北工大復(fù)試筆試晶體管的課件

1.E-M(Ebers-Moll)方程對于基區(qū)來說，“集電結(jié)零偏”跟“集電區(qū)不存在、基區(qū)的右側(cè)與金屬電極接觸”，這兩種情況的少子邊界條件是相同的，基區(qū)右邊界處的少子濃度都等于平衡少子濃度。如果把晶體管的發(fā)射區(qū)當(dāng)作“集電區(qū)”，把集電區(qū)當(dāng)作“發(fā)射區(qū)”，則可以得到一個倒過來應(yīng)用的晶體管。這種晶體管稱為倒向晶體管。倒向晶體管的“集電結(jié)零偏”就是正向晶體管的“發(fā)射結(jié)零偏”。把兩種情況下的個電極上的電流加起來，就可得到兩個結(jié)上均為任意直流電壓時晶體管的直流電流表達(dá)式，即晶體管的直流電流電壓方程。E-M方程由Ebers和Moll于1954年提出的。作為三端有源器件，它的直流電流電壓變量共有六個，即VBE、VBC、VCE、IE、IC及IB。這些變量中有兩個是獨立變量，因此一共要有兩個獨立方程來描述BJT的直流特性。1.E-M(Ebers-Moll)方程規(guī)定IE,IC、IB流入晶體管為其正方向（2-110）E-M方程在下述假定條件下成立：①發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)電阻率足夠低，忽略其上電壓降，對于NPN晶體管VjE=VBE，VjC=VBC。②小注入，正偏結(jié)空間電商區(qū)邊界上非平衡少于密度小于多子平衡態(tài)密度。③空間電荷區(qū)寬度隨外加電壓變化的影響略去不計。④流過發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的電流與結(jié)上外加電壓之間具有以下變化關(guān)系，即在上述假定條件下，E-M方程中所包含的系數(shù)a11,a12,a21及a22是不隨電流電壓變化的常數(shù)，能夠用四個可簡單直接測量的晶體管直流參數(shù)表示出來，這四個直流參數(shù)是：（2-111）——集電極開路時的發(fā)射結(jié)反向飽和電流(>0)——發(fā)射極開路時的集電結(jié)反向飽和電流(>0)——發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)零偏時的正向電流增益(>0)——集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)零偏時的反向電流增益(>0)對PNP管（2-115）集電極輸出短路時發(fā)射結(jié)反向飽和電流發(fā)射極輸出短路時集電結(jié)反向飽和電流原始EM方程并沒有a常數(shù)，而是用下式表示（適用于PNP管）：對于NPN管，EM方程表示為：（2-116）（2-118）集電極輸出短路時發(fā)射結(jié)反向飽和電流發(fā)射極輸出短路時集電結(jié)反向飽和電流為書寫方便，常令：（2-119）E-M方程用了疊加原理：基區(qū)中的過剩少子密度梯度以及正比于過剩少子密度梯度的少子電流密度是正向和反向晶體管的疊加。對于PNP晶體管，假定：VEB≠0，VCB=0時，IE=IEF,IC=ICF;VEB=0，VCB≠0時，IE=IEB,IC=ICB;可以推出：

IEF=IF,ICF=-αFIF，IER=-αRIR,ICR=IR;因此，在VEB≠0和VCB≠0時，IE和IC可以看成上述兩種狀態(tài)電流的疊加：（2-121）上述E-M方程也適用于NPN晶體管，其等效電路模型如下

上述方程和等效電路適用于晶體管任一工作狀態(tài)(正向有源、飽和、截止、反向工作)對均勻基區(qū)，可以證明在E-M方程中存在一互易關(guān)系,即共基極連接時外加VEB引起的電流IC（VCB=0）等于數(shù)值相等的外加VCB引起的電流IE（VEB=0）

。（2-122）其本質(zhì)是：EB結(jié)和CB結(jié)有共同部分---基區(qū)，

無論哪一個結(jié)短路，

另一個結(jié)的反向飽和電流都含有共同部分----基區(qū)少子電流E-M模型(Ebers-Mollmodel)是用來概括BJT的電學(xué)特性的一種模型（或者等效電路）。理想BJT的E-M模型，是一種非線性直流模型（記為EM1模型），對直流分析很有用處。如果再計入非線性電荷存儲效應(yīng)和串聯(lián)電阻，則記為EM2模型，該模型在集成電路分析設(shè)計等許多場合經(jīng)常使用（因為模擬精度高、建模簡易、快速、結(jié)果易理解等）。進(jìn)一步，若再計入BJT的各種二級效應(yīng)（如基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)、基區(qū)展寬效應(yīng)、溫度的影響等），則得到EM3模型。EM3模型與所謂G-P模型（Gummel-Poonmodel）是等價的，模擬精度很高，但較為復(fù)雜，故這種模型只有在要求較高精度時才使用。2、輸出特性曲線

BJT的特性曲線是指各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線，是對其直流特性的又一種描述方式。有共發(fā)射極、共基極和共集電極三種聯(lián)接方式，其中有實用價值，常用到的包括：共發(fā)射極和共基極的輸出特性、輸入特性以及轉(zhuǎn)移特性。（a）共發(fā)射極輸出特性（b）共基極輸出特性放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，及集電結(jié)反偏截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，及集電結(jié)反偏飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，及集電結(jié)正偏圖2-24硅NPN晶體管共發(fā)射極輸出特性理想情況實際情況共基極輸出特性共射極接法：IE=IC＋I(xiàn)B代入E-M方程ICE0＝ICB0/(1-αF)=(1+βF)ICB0，為基極開路(IB＝0)時，集電結(jié)的反向飽和電流。放大區(qū)：VCB》kT/q時代表等間隔的平行于橫軸的直線族飽和區(qū)：VBC≥0,E-M方程中第二項為負(fù)數(shù)，IC隨VBC的增加迅速下降。正向有源區(qū)和飽和區(qū)分界線在VBC＝0截止區(qū)：兩結(jié)反偏，只要流過集電結(jié)的反向飽和電流，正向有源區(qū)和截止區(qū)分界在VBE＝0，通常用IB＝0的曲線劃分正向有源區(qū)和截止區(qū)。2-169這些輸出特性曲線可以從E-M方程得到解釋：

放大區(qū)：|VCB|>>kT/q時，應(yīng)該是等間隔的平行于橫軸的直線族。IE=0時IC＝IcB0，而ICB0數(shù)值非常之小，所以通常看到的這一條線是和橫軸重合在一起的。共基接法：飽和區(qū)：VBC≥0,E-M方程中第二項為負(fù)數(shù)，IC隨VBC的增加迅速下降。正向有源區(qū)和飽和區(qū)分界線在VBC＝0截止區(qū)：兩結(jié)反偏，只有流過集電結(jié)的反向飽和電流，正向有源區(qū)和截止區(qū)分界在VBE＝0，通常用IE＝0的曲線劃分正向有源區(qū)和截止區(qū)。兩種輸出特性曲線的比較：

有相似之處，形狀相似，電流控制器件，I、II、III分別對應(yīng)有源放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。但也有區(qū)別：1.共射極電流放大系數(shù)比共基極的大的多。同樣的輸入電流變化，輸出電流變化大不一樣。例如：共E電流增益從0.99增大到0.998，共B電流增益從99增大到499。2.共B極電路的輸出電阻比共E極的大，共基極特性曲線的斜率比共射極的小，共射曲線末端上翹。這是由基區(qū)寬變效應(yīng)（Early效應(yīng))引起的。兩種輸出特性曲線的比較：

3.隨輸出端電壓的減小，由于共射極接法的電壓落在兩個結(jié)上，VCE=VCB+VBE，共射極曲線在VCE下降到零以前，輸出電流IC就已經(jīng)開始下降，而共基極特性曲線在VCB=0時還保持水平，要到VCB為負(fù)值時才開始下降。IE≠0，發(fā)射結(jié)正向偏壓VBE≈0.7V，VCE＜0.7V，VCB

＜0，集電結(jié)正偏，基區(qū)少子梯度減小，IC下降。4、輸入特性曲線圖2-25硅NPN晶體管（a）共E極輸入特性（b）共B極輸入特性理解：共發(fā)射極輸入特性：VCE=0，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)并聯(lián)，曲線過原點。當(dāng)集電結(jié)反偏，WB減小，基區(qū)復(fù)合減小，所以隨VCE的增加曲線右移，不過原點。VBE=0時，IB=IPE+IRB-ICB0=-ICB0共基極輸入特性：實際是pn結(jié)的特性，隨VCB的增加勢壘區(qū)向基區(qū)擴(kuò)展WB減小(Early效應(yīng))，少子在基區(qū)的梯度增加，IE增加，曲線左移。(a)(b)lnIB隨VBE變化關(guān)系可分作四個區(qū)：低電流非理想?yún)^(qū)，IB隨exp(qVBE/mkT)變化,m=1～2；理想?yún)^(qū)，IB隨exp(qVBE/kT)變化；中等電流區(qū)，基極電阻rb上的電壓降開始起作用；大注入?yún)^(qū)。4、轉(zhuǎn)移特性:最常見到的是共射極正向轉(zhuǎn)移特性，表示式為是在輸出電壓一定情況下，輸出電流與輸入電壓之間的關(guān)系曲線。(1)特性曲線傾斜：原因：表面漏電引起。表面沾污或材料缺陷多等引起集電結(jié)漏電。(2)特性曲線分散：只有IB=0的線是平坦的。原因：WB0太小，Early效應(yīng)。使輸出阻抗降低，并因增益不均勻引起信號失真，高壓時增益太高也會使晶體管工作的穩(wěn)定性降低，有礙于晶體管正常工作。一些異常特性曲線分析：(3)溝道漏電：C-E間疊加了溝道電流。溝道效應(yīng)是使pnp管較npn管難制造的重要原因。表面反型易形成n溝，橫向延伸增大了集電結(jié)面積，大大增加了漏電，破壞了結(jié)特性?？杉覲+切斷環(huán)。一些異常特性曲線分析(續(xù))：(4)低擊穿：但擊穿硬。原因：c-e穿通，或c-b結(jié)低擊穿。應(yīng)選缺陷少材料，工藝中注意消除毛刺、避免高濃度合金點。(5)管道型擊穿：這也是一種低擊穿，只不過第一次擊穿后在擊穿點附近形成了一個電阻型導(dǎo)電通道而得名。缺陷或開始過程中出現(xiàn)合金點，使雜質(zhì)開始快，pn結(jié)不平整，局部擊穿后，尖峰處成為電阻。一些異常特性曲線分析(續(xù))：一些異常特性曲線分析(續(xù))：(6)飽和壓降大：集電區(qū)或c-e間電極接觸