双极晶体管的单管结构及工作原理.ppt

2019/1/14,1,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,2019/1/14,2,,,,,,,,,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,,2019/1/14,3,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：,2019/1/14,4,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0.1～0.2V2019/1/14,5,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,2019/1/14,6,共发射极的直流特性曲线,三个区域： 饱和区 放大区 截止区,,,,,,2019/1/14,7,2.2 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),,2019/1/14,8,,,正向偏置,二极管的等效电路模型,2019/1/14,9,两结三层三极管(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：,2019/1/14,10,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,2019/1/14,11,两结三层三极管(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,2019/1/14,12,BJT的三种组态,2019/1/14,13,三结四层结构(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,2019/1/14,14,三结四层结构(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,V3,2019/1/14,15,三结四层结构(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,2019/1/14,16,§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,2019/1/14,17,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,2019/1/14,18,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,2019/1/14,19,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,2019/1/14,20,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),,2019/1/14,21,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,,2019/1/14,22,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,2019/1/14,23,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,,2019/1/14,24,§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+,,,,,,2019/1/14,25,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,2019/1/14,26,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,2019/1/14,27,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,2019/1/14,28,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,2019/1/14,29,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,2019/1/14,30,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,2019/1/14,31,§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,,2019/1/14,32,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,2019/1/14,33,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2019/1/14,34,N沟MOSFET的输出特性曲线,2019/1/14,35,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,2019/1/14,36,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,2019/1/14,37,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,,,2019/1/14,38,寄生PNPN效应（闩锁（ Latch up ）效应）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RS,RW,P阱,,,,,,,,,,,,,,,,,,,RS,RW,,,,,,Vdd,Vss,N衬底,消除措施： 1. 减小RS,RW（增加接触孔数量，加粗电源、地线,双阱工艺） 2.降低寄生三极管电流放大倍数,N,2019/1/14,39,作业,1.分析集成双极晶体管的有源寄生效应，说明器件工作于何种状态下寄生效应不可忽略，为什么？ 2.P48 2.7,。