微電子器件(3-4)

1、 本節(jié)以緩變基區(qū)本節(jié)以緩變基區(qū) NPN 管為例，推導(dǎo)出在發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上管為例，推導(dǎo)出在發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上外加外加 時晶體管的直流電流電壓方程。時晶體管的直流電流電壓方程。 EBCIEIBICVCEVBEVBCNN+P+- - - - 電流的參考方向和電壓的參考極性如下圖所示，電流的參考方向和電壓的參考極性如下圖所示， 推導(dǎo)電流電壓方程時，利用擴散方程的解具有線性迭加性推導(dǎo)電流電壓方程時，利用擴散方程的解具有線性迭加性的特點：方程在的特點：方程在 時的解時的解 與在與在 時的解時的解 的和的和 ，等于以，等于以 為邊界條件時的解為邊界條件時的解 。)()()(21xnxnxn)(1xn)(2xn

2、BEBC00VVBEBC00VVBEBC00VV0BW BEEnEpE2BEBEEiBE002BEEnpiB1EBEESexp1ddexp1exp1WWIIIDDqVA qnkTNxNxqVA qkTnRRkTqVIkT 口口B2BiBEnEEB0exp1dWqD nqVIAkTNxE2EiBEpEEE0exp1dWqD nqVIAkTNx 式中，式中，代表發(fā)射結(jié)反偏、集電結(jié)零偏時的發(fā)射極電流，代表發(fā)射結(jié)反偏、集電結(jié)零偏時的發(fā)射極電流，相當(dāng)于單獨的發(fā)射結(jié)構(gòu)成的相當(dāng)于單獨的發(fā)射結(jié)構(gòu)成的 PN 結(jié)二極管的反向飽和電流。結(jié)二極管的反向飽和電流。 于是可得到發(fā)射結(jié)為任意偏壓、集電結(jié)零偏時晶體管三個于是

3、可得到發(fā)射結(jié)為任意偏壓、集電結(jié)零偏時晶體管三個電極上的電流為電極上的電流為BEEESBECEESBEBECESexp1exp11exp1qVIIkTqVIIIkTqVIIIIkT 把晶體管的發(fā)射區(qū)當(dāng)作把晶體管的發(fā)射區(qū)當(dāng)作“集電區(qū)集電區(qū)”，集電區(qū)當(dāng)作，集電區(qū)當(dāng)作 “發(fā)射發(fā)射區(qū)區(qū)”，就可得到一個倒過來應(yīng)用的晶體管，稱為，就可得到一個倒過來應(yīng)用的晶體管，稱為 。發(fā)射結(jié)短路就相當(dāng)于倒向晶體管的發(fā)射結(jié)短路就相當(dāng)于倒向晶體管的“集電結(jié)集電結(jié)”短路，因此晶體短路，因此晶體管在本小節(jié)的偏置狀態(tài)就相當(dāng)于倒向晶體管在上一小節(jié)的偏置管在本小節(jié)的偏置狀態(tài)就相當(dāng)于倒向晶體管在上一小節(jié)的偏置狀態(tài)。狀態(tài)。故可得故可得BCC

4、CSBCERCSBCBRCSexp1exp11exp1qVIIkTqVIIkTqVIIkT 式中，式中，代表集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)零偏時的集電極電流，代表集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)零偏時的集電極電流，相當(dāng)于單獨的集電結(jié)構(gòu)成的相當(dāng)于單獨的集電結(jié)構(gòu)成的 PN 結(jié)二極管的反向飽和電流。結(jié)二極管的反向飽和電流。 代表倒向管的共基極直流短路電流放大系數(shù)，代表倒向管的共基極直流短路電流放大系數(shù)，。BCCCSBCERCSBCBRCSexp1exp11exp1qVIIkTqVIIkTqVIIkT RBCBEEESR CSBCBECESCSexp1exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkT 由于三

5、個電流之間滿足由于三個電流之間滿足 IE = = IC + IB ，三個電流中只有兩個，三個電流中只有兩個是獨立的。若選取是獨立的。若選取 IE 與與 IC ，所得為共基極，所得為共基極直流直流電流電壓方程，電流電壓方程，也稱為也稱為 ，即，即 將上述兩種偏置條件下的電流相加，即可得到發(fā)射結(jié)和集將上述兩種偏置條件下的電流相加，即可得到發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上均外加任意電壓時晶體管的電結(jié)上均外加任意電壓時晶體管的直流直流電流電壓方程。電流電壓方程。(3-59b)(3-59a) 若選取若選取 IB 與與 IC ，所得為共發(fā)射極，所得為共發(fā)射極直流直流電流電壓方程，電流電壓方程，BCBEBESRCSBCBE

6、CESCS1exp11exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkT 正向管與倒向管之間存在一個正向管與倒向管之間存在一個 ，即，即ESRCSII（3-60） 以輸入端的以輸入端的 IE 為參變量，輸出端的為參變量，輸出端的 IC 與與 VBC 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 由共基極由共基極直流直流電流電壓方程（埃伯斯莫爾方程），電流電壓方程（埃伯斯莫爾方程），EBCIEICVBCNN+P+- -BBCBEEESRCSBCBECESCSexp1exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkT消去消去 VBE ，即可得共基極，即可得共基極輸出特性方程輸出特性

7、方程： 當(dāng)當(dāng) VBC = = 0 時，時，在放大區(qū)，在放大區(qū)，VBC 0 ，且當(dāng)，且當(dāng) 時，時，BC|kTVq 代表發(fā)射極開路代表發(fā)射極開路 ( IE = = 0 )、集電結(jié)反偏、集電結(jié)反偏 ( VBC 0 ) 時的時的集電極電流，稱為共基極反向截止電流。集電極電流，稱為共基極反向截止電流。BCCERCSBCECBO1exp1exp1qVIIIkTqVIIkT 式中，式中，CBORCS1IIECIICBOECIII 共基極輸出特性曲線共基極輸出特性曲線BCCECBOexp1qVIIIkT 以輸入端的以輸入端的 IB 為參變量，輸出端的為參變量，輸出端的 IC 與與 VCE 之間的關(guān)系。之間的關(guān)

8、系。 由共發(fā)射極由共發(fā)射極直流直流電流電壓方程，電流電壓方程，ECBPIBICNEVCEBCBEBESRCSBCBECESCS1exp11exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkTN+CBOBCCBBECEBCEOexp111()exp1IqVIIkTq VVIIkT 式中，式中， 或或CBOCEOCBOCBO11IIIIRCEOCS11II消去消去 VBE ，即可得共發(fā)射極，即可得共發(fā)射極輸出特性方程輸出特性方程 當(dāng)當(dāng) VBC = = 0，或，或 VBE = = VCE 時，時， 在放大區(qū)，在放大區(qū)，VBC 0 ，或，或 VBE VCE ， 代表基極開路代表基極開路

9、 ( IB = 0 ) 、集電結(jié)反偏、集電結(jié)反偏 ( VBC 0 ) 時從時從發(fā)射極穿透到集電極的電流，稱為共發(fā)射極反向截止電流，或發(fā)射極穿透到集電極的電流，稱為共發(fā)射極反向截止電流，或共發(fā)射極穿透電流。共發(fā)射極穿透電流。BECECBCEOexp1q VVIIIkTCEOBCIIIBCII 共發(fā)射極輸出特性曲線共發(fā)射極輸出特性曲線 圖中，虛線代表圖中，虛線代表 VBC = = 0 ，或，或 VCE = = VBE ，即放大區(qū)與飽和區(qū)，即放大區(qū)與飽和區(qū)的分界線。在虛線右側(cè)，的分界線。在虛線右側(cè)，VBC VBE ，為放大區(qū)；在，為放大區(qū)；在虛線左側(cè)，虛線左側(cè)，VBC 0 ，或，或 VCE VBE

10、，為飽和區(qū)。，為飽和區(qū)。BECECBCEOexp1q VVIIIkT 在共發(fā)射極放大區(qū)，理論上在共發(fā)射極放大區(qū)，理論上 ，即，即 IC 與與 VCE 無關(guān)。但在實際的晶體管中，無關(guān)。但在實際的晶體管中，。CEOBCIII 當(dāng)當(dāng) VCE 增大時，集電結(jié)反偏增大時，集電結(jié)反偏 (VBC = = VBE VCE ) 增大，增大，集電結(jié)耗盡區(qū)增寬，使中性基區(qū)的寬度變窄，基區(qū)少子濃度分集電結(jié)耗盡區(qū)增寬，使中性基區(qū)的寬度變窄，基區(qū)少子濃度分布的梯度布的梯度 增大，從而使增大，從而使 IC 增大。這種現(xiàn)象稱為增大。這種現(xiàn)象稱為 ，也稱為，也稱為 。|dd|xnWBWBWBWBxNNP00nB(x) 當(dāng)忽略基

11、區(qū)中的少子復(fù)合及當(dāng)忽略基區(qū)中的少子復(fù)合及 ICEO 時，時，B2EBiBECnEB0exp1dWA qD nqVIIkTNxBEB2CBEBEBiBB2CECEB0d1exp1()ddVWIqVWA qD nN WVkTVNxBBCBBCEB0d1()ddWWINWVNxCAo1IVr基區(qū)中的部分，即基區(qū)中的部分，即 xp 。式中，式中，稱為稱為 ；，稱為，稱為 ；，為集電結(jié)耗盡區(qū)進入，為集電結(jié)耗盡區(qū)進入CEAoCCVVrIIBBCBBB00AdBBBBBBCB0CEdddd()()ddWWVNxNxVxWNWNWVV12sCdBbiCBBBC2NxVVqNNNBEBCCBCBBCECEAoB0d11()ddVWIIWIN WVVVrNx 若假設(shè)基區(qū)寬度若假設(shè)基區(qū)寬度 WB 不變，即不變，即 ，則無厄爾利效應(yīng)，則無厄爾利效應(yīng)，dBCBd0dxV，此時，此時 IC 與與 VCE 無關(guān)。無關(guān)。CCAoCEA,0IIVrVVBBCBBB00AdBBBBBBCB0CEdddd()()ddWWVNxNxVxWNWNWVVCEAoCCVVrII 對于均勻基區(qū)，對于均勻基區(qū)， 為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度 WB ；減小集電結(jié)耗盡；減小集電結(jié)耗盡區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度 xdB ，