深圳大学微电子学基础原理第三章双极型晶体管0.ppt
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《双极型晶体管及其》PPT课件
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16
第2章 双极型晶体管及其放大电路
iB b 输入 回路
iC c
输出 回路
e (a)
iB b
iE
e
iE
e
iC c
c
b
(b)
(c)
图2–3
(a)共发射极；(b)共集电极；(c)共基极
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17
第2章 双极型晶体管及其放大电路
2–2–1 晶体管共发射极特性曲线
因为有两个回路，所以晶体管特性曲线包括输入 和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性 图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用图2–4电路逐 点测出。
一、共发射极输出特性曲线
测量电路如图2–4所示。 iB为参变量时，iC与uCE
，即
iC f (uCE) iB常数
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18
第2章 双极型晶体管及其放大电路
RC
＋
iC mA
－
RB
iB
μA
＋
＋
UCC
UBB
uBE
V －
V uCE －
图2–4共发射极特性曲线测量电路
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19
第2章 双极型晶体管及其放大电路
显然， <1，一般约为0.97~0.99。
由式(2–6)、(2–1)，不难求得
IC IE ICBOIE IB (1)IE ICBO(1)IE
IE IC IB
(2–7a) (2–7b) (2–7c)
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13
第2章 双极型晶体管及其放大电路
由于 , 都是反映晶体管基区扩散与复合的
比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必
式(2–1)表明，在e结正偏、c结反偏的条件下，晶 体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非 平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关 系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好 后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系， 就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为 定量分析晶体管电路提供方便。
《双极晶体管》课件
2 NPN型和PNP型晶体
管的区别
NPN型和PNP型晶体管的 区别在于掺杂和电流流动 方向的差异，每种类型在 电路中有其独特的应用。
3 双极晶体管的放大和
开关特性
双极晶体管可用作信号放 大器，在线性区域工作时 放大弱信号；在饱和和截 断状态下可用作开关。
双极晶体管的使用建议
选择适合的双极晶体 管参数
双极晶体管可以用于放大弱信号、调整电路增益和频率响应，并具有小尺寸、可靠性和高效 能的特点。
双极晶体管的种类和应用领域
双极晶体管根据结构和材料的不同分为多种类型，广泛应用于电子设备、通信系统、功放等 领域。
双极晶体管的原理
1 双极晶体管的结构和
工作原理
双极晶体管由P型和N型半 导体材料构成，基于PN结 的正向和反向偏置来控制 电流流动。
《双极晶体管》PPT课件
在这个《双极晶体管》PPT课件中，我们将介绍双极晶体管的基本知识，包括 其作用、结构、工作原理、种类和应用领域等。让我们一起探索这一引人入 胜的电子元器件！
产品介绍
什么是双极晶体管
双极晶体管是一种常见的电子元器件，通过控制电流来实现信号的放大和开关功能。
双极晶体管的作用和特点
根据电路需求选择合适的电流 增益、频率响应和功率特性等 参数的双极晶体管。
双极晶体管的使用注 意事项
遵循正确的极性、电压和电流 要求，确保双极晶体管正常工 作且不受损。
如何正确布局和布线 双极晶体管电路
合理安排双极晶体管的位置和 连接，避免干扰和不Байду номын сангаас要的电 路耦合。
双极晶体管的发展趋势
集成电路
无线通信
双极晶体管的集成电路已经成为 现代电子产品中的重要组成部分， 实现更小型化、高性能和多功能。
《双极晶体管》PPT课件
发射区到集电区的总延时：
46
12.6频率上限
电流增益是频率的函数，共基极电流增益：
0 1 j f
f
0是低频共基极电流增益，f 定义为 截止频率
f
1
2 ec
| | f 1 f
当信号频截 率止 等频 于，率 共时 发射极电流 1 增
fT
1
2 ec
47
12.6频率上限
电流增益是频率的函数，共发射极电流增益：
第十二章 双极晶体管
2015年12月4日
1
第10章双极晶体管
10.1双极晶体管的工作原理 10.2少子的分布 10.3低频共基极电流增益 10.4非理想效应 10.5等效电路模型 10.6频率上限 10.7大信号开关
双极IC中，npn型管的特性优于pnp型管。
2
晶体管概况
晶体管是多功能的半导体器件，能过和其他电子无件的互连 ，可以用来放大电流、放大电压和放大功率；
0 1 j
f
共发射极电流增益的幅值
f称为截止频率下的降频到率其低频值的 1 / 2 时
f
0
1
1
j
f
fT
0
截止频率与截止频率关 的系f
fT 0
48
12.6频率上限
P385例12.14
49
12.7大信号开关
延迟时间
上升时间
存储时间
下降时间
50
12.7大信号开关
减少存储时间、提高晶体管的转换速度的一种常用的方法是采用肖特 基钳位晶体管。
饱和区
放大区
截止区 17
12.1双极晶体管的工作原理 12.1.4放大电路
共射放大电路
放大电路波形
46
12.6频率上限
电流增益是频率的函数，共基极电流增益：
0 1 j f
f
0是低频共基极电流增益，f 定义为 截止频率
f
1
2 ec
| | f 1 f
当信号频截 率止 等频 于，率 共时 发射极电流 1 增
fT
1
2 ec
47
12.6频率上限
电流增益是频率的函数，共发射极电流增益：
第十二章 双极晶体管
2015年12月4日
1
第10章双极晶体管
10.1双极晶体管的工作原理 10.2少子的分布 10.3低频共基极电流增益 10.4非理想效应 10.5等效电路模型 10.6频率上限 10.7大信号开关
双极IC中，npn型管的特性优于pnp型管。
2
晶体管概况
晶体管是多功能的半导体器件，能过和其他电子无件的互连 ，可以用来放大电流、放大电压和放大功率；
0 1 j
f
共发射极电流增益的幅值
f称为截止频率下的降频到率其低频值的 1 / 2 时
f
0
1
1
j
f
fT
0
截止频率与截止频率关 的系f
fT 0
48
12.6频率上限
P385例12.14
49
12.7大信号开关
延迟时间
上升时间
存储时间
下降时间
50
12.7大信号开关
减少存储时间、提高晶体管的转换速度的一种常用的方法是采用肖特 基钳位晶体管。
饱和区
放大区
截止区 17
12.1双极晶体管的工作原理 12.1.4放大电路
共射放大电路
放大电路波形
《双极型晶体管》课件
作。
工艺参数优化
温度控制
在制造过程中，温度是一个重要的工艺参数。适当的温度可以保证 材料的性质和工艺的稳定性。
时间控制
各工艺步骤所需的时间对晶体管的性能也有影响，需要进行精确控 制。
压力与气氛控制
在制造过程中，压力和气氛也是关键的工艺参数。例如，在氧化、蒸 发和腐蚀等步骤中，需要严格控制反应气氛的种类和浓度。
将半导体材料清洗干净并进行 切割，得到可用于制造晶体管
的芯片。
氧化与蒸发
通过氧化和蒸发工艺，在芯片 表面形成一层薄膜，作为晶体 管的介质层。
光刻与腐蚀
通过光刻技术将电路图案转移 到芯片表面，然后进行腐蚀， 形成晶体管的各个电极。
焊接与封装
将各电极通过焊接工艺连接起 来，并将芯片封装在适当的壳 体中，完成双极型晶体管的制
输出特性
总结词
描述了双极型晶体管输出端与集电极电流之间的关系。
详细描述
输出特性曲线反映了集电极电流与输出电压之间的关系，随着集电极电流的增 加，输出电压逐渐减小，表现出负阻特性。
转移特性
总结词
描述了双极型晶体管输入、输出特性的相互影响。
详细描述
转移特性曲线反映了基极电流与集电极电流之间的关系，随着基极电流的增加， 集电极电流也相应增加，表现出良好的线性关系。
工作原理
当在基极上施加电压时，电流从 集电极流向发射极，实现放大或 开关功能。
双极型晶体管的特点
01
02
03Leabharlann 高放大倍数双极型晶体管具有较高的 电流放大倍数，通常在 100-1000倍之间。
低噪声性能
双极型晶体管在低频和高 频应用中表现出良好的噪 声性能。
高速开关
双极型晶体管具有快速开 关速度，适用于高频信号 处理和开关电路。
工艺参数优化
温度控制
在制造过程中，温度是一个重要的工艺参数。适当的温度可以保证 材料的性质和工艺的稳定性。
时间控制
各工艺步骤所需的时间对晶体管的性能也有影响，需要进行精确控 制。
压力与气氛控制
在制造过程中，压力和气氛也是关键的工艺参数。例如，在氧化、蒸 发和腐蚀等步骤中，需要严格控制反应气氛的种类和浓度。
将半导体材料清洗干净并进行 切割，得到可用于制造晶体管
的芯片。
氧化与蒸发
通过氧化和蒸发工艺，在芯片 表面形成一层薄膜，作为晶体 管的介质层。
光刻与腐蚀
通过光刻技术将电路图案转移 到芯片表面，然后进行腐蚀， 形成晶体管的各个电极。
焊接与封装
将各电极通过焊接工艺连接起 来，并将芯片封装在适当的壳 体中，完成双极型晶体管的制
输出特性
总结词
描述了双极型晶体管输出端与集电极电流之间的关系。
详细描述
输出特性曲线反映了集电极电流与输出电压之间的关系，随着集电极电流的增 加，输出电压逐渐减小，表现出负阻特性。
转移特性
总结词
描述了双极型晶体管输入、输出特性的相互影响。
详细描述
转移特性曲线反映了基极电流与集电极电流之间的关系，随着基极电流的增加， 集电极电流也相应增加，表现出良好的线性关系。
工作原理
当在基极上施加电压时，电流从 集电极流向发射极，实现放大或 开关功能。
双极型晶体管的特点
01
02
03Leabharlann 高放大倍数双极型晶体管具有较高的 电流放大倍数，通常在 100-1000倍之间。
低噪声性能
双极型晶体管在低频和高 频应用中表现出良好的噪 声性能。
高速开关
双极型晶体管具有快速开 关速度，适用于高频信号 处理和开关电路。
第三章 双极晶体管82页PPT
高频小功率晶体管，指特征频率大于 3MHz，功率小于1W的晶体管，主要用于高频振 荡电路、放大电路中。
低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较 多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放 管，各种大电流输出稳压电源中作为调整管，低 速开关电路中作开关管。
高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz ， 功率大于1W的晶体管，用于无线通 讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、 开关和稳压电路中。
区。此时，晶体管进入饱和区。
共发射极输入特性：与正向PN结伏安
特性相似，随集电结电压增加而基极电流
减少 ；这是因为集电结电压增加使基区宽
度减小，基区复合电流减少，故基极电流
减少。
共发射极输出特性：当基极电流为0时，
流过晶体管的电流为
；ICE随O 着 的增I B 加，
以 I的C 规律上IB 升。随 增加 略V CE上升，I C
这是因为 减少而W使B 增大的结 果。当
减少到一V C定E 值（硅管为0.7V）而使集电结
正偏， 迅速下降I，C 进入饱和区。
•晶体管输出特性பைடு நூலகம் 为三个区域：Ⅰ为线 性工作区，Ⅱ为饱和 区，Ⅲ为截止区．I 区工作的晶体管，发 射结处于正偏，集电 结处于反偏，Ⅱ区工 作的晶体管，发射结 和集电结均处于正偏； Ⅲ区工作的晶体管发 射结和集电结都为反 偏。
• • • M IEn Icn Ic ' IC IE IEn Icn Ic '
（3-104）
晶体管发射效率 ：
IEn IEn 1
IE IEnIEp 1IEpIEn 基区输运系数 ：
（3-105）
Icn IEnIvb1Ivb
IEn
低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较 多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放 管，各种大电流输出稳压电源中作为调整管，低 速开关电路中作开关管。
高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz ， 功率大于1W的晶体管，用于无线通 讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、 开关和稳压电路中。
区。此时，晶体管进入饱和区。
共发射极输入特性：与正向PN结伏安
特性相似，随集电结电压增加而基极电流
减少 ；这是因为集电结电压增加使基区宽
度减小，基区复合电流减少，故基极电流
减少。
共发射极输出特性：当基极电流为0时，
流过晶体管的电流为
；ICE随O 着 的增I B 加，
以 I的C 规律上IB 升。随 增加 略V CE上升，I C
这是因为 减少而W使B 增大的结 果。当
减少到一V C定E 值（硅管为0.7V）而使集电结
正偏， 迅速下降I，C 进入饱和区。
•晶体管输出特性பைடு நூலகம் 为三个区域：Ⅰ为线 性工作区，Ⅱ为饱和 区，Ⅲ为截止区．I 区工作的晶体管，发 射结处于正偏，集电 结处于反偏，Ⅱ区工 作的晶体管，发射结 和集电结均处于正偏； Ⅲ区工作的晶体管发 射结和集电结都为反 偏。
• • • M IEn Icn Ic ' IC IE IEn Icn Ic '
（3-104）
晶体管发射效率 ：
IEn IEn 1
IE IEnIEp 1IEpIEn 基区输运系数 ：
（3-105）
Icn IEnIvb1Ivb
IEn
《双极型晶体管》课件
双极型晶体管的种类
种类
根据结构和工作原理的不同，双极型晶体管可分为NPN型和 PNP型两大类，每种类型又有多种不同的器件结构和用途。
应用领域
双极型晶体管广泛应用于电子设备、通信、计算机、家电等 领域，作为信号放大、开关、稳压、震荡等电路的核心元件 。
02
双极型晶体管的特性
电流-电压特性
基极电流（Ib）
封装与测试
封装形式
双极型晶体管有多种封装形式，如TO-92 、TO-220等，根据应用需求选择合适的 封装形式。
VS
测试方法
对双极型晶体管进行电气性能测试，如电 流放大倍数、集电极电阻等，以确保其性 能符合要求。
05
双极型晶体管的展望
新材料的应用
硅基材料
继续优化硅基双极型晶体管性能，探索更高 频率、更高功率密度和更低噪声的晶体管。
01
导通状态
当基极输入足够大的电流时，晶体 管进入饱和导通状态。
开关速度
晶体管在导通和关断状态之间切换 的速度。
03
02
关断状态
当基极输入负偏置电压或无电流时 ，晶体管处于截止状态。
延迟时间
从基极输入信号到晶体管完全导通 所需的时间。
04
03
双极型晶体管的应用
放大器
总结词
双极型晶体管具有电流放大作用，是放大器中的核心元件。
工作原理
双极型晶体管利用电子和空穴两种载 流子参与导电，通过控制基极电流来 调节集电极和发射极之间的电流，实 现信号放大、开关等作用。
双极型晶体管的结构
结构
双极型晶体管由半导体材料制成，通 常采用NPN或PNP结构，由三个区域 （基区、集电区和发射区）和三个电 极组成。
《双极和MOS晶体管》PPT课件
整个发射上有电 流流过
可获得单位面积 的大输出电流
开态电压VBE与 尺寸、工艺无关
片间涨落小，可获 得小的电压摆幅
易于获
高速
得高fT
应用
易于获得 大电流
大功率 应用
易于小信 号应用
模拟电路
输入电压直接控制提供输出电 流的载流子密度
高跨导
输入电容 由扩散电
容决定
随工作电流的减小 而减小
可同时在大或小的电流下工 作而无需调整输入电容
4.4 晶体管的频率特性
（1）截止频率 f：共基极电 数减小到低频值的
所对应的频率值
1/ 2
流放大系
（2）截止频率f ：
（3）特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率 （4）最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率
5. BJT的特点
优点
垂直结构
与输运时间相关的尺 寸由工艺参数决定， 与光刻尺寸关系不大
注意：饱和区(又称有源区)对应三极管的放大区。
数学模型：
工作在饱和区时，MOS 管的正向受控作用，服从 平方律关系式：
ID
nCOXW
2l
(VGS
VGS(th) )2
若考虑沟道长度调制效应，则 ID 的修正方程：
ID
nCOXW
2l
(VGS
VGS(th) )2 1
VDS VA
nCOXW
2l
(VGS
PMOS管速度较低，现已很少单独使用，主要用于和NMOS管 构成CMOS电路。
场效应管参数 开启电压VGS(th) (或VT)
开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的 绝对值, 场效应管不能导通。
夹断电压VGS(off) (或VP)
双极晶体管PPT课件
Irb I ne
Isb
1
I rb I ne
I sb I ne
体复合 表面复合
对均匀基区
对缓变基区
0*
1
Wb 2L2nb
SASWb Ae Dnb
S为表面复合速率
0*
1
Wb
L2nb
SASWb N B Ae Dnb NB 0
47
4. 基区宽变效应
基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度调变 效应（厄尔利效应）
Ine
I ne
1
Ie Ine I pe Ire 1 I pe Ire
Ine Ine
43
2. 发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响
发射区过重的掺杂不仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低
1）形成杂质带尾，禁带变窄 Eg Eg Eg'
Eg
3q3
16 s
NE
S kT
Eg ni ni2 ND NDeff
1
Dpe
N
BWb
)
1
Wb2 2L2nb
1
Dpe NBWb Dnb NEWe
Wb2 2L2nb
Dnb NEWe
或者
( 1
1
eWb
)
1
Wb2 2L2nb
1
eWb bWe
1
Wb2 2L2nb
bWe
1
eWb bWe
Wb2 2L2nb
29
4、共射极电流增益
0
0 10
1
10
41
3.3 晶体管的直流电流增益 3.3.3 提高放大系数的途径 1、减小基区宽度 （基区少子浓度梯度大，且复合损失小）
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mjiang@
3.1.2晶体管的制备与杂质分布
1. 合金晶体管 PNP型合金管结构与杂质分布如图所示
（a）管芯结构
（b）杂质分布
锗合金晶体管的结构与杂质分布
合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都是
均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电结
均是突变结。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
声、稳定性、可靠性等方面达到一个较高的水平。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
mjiang@
3.1.2晶体管的制备与杂质分布
3. 外延平面晶体管
在平面晶体管制造工艺的基础上又发展了一种外延平面晶体管。 其结构与杂质分布如图所示
（a）管芯结构 （b）杂质分布 硅外延平面管结构及杂质分布示意图
3. 载流子的输运过程
ห้องสมุดไป่ตู้
（1）根据正向PN结特性，发射区注入基区靠发射结边界X2处的电子 浓度为
nb(X2)nb0eqU E/k T
由基区注入发射区靠发射结边界X1处的空穴浓度为
pe(X1)pe0eqU E/k T
（2） 根据反向PN结特性，集电结两边界X3和X4处的少子浓度分别 为
n b (X 3 ) n b 0 e qC U /k T n b 0 e qC U /k T 0
（3-9）
由于通常情况下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示为
IB≈ Ip(X1)+ IVB
（3-10）
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
11
mjiang@
3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输
3. 载流子的输运过程
微电子学基础理论
（a）少子分布示意图 （b）载流子输运过程示意图 晶体管中载流子分布及其输运过程示意图
第2章 PN结的机理与特性
mjiang@
微电子学基础理论
第三章 双极型晶体管
微电子学基础理论
信息工程学院 姜梅
第2章 PN结的机理与特性
1
mjiang@
1 晶体管的结构和工作原理 2 晶体管的电流放大特性 3 晶体管的直流特性曲线 4 晶体管的频率特性
5 晶体管的开关特性
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
目录
mjiang@
晶体管的放大能力
表1给出了型号为3DG6晶体管（硅高频小功率管），在集电结UCC=6V条 件下测量所得的实际数据。
表1 晶体管各电极电流分配表
发射极电流IE （mA)
1
2
3
4
5
集电极电流IC （mA)
0.98
1.96
2.94
3.92
4.90
基极电流IB （mA)
0.02
mjiang@ 2
3.1 晶体管的结构与工作原理
3.1.1晶体管的基本结构
晶体管就有两种基本组合形式：P-N-P型或N-P-N型，它们的结 构和符号如图所示，其符号中的箭头方向表示发射结电流的方向。
（a）管芯结构
（b）符号
晶体管的结构和符号
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
0.04
0.06
0.08
0.10
晶体管的电压放大系数为：
KU
U出 U入
RL r
晶体管的功率放大应等于它的电流放大系数与电压放大系数的乘积，
微电子学基础理论
KP
RL r
2
第2章 PN结的机理与特性
mjiang@
3.2 晶体管的电流放大特性
几点假设:
发射结和集电结均为理想的突变结，且结面积相等（用A表示）； 各区杂质为均匀分布，载流子仅做一维传输，不考虑表面的影响； 外加电压全部降落在PN结势垒区，势垒区以外不存在电场； 发射结和集电结势垒区宽度远小于少子扩散长度，且不存在载流 子的产生与复合，因而通过势垒区的电流不变； 发射区和集电区的宽度远大于少子扩散长度，而基区宽度远小于 少子扩散长度； 注入基区的少子浓度比基区多子浓度低得多，只讨论小注入情况。
mjiang@
3.1.2晶体管的制备与杂质分布
2. 平面晶体管 平面晶体管结构与杂质分布如图所示
平面工艺最主要的特点是：利用SiO2稳定的化学性能，能耐高温，具有掩蔽 杂质原子扩散和良好的绝缘性能，与光刻技术相配合，可进行选择扩散，这样使 平面晶体管具有更为合理的电极形状，薄的基区，钝化的表面，因此在功率、噪
由图可见，双扩散外延平面晶体管的基片电阻率很低，集电极串联电阻很小， 使集电极饱和压降减小，晶体管可做得很小，基区宽度Wb很薄，从而使外延平面 晶体管在频率特性、开关速度和功率等方面都有很大的提高与改善，因此，成为 目前生产最主要的一种晶体管。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
mjiang@
14
mjiang@
3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成
2. 晶体管各端电流的形成
（1） 发射极电流IE 从上面的分析与讨论可知，发射极的正向电流IE是由两股电 流组成的：
IE=Ip(X1)+ In(X2)
（3-8）
（2） 基极电流IB 基极电流IB是由三部分组成的：
IB= Ip(X1)+ IVB-ICBO
微电子学基础理论
p c (X 4 ) p c 0 e qC U /k Tp c 0 e qC U /k T 0
第2章 PN结的机理与特性
mjiang@
3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成
1. 晶体管内的电流传输
微电子学基础理论
NPN型晶体管电流传输示意图
第2章 PN结的机理与特性
第2章 PN结的机理与特性
mjiang@
晶体管的放大能力
具有放大作用的晶体管在结构上需要满足什么条件呢？
➢ 具有NPN或PNP三层结构； ➢ 基区宽度非常薄，薄的程度远小于非 平衡少子的扩散长度； ➢ 发射区的杂质浓度要远大于基区杂质浓度。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
3.1.3晶体管的工作原理
晶体管最重要的作用是具有放大电信号的能力。为 什么紧靠着的两个PN结具有放大作用？要晶体管具有 放大作用首先要有适当的电路。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
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3.1.3晶体管的工作原理
晶体管的放大能力
微电子学基础理论
基区厚度很大的NPN结构的电流流通与少子分布示意图