幻灯片2
npn型BJT 复习: 在正向工作区的iE(VBE,VBC)和 iC(VBE, VBC), VBE >0, VBC <0
电流：
Clif Fonstad, 9/03
第9讲- 幻灯片5
BJT模型: 埃伯斯－莫尔模型 我们的F.A.R.结论是重要的普通模型的一种特殊例子 它描述了BJT在所有工作区域的工作情况， 这就是 "埃伯斯－莫尔" 模型。 我们已经能够解决普通的漂移问题和得到BJT特性的 一个大致表达式，继续下列步骤我们 通常观察F.A.R.模型。 但是在埃伯斯－莫尔模型中我们利用 叠加原理来解决每一个独立的应用"激励"问题。 然后整合结果：
6.012 – 微电子器件与电路 第9 讲– 双极型晶体管模型– 概述 •公告 分发概述和摘要的讲稿 第一次测验– 10月8日, 下午7:30-9:30; p-n结二极管, PS #4 •BJT 工作原理和最佳化: 复习FAR模型 工作区域: 1. 正向工作区，2. 截止区， 3. 饱和区，4.反向工作区 设计晶体管结构：性能取舍，设计规则 射极二极管模型,βF 模型, αF 模型 •BJT的埃伯斯－莫尔模型(用npn作为例子) 建模目的: 电路结构一定，求iE (VBE , VBC) 和iC (VBE , VBC) 。 步骤: 用叠加法分成几个步骤解决 iE(VBE ,VBC)= iE(VBE, 0) + iE (0, VBC) iC(VBE ,VBC)= iC(VBE, 0) + iC (0, VBC) (正向) (反向) 正向(VBE, 0) 和反向(0, VBC) 的解决方案: 缺点(d's), 完整的模型： •FAR模型的局限性 基区宽度调制, 厄利效应 β 随电流的变化: EB SCL 复合., HLI, 和IR 下降