双极晶体管的单管结构及工作原理.ppt

2019/6/17,1,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,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,2019/6/17,2,N,N,P,E,C,B,当发射结正偏（VBE0)，集电结反偏（VBC0)时，为正向工作区。,Ie=Ic+Ib,令,则,共基极短路电流增益,共射极短路电流增益,2019/6/17,3,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：,2019/6/17,4,当发射结正偏（VBE0)，集电结也正偏（VBC0)时(但注意，VCE仍大于0)，为饱和工作区。,N,N,P,E,C,B,1. 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0.10.2V。,2019/6/17,5,当VBC0 ， VBE0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，因此其发射效率低， 很小（约0.02）。,当发射结反偏（VBE0),集电结也反偏（VBC0)时，为截止区。,N,N,P,E,C,B,反向工作区,2019/6/17,6,共发射极的直流特性曲线,三个区域： 饱和区 放大区 截止区,2019/6/17,7,2.2 理想本征集成双极晶体管的EM模型,A: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,一结两层二极管(单结晶体管),2019/6/17,8,正向偏置,二极管的等效电路模型,2019/6/17,9,两结三层三极管(双结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：,2019/6/17,10,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,2019/6/17,11,两结三层三极管(双结晶体管),理想本征集成双极晶体管的EM模型,NPN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,2019/6/17,12,BJT的三种组态,2019/6/17,13,三结四层结构(多结晶体管),p,p,n,n,IE,E,B,C,S,IB,IC,IS,I1,I2,I3,V1,V2,V3,理想本征集成双极晶体管的EM模型,2019/6/17,14,三结四层结构(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：,p,p,n,n,IE,E,C,S,IB,IC,IS,I1,I2,I3,V1,V2,V3,2019/6/17,15,三结四层结构(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,2019/6/17,16,2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应,双极晶体管的四种工作状态,2019/6/17,17,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于正向工作区和截止区的情况,VEB_pnp0,VS=0,VCB_pnp0,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,2019/6/17,18,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,正向工作区,反向工作区,寄生晶体管对电路产生影响,2019/6/17,19,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,2019/6/17,20,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),2019/6/17,21,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,作为无用电流流入衬底,采用埋层和掺金工艺,2019/6/17,22,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于饱和工作区的情况,正向工作区,寄生晶体管对电路产生影响,2019/6/17,23,集成双极晶体管的有源寄生效应,NPN管工作于饱和工作区的EM方程,2019/6/17,24,2.4 集成双极晶体管的无源寄生效应,P+,P+,N+,P,N+-BL,N-epi,C,B,E,N+,2019/6/17,25,集成双极晶体管的无源寄生效应,rES=rE,c+ rE,b,发射极串联电阻rES,发射区为N+扩散,杂质浓度在1020cm-3以上, 所以发射区的体电阻很小,串联电阻主要由 金属与硅的接触电阻决定,SE:发射极接触孔的面积 RC:为硅与发射极金属的欧姆接触系数,E,接触电阻,体电阻,2019/6/17,26,rCS=rC1+ rC2+rC3,集电极串联电阻rCS,集成双极晶体管的无源寄生效应,rC1,上底为有效集电结面积SC,eff=SE 并作以下近似: 1.上底、下底各为等位面； 2.锥体内的电流只在垂直方向流动； 3.在上下面的电流是均匀的。,E,C,2019/6/17,27,rCS=rC1+ rC2+rC3,集电极串联电阻rCS,集成双极晶体管的无源寄生效应,LE-C,E,C,2019/6/17,28,rCS=rC1+ rC2+rC3,集电极串联电阻rCS,集成双极晶体管的无源寄生效应,rC3,E,C,2019/6/17,29,rCS=rC1+ rC2+rC3,集电极串联电阻rCS,集成双极晶体管的无源寄生效应,rC3,rC1,E,C,2019/6/17,30,rB=rB1+ rB2+rB3,基区电阻rB,集成双极晶体管的无源寄生效应,E,B,rB3,rB2,rB1,发射区 扩散层下的 基区电阻,发射区扩散层 边缘到基极接触孔边缘的 外基区电阻,基极金属 和硅的接触电阻以及 基极接触孔下的基区电阻,2019/6/17,31,2.5 MOSFET的单管结构及工作原理,单极器件：只有一种载流子参与导电,n+,n+,p型硅基板,栅极,绝缘层（SiO2）,半 导 体 基 板,漏极,源极,2019/6/17,32,VG=0 VS=0 VD=0,栅极电压为零时，存储在 源漏极中的电子互相隔离,2019/6/17,33,VGS0时，沟道出现耗尽区， 至VGS VTH时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。,S,VDS较小时，沟道中任何一处电压的栅沟道电压都大于阈值电压，随着VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。（线性区，非饱和区）,随着VDS进一步增大至VDS=VGS-VTH(即VGDVTH)时，靠近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入饱和区。随着VDS的增大，夹断区向源区移动，电压的增加主要降落在夹断点至漏端边缘的高阻区，沟道电子被横向强电场拉至漏极，漏源电流基本上不随VDS的增大而变化。,2019/6/17,34,N沟MOSFET的输出特性曲线,2019/6/17,35,场区寄生MOSFET 寄生双极晶体管 寄生PNPN效应（闩锁（Latch up）效应）,2.6 MOS集成电路中的有源寄生效应,2019/6/17,36,场区寄生MOSFET,措施：1.加厚场氧化层的厚度 2.增加场区注入工序,2019/6/17,37,寄生双极晶体管,防止措施：1.增大寄生晶体管“基区宽度” 2.P型衬底接地或负电位,2019/6/17,38,寄生PNPN效应（闩锁（