双极结型晶体管

null3 双极结型晶体管 3 双极结型晶体管 教 师：黄辉 办公室：创新园大厦A1226null*1.双极结型晶体管发展历史 2.双极结型晶体管的结构 3.双极结型晶体管的基本工作原理 4.理想双极结型晶体管中的电流传输 本章内容3.1 双极结型晶体管发展历史3.1 双极结型晶体管发展历史 1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain) 1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley) 1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley) 1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（TI） 1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产 3.2双极结型晶体管的结构 3.2双极结型晶体管的结构(a)为理想的一维NPN双极结晶体管，（b）为（a）的 电路符号(c)为理想的一维PNP双极结晶体管，（c）为（d）的 电路符号 3.2双极结型晶体管的结构 3.2双极结型晶体管的结构硅双极晶体管结构（平面工艺）的剖面图硅平面外延NPN晶体管的横截面示意图和工艺复合图 3.2双极结型晶体管的结构 3.2双极结型晶体管的结构芯片是通过以下步骤制造出来的： 1 衬底制备 衬底为低阻N型硅，电阻率在 左右，沿（111）面切成厚约 的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。 2 外延 外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。 3 一次氧化 高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。 4 光刻硼扩散窗口 3.2双极结型晶体管的结构 3.2双极结型晶体管的结构芯片是通过以下步骤制造出来的： 5 硼扩散和二次氧化 硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向 硅中扩散，并起钝化作用。 6 光刻磷扩散窗口 7 磷扩散和三次氧化 磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。 8 光刻发射极和基极接触孔 蒸发铝 10 在铝上光刻出电极图形 3.3双极结型晶体管的基本工作原理3.3双极结型晶体管的基本工作原理双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令 分别为基极对发射极和基 极对集电极的电压。则四种 工作模式是： （1）   正向有源模式： 0， 0； （2）   反向有源模式： 0， 0； （3）   饱和模式： 0， 0； （4）   截止模式： 0， 0。 3.3双极结型晶体管的基本工作原理3.3双极结型晶体管的基本工作原理共基极连接晶体管的放大作用 NPN晶体管共基极放大电路3.3双极结型晶体管的基本工作原理3.3双极结型晶体管的基本工作原理共基极连接晶体管的放大作用 NPN晶体管共基极能带图 3.3双极结型晶体管的基本工作原理3.3双极结型晶体管的基本工作原理电流分量 放大器工作时，NPN晶体管内的工作电流分量3.3双极结型晶体管的基本工作原理3.3双极结型晶体管的基本工作原理电流分量 是从发射区注入到基区中的电子流。 是到达集电结的电子流。 是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 是从基区注入到发射区的空穴电流 是发射结空间电荷区内的复合电流。 是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区 产生电流。 3.3双极结型晶体管的基本工作原理3.3双极结型晶体管的基本工作原理电流分量 3.3双极结型晶体管的基本工作原理 为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率 基区输运因子 共基极直流电流增益 3.3双极结型晶体管的基本工作原理电流增益 3.3双极结型晶体管的基本工作原理 显然 利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成 考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为 3.3双极结型晶体管的基本工作原理电流增益 3.3双极结型晶体管的基本工作原理集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形 3.3双极结型晶体管的基本工作原理 3.3双极结型晶体管的基本工作原理式中定义 共发射极接法 3.3双极结型晶体管的基本工作原理3.4理想双极结型晶体管中的电流传输3.4理想双极结型晶体管中的电流传输1、电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义： （1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场； （2）结是理想的平面结，载流子作一维运动； （3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流 子运动是一维的； （4）基区宽度远小于少子扩散长度； （5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上； （6）发射结面积和集电结面积相等； （7）小注入，等等 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输1、电流传输 理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输1、电流传输 中性基区（0  ）少子电子分布及其电流： 边界条件为： 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输1、电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输2、发射区少子空穴分布及其电流： 边界条件： 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 空穴电流为： 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输2、发射区少子空穴分布及其电流若 则 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输3、集电区少子空穴分布及其电流 边界条件： 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输4、正向有源模式 少数载流子分布 在 的情况下，上式简化为： 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输4、正向有源模式 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输5、电流分量 基区电子电流： 若  3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输空穴电流 正偏压发射结空间电荷区复合电流： 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输5、电流分量 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输5、电流分量 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输晶体管的输出特性曲线 NPN 晶体管的静态电流电压特性 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输5、电流分量 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输6、共发射极电流增益 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输3.3理想双极结型晶体管中的电流传输7、共发射极电流增益与工作电流的关系 电流增益对集电结电流的依赖关系 3.3理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 在一般情况下，解发射区、基区、集电区少子扩散方程求出少子分布 基区少子电子分布 发射区少子空穴分布 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 若  集电区少子空穴分布 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 导出了少子电流公式 (1)基区电子电流 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 (2)发射区空穴电流 (3)集电区空穴电流： 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 导出了正向有源模式下少子分布 (1)基区电子分布 ： 在 的情况下 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 (2)发射区少子空穴分布 ： 若  3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 导出了正向有源模式下少子电流： (1)基区电子电流 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 若 <<(2)空穴电流 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输 3.4理想双极结型晶体管中的电流传输8、小结 导出了基区输运因子表达式 了集电极电流、基极电流随发射结电压的变化 导出了共发射极电流增益表达式分析了其随工作电流的变化 若  3.4理想双极结型晶体管中的电流传输