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1、微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 1信 息 工 程 學(xué) 院 姜 梅 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 目 錄 23 晶 體 管 的 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理 晶 體 管 的 電 流 放 大 特 性 晶 體 管 的 直 流 特 性 曲 線 晶 體 管 的 頻 率 特 性晶 體 管 的 開 關(guān) 特 性2145 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.1 晶 體 管 的 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 原 理 3.1.1晶 體 管 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 晶 體 管 就 有 兩 種 基 本 組 合

2、 形 式 ： P-N-P型 或 N-P-N型 ， 它 們 的 結(jié)構(gòu) 和 符 號(hào) 如 圖 所 示 ， 其 符 號(hào) 中 的 箭 頭 方 向 表 示 發(fā) 射 結(jié) 電 流 的 方 向 。 （ a） 管 芯 結(jié) 構(gòu) （ b） 符 號(hào) 晶 體 管 的 結(jié) 構(gòu) 和 符 號(hào) 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.1.2晶 體 管 的 制 備 與 雜 質(zhì) 分 布1. 合 金 晶 體 管 PNP型 合 金 管 結(jié) 構(gòu) 與 雜 質(zhì) 分 布 如 圖 所 示 合 金 晶 體 管 的 雜 質(zhì) 分 布 特 點(diǎn) ： 三 個(gè) 區(qū) 的 雜 質(zhì) 分 布 都 是均 勻 分 布 ， 基 區(qū) 的

3、雜 質(zhì) 濃 度 最 低 ， 其 發(fā) 射 結(jié) 和 集 電 結(jié)均 是 突 變 結(jié) 。 （ a） 管 芯 結(jié) 構(gòu) （ b） 雜 質(zhì) 分 布 鍺 合 金 晶 體 管 的 結(jié) 構(gòu) 與 雜 質(zhì) 分 布 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.1.2晶 體 管 的 制 備 與 雜 質(zhì) 分 布2. 平 面 晶 體 管 平 面 晶 體 管 結(jié) 構(gòu) 與 雜 質(zhì) 分 布 如 圖 所 示 平 面 工 藝 最 主 要 的 特 點(diǎn) 是 ： 利 用 SiO2穩(wěn) 定 的 化 學(xué) 性 能 ， 能 耐 高 溫 ， 具 有 掩 蔽雜 質(zhì) 原 子 擴(kuò) 散 和 良 好 的 絕 緣 性 能 ， 與

4、光 刻 技 術(shù) 相 配 合 ， 可 進(jìn) 行 選 擇 擴(kuò) 散 ， 這 樣 使平 面 晶 體 管 具 有 更 為 合 理 的 電 極 形 狀 ， 薄 的 基 區(qū) ， 鈍 化 的 表 面 ， 因 此 在 功 率 、 噪聲 、 穩(wěn) 定 性 、 可 靠 性 等 方 面 達(dá) 到 一 個(gè) 較 高 的 水 平 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.1.2晶 體 管 的 制 備 與 雜 質(zhì) 分 布3. 外 延 平 面 晶 體 管 在 平 面 晶 體 管 制 造 工 藝 的 基 礎(chǔ) 上 又 發(fā) 展 了 一 種 外 延 平 面 晶 體 管 。其 結(jié) 構(gòu) 與 雜 質(zhì) 分 布

5、 如 圖 所 示 由 圖 可 見 ， 雙 擴(kuò) 散 外 延 平 面 晶 體 管 的 基 片 電 阻 率 很 低 ， 集 電 極 串 聯(lián) 電 阻 很 小 ，使 集 電 極 飽 和 壓 降 減 小 ， 晶 體 管 可 做 得 很 小 ， 基 區(qū) 寬 度 Wb很 薄 ， 從 而 使 外 延 平 面晶 體 管 在 頻 率 特 性 、 開 關(guān) 速 度 和 功 率 等 方 面 都 有 很 大 的 提 高 與 改 善 ， 因 此 ， 成 為目 前 生 產(chǎn) 最 主 要 的 一 種 晶 體 管 。 （ a） 管 芯 結(jié) 構(gòu) （ b） 雜 質(zhì) 分 布 硅 外 延 平 面 管 結(jié) 構(gòu) 及 雜 質(zhì) 分 布 示 意 圖

6、微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.1.3晶 體 管 的 工 作 原 理 晶 體 管 最 重 要 的 作 用 是 具 有 放 大 電 信 號(hào) 的 能 力 。 為什 么 緊 靠 著 的 兩 個(gè) PN結(jié) 具 有 放 大 作 用 ？ 要 晶 體 管 具 有放 大 作 用 首 先 要 有 適 當(dāng) 的 電 路 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.1.3晶 體 管 的 工 作 原 理晶 體 管 的 放 大 能 力 基 區(qū) 厚 度 很 大 的 NPN結(jié) 構(gòu) 的 電 流 流 通 與 少 子 分 布 示 意 圖 微 電 子

7、學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 晶 體 管 的 放 大 能 力具 有 放 大 作 用 的 晶 體 管 在 結(jié) 構(gòu) 上 需 要 滿 足 什 么 條 件 呢 ？ 具 有 NPN或 PNP三 層 結(jié) 構(gòu) ； 基 區(qū) 寬 度 非 常 薄 ， 薄 的 程 度 遠(yuǎn) 小 于 非平 衡 少 子 的 擴(kuò) 散 長(zhǎng) 度 ； 發(fā) 射 區(qū) 的 雜 質(zhì) 濃 度 要 遠(yuǎn) 大 于 基 區(qū) 雜 質(zhì) 濃 度 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 晶 體 管 的 放 大 能 力 表 1給 出 了 型 號(hào) 為 3DG6晶 體 管 （ 硅 高 頻 小 功 率 管 ）

8、 ， 在 集 電 結(jié) UCC=6V條件 下 測(cè) 量 所 得 的 實(shí) 際 數(shù) 據(jù) 。晶 體 管 的 電 壓 放 大 系 數(shù) 為 ： 晶 體 管 的 功 率 放 大 應(yīng) 等 于 它 的 電 流 放 大 系 數(shù) 與 電 壓 放 大 系 數(shù) 的 乘 積 ， 表 1 晶 體 管 各 電 極 電 流 分 配 表發(fā) 射 極 電 流 IE（ mA) 1 2 3 4 5集 電 極 電 流 IC（ mA) 0.98 1.96 2.94 3.92 4.90基 極 電 流 IB（ mA) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 rRUUKU L入出 2L rRKP 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章

9、PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 11 3.2 晶 體 管 的 電 流 放 大 特 性 幾 點(diǎn) 假 設(shè) : n 發(fā) 射 結(jié) 和 集 電 結(jié) 均 為 理 想 的 突 變 結(jié) ， 且 結(jié) 面 積 相 等 （ 用 A表 示 ） ；n 各 區(qū) 雜 質(zhì) 為 均 勻 分 布 ， 載 流 子 僅 做 一 維 傳 輸 ， 不 考 慮 表 面 的 影 響 ；n 外 加 電 壓 全 部 降 落 在 PN結(jié) 勢(shì) 壘 區(qū) ， 勢(shì) 壘 區(qū) 以 外 不 存 在 電 場(chǎng) ；n 發(fā) 射 結(jié) 和 集 電 結(jié) 勢(shì) 壘 區(qū) 寬 度 遠(yuǎn) 小 于 少 子 擴(kuò) 散 長(zhǎng) 度 ， 且 不 存 在 載 流子 的 產(chǎn) 生 與 復(fù) 合 ， 因 而

10、通 過 勢(shì) 壘 區(qū) 的 電 流 不 變 ；n 發(fā) 射 區(qū) 和 集 電 區(qū) 的 寬 度 遠(yuǎn) 大 于 少 子 擴(kuò) 散 長(zhǎng) 度 ， 而 基 區(qū) 寬 度 遠(yuǎn) 小 于少 子 擴(kuò) 散 長(zhǎng) 度 ； n 注 入 基 區(qū) 的 少 子 濃 度 比 基 區(qū) 多 子 濃 度 低 得 多 ， 只 討 論 小 注 入 情 況 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.2.1 晶 體 管 的 能 帶 、 濃 度 分 布 及 載 流 子 的 傳 輸 3. 載 流 子 的 輸 運(yùn) 過 程 （ a） 少 子 分 布 示 意 圖 （ b） 載 流 子 輸 運(yùn) 過 程 示 意 圖 晶 體 管

11、中 載 流 子 分 布 及 其 輸 運(yùn) 過 程 示 意 圖 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3. 載 流 子 的 輸 運(yùn) 過 程 （ 1） 根 據(jù) 正 向 PN結(jié) 特 性 ， 發(fā) 射 區(qū) 注 入 基 區(qū) 靠 發(fā) 射 結(jié) 邊 界 X2處 的 電 子濃 度 為 由 基 區(qū) 注 入 發(fā) 射 區(qū) 靠 發(fā) 射 結(jié) 邊 界 X1處 的 空 穴 濃 度 為 （ 2） 根 據(jù) 反 向 PN結(jié) 特 性 ， 集 電 結(jié) 兩 邊 界 X3和 X4處 的 少 子 濃 度 分 別為 kTqUbb EenXn /02)( kTqU ee EepXp /01)( 0)( /0/03

12、 kTqUbkTqUbb CC enenXn 0)( /0/04 kTqUckTqUcc CC epepXp 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 14 3.2.2 晶 體 管 內(nèi) 的 電 流 傳 輸 與 各 端 電 流 的 形 成 1. 晶 體 管 內(nèi) 的 電 流 傳 輸 NPN型 晶 體 管 電 流 傳 輸 示 意 圖 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 15 2. 晶 體 管 各 端 電 流 的 形 成 （ 1） 發(fā) 射 極 電 流 IE 從 上 面 的 分 析 與 討 論 可 知 ， 發(fā) 射 極 的 正 向 電

13、流 IE是 由 兩 股 電流 組 成 的 ： IE=Ip(X1)+ In(X2) （ 3-8） （ 2） 基 極 電 流 IB 基 極 電 流 IB是 由 三 部 分 組 成 的 ： IB= Ip(X1)+ IVB-ICBO （ 3-9）由 于 通 常 情 況 下 I CBO要 比 Ip(X1)和 IVB小 很 多 ， 所 以 (3-9)式 可 近 似 表 示 為 IB Ip(X1)+ IVB （ 3-10） （ 3） 集 電 極 電 流 IC 通 過 集 電 結(jié) 和 集 電 區(qū) 的 電 流 主 要 有 兩 股 組 成 ： IC= In(X4)+ ICBO （ 3-11） 因 為 ICBO很

14、小 ， （ 3-11） 式 可 近 似 表 示 為 IC=In(X4) （ 3-12） 3.2.2 晶 體 管 內(nèi) 的 電 流 傳 輸 與 各 端 電 流 的 形 成 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 16 2. 晶 體 管 各 端 電 流 的 形 成 （ 4） 晶 體 管 三 端 電 流 之 間 的 關(guān) 系 由 上 面 的 分 析 可 以 得 出In(X2)= IVB + In(X3)= IVB+ In(X4) （ 3-13）將 （ 3-13） 式 代 入 （ 3-8） 式 ， 得IE= Ip(X1)+IVB+In(X4) （ 3-14）將 （ 3-9

15、） 式 與 （ 3-11） 式 相 加 ， 可 得IB+ IC= Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO= Ip(X1)+IVB+In(X4) （ 3-15）將 （ 3-15） 式 代 入 （ 3-14） 式 ， 得 IE=IB+ IC （ 3-16） 3.2.2 晶 體 管 內(nèi) 的 電 流 傳 輸 與 各 端 電 流 的 形 成 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 17 3.2. 3 晶 體 管 的 直 流 電 流 方 程 式 1. In(X2)的 表 達(dá) 式 In(X2)是 注 入 基 區(qū) 的 電 子 所 形 成 的 擴(kuò) 散 電 流 ，

16、 根 據(jù) 擴(kuò) 散 電 流 公 式 有 基 區(qū) 電 子 可 近 似 看 成 線 性 分 布 基 區(qū) 少 子 分 布 示 意 圖 dxxdnAqDXI bnbn )()( 2 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 18 根 據(jù) PN結(jié) 理 論 ， 基 區(qū) X2和 X3處 的 電 子 濃 度 分 別 為 基 區(qū) 電 子 分 布 函 數(shù) 為 那 么 基 區(qū) 電 子 的 擴(kuò) 散 電 流 In(X2)則 為 可 求 出 I n(X2)近 似 為 kTqUbb EenXn /02)( 0)( 3 Xnb kT/qUbbb Ee)Wx(n)x(n 10 kTqU b bnb

17、bnbn EeWnqDAdxxdnAqDXI /02 )()( ）（ 1)()( /02 kTqUb bnbbnbn EeW nqDAdxxdnAqDXI 3.2. 3 晶 體 管 的 直 流 電 流 方 程 式 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 19 3.2. 3 晶 體 管 的 直 流 電 流 方 程 式 2. Ip(X1)表 達(dá) 式 Ip(X1)是 在 發(fā) 射 結(jié) 正 偏 情 況 下 由 基 區(qū) 注 入 發(fā) 射 區(qū) 的 空 穴 擴(kuò) 散 電 流 。 根 據(jù) 正 向 PN結(jié)特 性 ， 邊 界 X1處 的 少 子 空 穴 濃 度 為 空 穴 擴(kuò) 散 電

18、流 為 kTqUeX /0e1e Ep)(p ）（ 1L p)( /pe 0epe1p E kTqUeqDAXI 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 20 3. IVB表 達(dá) 式 IVB是 注 入 基 區(qū) 的 電 子 與 基 區(qū) 中 的 空 穴 復(fù) 合 而 形 成 的 復(fù) 合 電 流 。 IVB=-q 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 在 基 區(qū) 中 復(fù) 合 的 電 子 數(shù) 在 只 考 慮 體 內(nèi) 復(fù) 合 的 情 況 下 nbVB q I 基 區(qū) 中 積 累 的 電 子 總 數(shù) ）（ 1nW21nxnAW21 Eb0bb02bb kT/qUeA)( ）（ 12 nAW

19、/nb 0bbVB E kTqUeqI 3.2. 3 晶 體 管 的 直 流 電 流 方 程 式 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 21 3.2. 3 晶 體 管 的 直 流 電 流 方 程 式 4. ICBO的 表 達(dá) 式 ICBO由 電 子 漂 移 電 流 和 空 穴 漂 移 電 流 IpCB兩 部 分 組 成 ， 即 ICBO=InCB+IpCB 若 晶 體 管 工 作 在 放 大 區(qū) ， 且 有 時(shí) ， ）（ 1WnDA Cb 0bnbnCB kT/qUeqI ）（ 1L pDA Cpc 0cpcpCB kT/qUeqI ）（ 1AA /P 0c

20、pcb 0bnbpCBnCBCBO C kTqUc eL pqDW nqDIII qTUC cL pqDWnqDI P 0cpcb 0bnbCBO AA 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 22 3.2. 3 晶 體 管 的 直 流 電 流 方 程 式 5. IE、 IC、 IB直 流 電 流 方 程 式 因 為 IE由 Ip(x1)和 In(x2)組 成 ， 所 以 因 為 I C= In(x4)+ ICBO= In(x2)- IVB + ICBO， 所 以 因 為 IB= Ip(x1)+ IVB - ICBO， 所 以 ）（ 1AA)()( /b 0b

21、nbpe 0epe2n1pE E kTqUeWnqDL pqDXIXII ）（）（ 1AA12AA /P 0cpcb 0bnb/nb 0bbb 0bnbC CE kTqUckTqU eL pqDWnqDe nWqWnqDI ）（）（ 1AA12AA /Pc 0cpcb 0bnb/nb 0bbpe 0epeB CE kTqUkTqU eL pqDWnqDe nWqL pqDI 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 23 3.2. 4 晶 體 管 的 直 流 電 流 放 大 系 數(shù) 1. 共 基 極 直 流 電 流 放 大 系 數(shù) 在 共 基 極 電 路 中 ，

22、 基 極 作 為 輸 入 和 輸 出 的 公 共 端 ， 共 基 極 連 接 方 式 如下 圖 所 示 。 NPN型 晶 體 管 的 共 基 極 連 接 ECII0 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 24 3.2. 4 晶 體 管 的 直 流 電 流 放 大 系 數(shù) 2. 共 發(fā) 射 極 直 流 電 流 放 大 系 數(shù) 在 共 發(fā) 射 極 電 路 中 發(fā) 射 極 作 為 輸 入 和 輸 出 的 公 共 端 ， 其 連 接 方 式 如 圖 所 示 。 NPN型 晶 體 管 的 共 發(fā) 射 極 連 接 BCII0 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 P

23、N結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 25 3.2. 4 晶 體 管 的 直 流 電 流 放 大 系 數(shù) 3. 共 集 電 極 直 流 電 流 放 大 系 數(shù) 共 集 電 極 電 流 放 大 系 數(shù) 4. 0與 0的 關(guān) 系 0和 0的 關(guān) 系 曲 線 10B BCBE I IIII 00CE CBC0 1 II III 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 26 3.3 晶 體 管 的 直 流 特 性 曲 線 3.3.1 共 基 極 連 接 直 流 特 性 曲 線下 圖 為 測(cè) 量 晶 體 管 共 基 極 直 流 特 性 曲 線 的 原 理 圖 。 圖 中 UEB

24、為 發(fā)射 極 和 基 極 之 間 的 電 壓 降 ， UCB為 集 電 極 和 基 極 之 間 的 電 壓 降 ，RE為 發(fā) 射 極 串 聯(lián) 電 阻 ， 可 控 制 UEB或 IE。 共 基 極 直 流 特 性 曲 線 測(cè) 量 原 理 電 路 圖 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 27 3.3.1 共 基 極 連 接 直 流 特 性 曲 線1.共 基 極 直 流 輸 入 特 性 曲 線 對(duì) 于 一 個(gè) 給 定 的 UCB， 改 變 UEB， 測(cè) 量 IE， 可 以 測(cè) 得 一 條 IE與 UEB的 關(guān) 系曲 線 ， 對(duì) 于 不 同 的 UCB值 ， 改

25、變 UEB測(cè) 量 IE， 可 測(cè) 得 一 組 IE與 UEB的 關(guān) 系曲 線 ， 稱 這 組 曲 線 為 共 基 極 直 流 輸 入 特 性 曲 線 ， 如 圖 （ a） 所 示 。 共 基 極 直 流 特 性 曲 線 （ a） 輸 入 特 性 曲 線 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 28 由 前 所 知 IE=Jp(X1)+ Jn(X2) AE式 中 Jp(X1)為 空 穴 擴(kuò) 散 電 流 密 度 ； Jn(X2)為 電 子 擴(kuò) 散 電流 密 度 ； AE為 發(fā) 射 結(jié) 面 積 。 Jp(X1)和 Jn(X2)都 隨 正 向 壓降 增 大 而 呈 指

26、 數(shù) 增 大 ， 因 此 IE也 必 然 與 UEB呈 指 數(shù) 規(guī) 律 增大 。在 同 樣 的 UEB下 ， IE隨 著 UCB的 增 大 而 增 大 ， 表 現(xiàn) 為 曲 線左 移 。 這 是 因 為 集 電 結(jié) 空 間 電 荷 區(qū) 的 寬 度 隨 著 UCB的 增 大而 展 寬 ， 結(jié) 果 引 起 了 有 效 基 區(qū) 寬 度 的 減 小 （ 有 效 基 區(qū) 寬度 隨 著 UCB的 增 大 或 減 小 而 減 小 或 增 大 的 現(xiàn) 象 ， 就 是 上 面所 討 論 過 的 基 區(qū) 寬 變 效 應(yīng) ） ， 使 得 在 同 樣 的 U EB下 ， 發(fā) 射區(qū) 注 入 基 區(qū) 的 少 子 濃 度 梯

27、 度 增 加 ， 流 速 加 快 ， IE增 大 。 3.3.1 共 基 極 連 接 直 流 特 性 曲 線 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 29 3.3.1 共 基 極 連 接 直 流 特 性 曲 線2. 共 基 極 直 流 輸 出 特 性 曲 線對(duì) 于 一 個(gè) 給 定 的 IE， 改 變 UCB， 測(cè) 量 IC， 可 得 到 一 條 IC-UCB之 間 的關(guān) 系 曲 線 。 對(duì) 于 固 定 的 不 同 的 IE， 改 變 UCB， 測(cè) 量 IC， 可 得 到 一 組不 同 的 IC-UCB的 曲 線 ， 稱 這 組 曲 線 為 共 基 極 直 流

28、輸 出 特 性 曲 線 ，如 圖 （ b） 所 示 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 30 3.3.2 共 發(fā) 射 極 連 接 直 流 特 性 曲 線下 圖 為 晶 體 管 共 發(fā) 射 極 直 流 輸 出 特 性 曲 線 的 測(cè) 試 原 理 電 路 圖 。 圖 中UBE為 基 極 與 發(fā) 射 極 間 壓 降 ； UCE為 集 電 極 與 發(fā) 射 極 間 壓 降 ； RB為基 極 串 聯(lián) 電 阻 ， 可 控 制 UBE或 IB。 測(cè) 量 共 發(fā) 射 極 直 流 特 性 曲 線 原 理 電 路 圖 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī)

29、 理 與 特 性 31 3.3.2 共 發(fā) 射 極 連 接 直 流 特 性 曲 線1. 共 發(fā) 射 極 直 流 輸 入 特 性 曲 線對(duì) 于 固 定 的 不 同 的 UCE， 改 變 UBE， 測(cè) 量 IB， 可 以 得 出 一 組 IB與UBE的 關(guān) 系 曲 線 ， 稱 這 組 曲 線 為 共 發(fā) 射 極 直 流 輸 入 特 性 曲 線 ，如 圖 （ a） 所 示 。 共 發(fā) 射 極 直 流 特 性 曲 線 （ a） 輸 入 特 性 曲 線 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 32 2. 共 發(fā) 射 極 直 流 輸 出 特 性 曲 線對(duì) 于 固 定 的

30、不 同 的 IB， 改 變 UCE， 測(cè) 量 IC， 可 得 出 一 組 IC與 UCE的 關(guān) 系曲 線 ， 稱 這 組 曲 線 為 共 發(fā) 射 極 的 輸 出 特 性 曲 線 ， 如 圖 （ b） 所 示 。 共 發(fā) 射 極 直 流 特 性 曲 線 （ b） 輸 出 特 性 曲 線 3.3.2 共 發(fā) 射 極 連 接 直 流 特 性 曲 線 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 33 比 較 共 基 極 與 共 發(fā) 射 極 兩 種 輸 出 特 性 曲 線 ， 可 以 看 到 兩 者 的 共 同 之 處 是 ： 當(dāng)輸 入 電 流 一 定 是 ， 兩 種 特

31、性 曲 線 的 輸 出 電 流 都 不 隨 輸 出 電 壓 的 增 加 而 變 化 ，只 有 當(dāng) 輸 入 電 流 改 變 了 輸 出 電 流 才 會(huì) 跟 著 變 化 。然 而 兩 種 輸 出 特 性 曲 線 之 間 也 存 在 許 多 不 同 的 地 方 。首 先 ， 共 發(fā) 射 極 電 路 的 電 流 放 大 系 數(shù) 要 比 共 基 極 的 大 得 多 。其 次 ， 共 基 極 電 路 的 輸 出 阻 抗 比 共 發(fā) 射 極 電 路 大 。 另 外 ， UCE的 減 小 對(duì) 輸 出 電 流 的 影 響 有 所 不 同 。 實(shí) 際 上 ， 共 基 極 與 共 發(fā) 射 極特 性 曲 線 在 輸

32、出 電 壓 減 小 時(shí) 的 下 降 所 反 映 的 是 同 一 個(gè) 物 理 過 程 ， 只 不 過 共 基極 電 路 的 輸 出 電 壓 就 是 U CB， 才 使 得 其 特 性 曲 線 的 下 降 發(fā) 生 在 輸 出 電 壓 更 ?。?負(fù) 值 時(shí) ） 的 區(qū) 域 。 3.3.3 共 基 極 與 共 發(fā) 射 極 輸 出 特 性 曲 線 的 比 較 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 34 3.4 晶 體 管 的 頻 率 特 性 3.4.1 晶 體 管 交 流 電 流 放 大 系 數(shù) （ a） 電 壓 偏 置 （ b）電 流 ic小 信 號(hào) 意 指 交 流

33、 電 壓 和 電 流 的 峰 值小 于 直 流 的 電 壓 、 電 流 值 。 當(dāng) 一 個(gè)小 信 號(hào) 附 加 在 輸 入 電 壓 上 時(shí) ， 基 極電 流 ib將 會(huì) 隨 時(shí) 間 變 化 而 成 為 一 個(gè)時(shí) 間 函 數(shù) ， 基 極 電 流 的 變 化 使 得 輸出 電 流 ic跟 隨 變 化 ， 最 終 實(shí) 現(xiàn) 輸 入信 號(hào) 的 放 大 。所 謂 晶 體 管 的 交 流 頻 率 特 性 是 指 一 個(gè)小 交 流 信 號(hào) 重 疊 在 一 個(gè) 直 流 信 號(hào) 基 礎(chǔ)的 情 況 ， 如 圖 所 示 ， 交 流 信 號(hào) 為 正 弦 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與

34、 特 性 35 3.4.1 晶 體 管 交 流 電 流 放 大 系 數(shù)1.共 基 極 交 流 放 大 系 數(shù)共 基 極 交 流 放 大 系 數(shù) 定 義 為 ： 在 共 基 極 運(yùn) 用 時(shí) ， 集 電 極（ 輸 出 端 ） 交 流 短 路 ， 集 電 極 的 輸 出 交 流 小 信 號(hào) 電 流ic與 發(fā) 射 極 的 輸 入 交 流 小 信 號(hào) 電 流 ie之 比 （ 用 小 寫 字母 代 表 小 信 號(hào) 交 流 電 流 ） ， 即 ceiia =在 低 頻 下 ， 電 流 放 大 與 工 作 頻 率 無 關(guān) 。 但 在 頻 率 較高 下 ， 考 慮 到 相 位 關(guān) 系 ， 為 復(fù) 數(shù) ， 通 常

35、 所 說 的 的 大小 是 指 它 的 模 值 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.4.1 晶 體 管 交 流 電 流 放 大 系 數(shù)2 共 發(fā) 射 極 交 流 放 大 系 數(shù) 共 發(fā) 射 極 交 流 放 大 系 數(shù) 定 義 為 ： 在 共 發(fā) 射 極 運(yùn) 用 時(shí) ， 集電 極 （ 輸 出 端 ） 交 流 短 路 ， 集 電 極 的 輸 出 交 流 小 信 號(hào) 電流 ic與 基 極 的 輸 入 交 流 小 信 號(hào) 電 流 ib之 比 ， 即同 樣 ， 也 是 復(fù) 數(shù) 。 在 交 流 小 信 號(hào) 工 作 條 件 下 ， 晶 體 管端 電 流 與 之

36、間 仍 有 如 下 關(guān) 系 式 i e=ic+ib bcii -1 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 37 電 流 增 益 也 常 用 分 貝 （ dB） 表 示 ， 即(dB)=20lg (dB)=20lg 由 于 與 是 在 集 電 極 交 流 短 路 的 條 件 下 定 義 的 ， 因 此 也稱 為 交 流 短 路 電 流 增 益 。 3.4.1 晶 體 管 交 流 電 流 放 大 系 數(shù) 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 38 3.4.2 晶 體 管 頻 率 特 性 參 數(shù)隨 著 晶 體 管 工 作 頻 率

37、 的 增 高 ， 晶 體 管 的 電 學(xué) 性 能 會(huì) 發(fā) 生 很 大變 化 ， 主 要 表 現(xiàn) 為 電 流 增 益 和 功 率 增 益 的 下 降 。 下 圖 示 出 典型 的 電 流 增 益 隨 頻 率 變 化 關(guān) 系 的 簡(jiǎn) 圖 ， 其 中 縱 坐 標(biāo) 是 以 分 貝表 示 電 流 放 大 系 數(shù) 。 電 流 放 大 系 數(shù) 與 頻 率 的 關(guān) 系 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 39 3.4.2 晶 體 管 頻 率 特 性 參 數(shù)從 晶 體 管 的 頻 率 響 應(yīng) 特 性 定 義 以 下 幾 個(gè) 參 數(shù) ， 用 于 描 述 其 高頻 性 能 。

38、1.截 止 頻 率 ff定 義 為 共 基 極 短 路 電 流 放 大 系 數(shù) 下 降 到 低 頻 的 所 對(duì) 應(yīng) 的頻 率 ， 即 時(shí) 所 對(duì) 應(yīng) 的 頻 率 ， 此 時(shí) 的 分 貝 值 比 下降 3dB， f反 映 了 共 基 極 運(yùn) 用 的 頻 率 限 制 。 0a 0a 2. 截 止 頻 率 f f定 義 為 共 發(fā) 射 極 電 流 放 大 系 數(shù) 下 降 到 低 頻 0的 時(shí) 所 對(duì) 應(yīng) 的頻 率 。 或 者 說 ， f為 比 0下 降 3dB時(shí) 所 對(duì) 應(yīng) 的 頻 率 。20 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 40 3.4.2 晶 體 管 頻

39、 率 特 性 參 數(shù)3. 特 征 頻 率 fT 在 共 發(fā) 射 極 運(yùn) 用 時(shí) ， 截 止 頻 率 f還 不 能 完 全 反 映 晶 體 管使 用 頻 率 的 上 限 ， 也 就 是 說 當(dāng) 工 作 頻 率 等 于 f時(shí) ， 值 還可 能 相 當(dāng) 大 。 為 了 更 好 地 表 示 共 發(fā) 射 極 運(yùn) 用 晶 體 管 具 有電 流 放 大 作 用 的 最 高 頻 率 限 制 ， 引 進(jìn) 了 特 征 頻 率 fT的 概念 。 特 征 頻 率 fT定 義 為 共 發(fā) 射 極 電 流 放 大 系 數(shù) =1時(shí) 所 對(duì) 應(yīng) 的 頻 率 。 顯 然 ， 當(dāng) 工 作 頻 率 等 于 f T時(shí) ， 晶 體 管

40、 不 再 具 有 電 流 放 大作 用 ， 由 此 說 明 特 征 頻 率 fT是 判 斷 晶 體 管 是 否 能 起 電 流放 大 作 用 的 一 個(gè) 重 要 依 據(jù) ， 也 是 晶 體 管 電 路 設(shè) 計(jì) 的 一 個(gè)重 要 參 數(shù) 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 41 3.4.2 晶 體 管 頻 率 特 性 參 數(shù)4. 最 高 振 蕩 頻 率 fMfT還 不 是 晶 體 管 工 作 頻 率 的 最 終 限 制 。 為 此 ， 再 引 入 一個(gè) 最 高 振 蕩 頻 率 fM的 概 念 。 最 高 振 蕩 頻 率 fM定 義 為 共 發(fā)射 極 運(yùn)

41、用 時(shí) ， 功 率 增 益 等 于 1時(shí) 所 對(duì) 應(yīng) 的 頻 率 。 可 見 fM是 晶 體 管 工 作 頻 率 的 最 終 限 制 ， 此 時(shí) 晶 體 管 的 輸 出 功 率等 于 輸 入 功 率 。 f M不 僅 表 示 晶 體 管 具 有 功 率 放 大 作 用 的 頻 率 極 限 ， 也 是晶 體 管 使 用 頻 率 的 最 高 上 限 ， 若 工 作 頻 率 超 過 fM， 晶 體管 失 去 任 何 放 大 作 用 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 42 3.4.3 交 流 電 流 放 大 系 數(shù) 隨 頻 率 變 化 的 物 理 原 因首

42、先 給 出 高 頻 時(shí) 輸 出 電 流 ic幅 度 變 化 和 相 移 示 意 圖 ， 如 圖 所示 ， 以 作 為 頻 率 對(duì) 晶 體 管 交 流 電 流 放 大 影 響 的 感 性 認(rèn) 識(shí) 。高 頻 下 輸 出 電 流 幅 度 變 化 和 相 移 示 意 圖 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 43 3.4.3 交 流 電 流 放 大 系 數(shù) 隨 頻 率 變 化 的 物 理 原 因2. 交 流 小 信 號(hào) 電 流 的 傳 輸 過 程以 NPN晶 體 管 為 例 分 為 四 個(gè) 階 段 闡 述 交 流 電 流 的 傳 輸 過 程 ， 如 圖所 示 。 并

43、 且 引 入 新 的 中 間 參 量 來 描 述 每 個(gè) 傳 輸 過 程 的 效 率 。 晶 體 管 交 流 小 信 號(hào) 電 流 傳 輸 示 意 圖 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 44 發(fā) 射 極 交 流 小 信 號(hào) 電 流 由 三 部 分 組 成 ， 即1 1( ) ( )e n p CTei i X i X i= + +式 中 的 iCTe為 發(fā) 射 結(jié) 結(jié) 電 容 分 流 電 流 。 由 此 可 得 出 交 流 發(fā) 射效 率 的 表 達(dá) 式 為 11 ( )( ) 1 pn CTee e ei Xi X ii i ig = = = - -顯 然

44、 ， 信 號(hào) 頻 率 越 高 ， 結(jié) 電 容 分 流 電 流 iCTe越 大 ， 交 流 發(fā) 射效 率 越 低 。 此 外 ， 由 于 對(duì) 發(fā) 射 結(jié) 勢(shì) 壘 電 容 充 放 電 需 要 一 定的 時(shí) 間 ， 因 而 使 電 流 在 發(fā) 射 過 程 產(chǎn) 生 延 遲 。3.4.3 交 流 電 流 放 大 系 數(shù) 隨 頻 率 變 化 的 物 理 原 因(1)發(fā) 射 階 段 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 45 3.4.3 交 流 電 流 放 大 系 數(shù) 隨 頻 率 變 化 的 物 理 原 因（ 2） 基 區(qū) 輸 運(yùn) 階 段以 iCDe表 示 擴(kuò) 散 電 容

45、 分 流 電 流 ， in(X3)表 示 輸 運(yùn) 到 基 區(qū) 集 電結(jié) 邊 界 的 電 子 電 流 ， 則 注 入 到 基 區(qū) 的 電 子 電 流 in(X2)= in(X3)+ iVB+iCDe 交 流 情 況 下 基 區(qū) 輸 運(yùn) 系 數(shù) 可 定 義 為 * 32 3 3( ) 1( ) ( ) ( )n VB CDen n ni X i Ii X i X i Xb = = - -因 此 ， 頻 率 越 高 分 流 電 流 iCDe越 大 ， 到 達(dá) 集 電 結(jié) 的 有 用 電子 in(X3)越 小 ， 基 區(qū) 輸 運(yùn) 系 數(shù) 越 小 。 同 樣 ， 對(duì) CCDe的 充 放電 時(shí) 間 也 對(duì)

46、 信 號(hào) 產(chǎn) 生 一 定 延 遲 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 46 3.4.3 交 流 電 流 放 大 系 數(shù) 隨 頻 率 變 化 的 物 理 原 因（ 3） 集 電 極 勢(shì) 壘 渡 越 階 段為 了 描 述 到 達(dá) X4邊 界 in(X4)的 減 小 ， 引 入 集 電 結(jié) 勢(shì) 壘 區(qū) 輸 運(yùn)系 數(shù) d， 它 定 義 為 流 出 與 流 入 集 電 結(jié) 勢(shì) 壘 區(qū) 的 電 子 電 流 之 比 ，即 4 3( )( )nd ni Xi Xb =（ 4） 通 過 集 電 區(qū) 階 段 最 終 到 達(dá) 集 電 極 的 電 子 電 流 大 小 為為 了

47、 描 述 該 過 程 電 流 的 損 失 ， 引 入 集 電 區(qū) 衰 減 因 子 這 一 概念 ， 其 表 達(dá) 式 為 4 1( )c c CTcc n c CTc ci i ii X i i ia = = = -+ 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 47 綜 上 所 述 ， 與 直 流 電 流 傳 輸 情 況 相 比 ， 在 交 流 小 信 號(hào) 電流 的 傳 輸 過 程 中 ， 增 加 了 四 個(gè) 信 號(hào) 電 流 損 失 途 徑 ： 發(fā) 射 結(jié) 發(fā) 射 過 程 中 的 勢(shì) 壘 電 容 充 放 電 電 流 ； 基 區(qū) 輸 運(yùn) 過 程 中 擴(kuò) 散 電 容

48、的 充 放 電 電 流 ； 集 電 結(jié) 勢(shì) 壘 區(qū) 渡 越 過 程 中 的 衰 減 ； 集 電 區(qū) 輸 運(yùn) 過 程 中 對(duì) 集 電 結(jié) 勢(shì) 壘 電 容 的 充 放 電 電 流 。上 述 四 個(gè) 分 流 電 流 均 隨 著 信 號(hào) 頻 率 的 升 高 而 增 加 ， 使 輸 運(yùn)到 集 電 極 電 流 ic減 小 和 電 流 增 益 下 降 ； 同 時(shí) 對(duì) 電 容 的 充 放 電均 需 要 一 定 的 時(shí) 間 ， 使 信 號(hào) 產(chǎn) 生 延 遲 ， 導(dǎo) 致 輸 入 信 號(hào) 與 輸出 信 號(hào) 存 在 相 位 差 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.4.4 晶

49、 體 管 高 頻 等 效 電 路1. 發(fā) 射 結(jié) 和 發(fā) 射 區(qū)發(fā) 射 結(jié) 正 向 偏 壓 的 改 變 會(huì) 引 起 三 個(gè) 結(jié) 果 ： 引 起 發(fā) 射 結(jié) 空間 電 荷 區(qū) 空 間 電 荷 量 的 變 化 ， 這 一 變 化 可 用 發(fā) 射 結(jié) 勢(shì) 壘電 容 CTe來 等 效 ； 引 起 了 發(fā) 射 極 電 流 的 變 化 ， 這 一 變 化的 大 小 可 以 用 發(fā) 射 結(jié) 動(dòng) 態(tài) 電 阻 re來 等 效 ； 引 起 了 基 區(qū) 、發(fā) 射 區(qū) 貯 存 電 荷 的 變 化 ， 這 一 變 化 可 用 發(fā) 射 結(jié) 擴(kuò) 散 電 容CDe來 等 效 。發(fā) 射 結(jié) 的 作 用 可 以 用 r e、 C

50、Te、 CDe的 并 聯(lián) 來 等 效 ， 如 下 圖所 示 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 發(fā) 射 結(jié) 和 發(fā) 射 區(qū) 的 等 效 電 路 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 2. 集 電 結(jié) 和 集 電 區(qū)與 發(fā) 射 結(jié) 同 樣 ， 可 用 集 電 結(jié) 勢(shì) 壘 電 容 CTc、 擴(kuò) 散 電 容CDc和 動(dòng) 態(tài) 電 阻 rc來 描 述 ， 并 且 集 電 結(jié) 可 用 三 者 并 聯(lián)來 等 效 ， 如 圖 所 示 。 集 電 結(jié) 和 集 電 區(qū) 的 等 效 電 路 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié)

51、 的 機(jī) 理 與 特 性 3. 基 區(qū) 基 區(qū) 貯 存 電 荷 的 改 變 已 經(jīng) 由 擴(kuò) 散 電 容 所 描 述 。 晶 體 管的 基 極 電 流 是 一 股 平 行 于 結(jié) 平 面 方 向 流 動(dòng) 的 多 子 電 流 ，它 將 在 基 區(qū) 橫 向 產(chǎn) 生 電 位 降 ， 基 區(qū) 的 這 一 作 用 可 用 一 個(gè)電 阻 來 等 效 ， 這 一 等 效 電 阻 稱 為 基 極 電 阻 ， 用 rb表 示 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 4. 晶 體 管 共 基 極 高 頻 等 效 電 路通 過 上 述 分 析 ， 立 即 可 得 到 晶 體 管

52、共 基 極 “ T”型 等 效 電路 。 如 果 CTe、 CDe并 聯(lián) 后 的 電 容 用 Ce代 表 、 CTc、 CDc并 聯(lián)后 的 電 容 用 Cc代 表 ， 則 得 到 晶 體 管 共 基 極 高 頻 等 效 電 路 圖所 示 。 晶 體 管 共 基 極 高 頻 等 效 電 路 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 5. 晶 體 管 共 發(fā) 射 極 高 頻 等 效 電 路將 共 基 極 晶 體 管 高 頻 “ T”型 等 效 電 路 中 的 基 極 與 發(fā) 射 極 交換 ， 恒 流 源 用 ib去 代 替 ie， 就 可 得 到 共 發(fā) 射 極 晶

53、 體 管 高 頻“ T”型 等 效 電 路 ， 如 圖 所 示 。 在 此 需 要 說 明 的 是 ， 與 *ib并 聯(lián) 的 電 阻 縮 小 為 原 來 的 1/（ 1+） ， 而 電 容 則 擴(kuò) 大 為 原來 的 （ 1+） 倍 。 晶 體 管 共 發(fā) 射 極 高 頻 等 效 電 路 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.5晶 體 管 的 開 關(guān) 特 性 3.5.1 晶 體 管 的 開 關(guān) 作 用1. 從 開 關(guān) 電 路 論 晶 體 管 的 開 關(guān) 作 用 晶 體 管 開 關(guān) 電 路 原 理 圖 晶 體 管 開 關(guān) 輸 入 和 輸 出 波 形 微 電

54、子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 2. 從 晶 體 管 的 輸 出 特 性 曲 線 論 晶 體 管 的 開 關(guān) 作 用 晶 體 管 共 發(fā) 射 極 輸 出 特 性 曲 線 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.5.2 晶 體 管 的 開 關(guān) 工 作 區(qū) 域1. 飽 和 區(qū) 的 主 要 特 點(diǎn)晶 體 管 處 于 飽 和 區(qū) （ 開 態(tài) ） 的 主 要 特 點(diǎn) 是 ： 發(fā) 射 結(jié) 為 正向 偏 置 ， 集 電 結(jié) 也 是 正 向 偏 置 （ 或 零 偏 置 ） ； 集 電 極 電流 IC接 近 飽 和 值 ICSUCC/RL

55、飽 和 狀 態(tài) 又 分 為 臨 界 飽 和 與 深 飽 和 。 集 電 結(jié) UBC=0的 情 況稱 為 臨 界 飽 和 ； 當(dāng) 集 電 結(jié) 偏 壓 UBC0時(shí) ， 稱 為 深 飽 和 晶 體 管 進(jìn) 入 深 飽 和 狀 態(tài) 后 ， 其 深 飽 和 的 程 度 可 用 飽 和 深 度 S來 表 示 。 飽 和 深 度 S定 義 為 LCC BCS B RU II IS / 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 2. 截 止 區(qū) 的 主 要 特 點(diǎn)在 晶 體 管 輸 出 特 性 曲 線 上 ，IB=0對(duì) 應(yīng) 的 特 性 曲 線 下 面 的部 分 叫 截 止 區(qū)

56、。 截 止 區(qū) 的 主要 特 點(diǎn) 是 發(fā) 射 結(jié) 處 于 反 向 偏壓 （ 或 零 偏 壓 ） ， 集 電 結(jié) 也處 于 反 向 偏 壓 。 晶 體 管 截 止 態(tài) 電 流 傳 輸 情 況 示 意 圖 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.5.3 晶 體 管 的 開 關(guān) 波 形 和 開 關(guān) 時(shí) 間 晶 體 管 的 開 關(guān) 波 形 （ a） 輸 入 電 壓 波 形 （ b） 基 極 電 流 波 形 （ c） 集 電 極 電 流 波 形 （ d） 輸 出 電 壓 波 形 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 各 個(gè) 階 段

57、 所 需 要 的 時(shí) 間 定 義 如 下 延 遲 時(shí) 間 td： 從 基 極 有 正 信 號(hào) 輸 入 開 始 ， 到 集 電極 電 流 IC上 升 到 最 大 值 ICS的 0.1倍 為 止 ， 這 段 時(shí) 間 稱為 延 遲 時(shí) 間 ， 記 作 td， 等 于 t1-t0 上 升 時(shí) 間 tr： 集 電 極 電 流 由 0.1ICS上 升 到 0.9ICS為止 所 需 要 的 時(shí) 間 為 上 升 時(shí) 間 ， 記 作 tr， 等 于 t2-t1 。 貯 存 時(shí) 間 ts： 從 輸 入 信 號(hào) Uin變 負(fù) （ 變 為 低 電 平 或負(fù) 脈 沖 開 始 ） ， 到 集 電 極 電 流 IC下 降

58、為 0.9ICS為 止 所需 要 的 時(shí) 間 稱 為 儲(chǔ) 存 時(shí) 間 。 記 作 ts， 即 t4-t3 。 下 降 時(shí) 間 tf： 集 電 極 電 流 IC從 0.9ICS下 降 到 0.1ICS所 需 要 的 時(shí) 間 ， 記 作 t f， 即 t5-t4 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.5.4 晶 體 管 的 開 關(guān) 過 程 和 影 響 開 關(guān) 時(shí) 間 的 因 素1. 延 遲 過 程 和 延 遲 時(shí) 間 延 遲 階 段 基 區(qū) 少 子 濃 度 分 布 延 遲 時(shí) 間 td的 長(zhǎng) 短 取 決 于 基極 電 流 對(duì) 發(fā) 射 結(jié) 和 集 電 結(jié)

59、電 容充 電 的 快 慢 ， 所 以 縮 短 延 遲 時(shí)間 的 辦 法 是 ： 減 少 發(fā) 射 結(jié) 、 集 電 結(jié) 的 結(jié)面 積 ， 以 減 少 結(jié) 電 容 CTe和 CTc； 增 大 基 極 注 入 電 流 ， 使 勢(shì)壘 電 容 充 電 過 程 加 快 ； 晶 體 管 關(guān) 斷 時(shí) ， 給 基 極 施加 的 負(fù) 脈 沖 幅 度 盡 可 能 小 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 2. 上 升 過 程 和 上 升 時(shí) 間 tr 上 升 過 程 中 基 區(qū) 電 子 濃 度 梯 度 的 增 加 縮 短 上 升 時(shí) 間 的 辦 法 是 ： 減 小 結(jié) 面 積

60、AE和 AC， 以 減 小CTe和 CTc； 減 小 基 區(qū) 寬 度 ， 能 盡 快 建 立起 所 需 少 子 濃 度 梯 度 ； 增 大 基 極 注 入 電 流 ， 使 勢(shì) 壘電 容 充 電 過 程 加 快 ， 但 也 要 兼 顧深 飽 和 問 題 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3. 貯 存 電 荷 和 貯 存 時(shí) 間 晶 體 管 飽 和 態(tài) 時(shí) 的 電 荷 分 布 示 意 圖 減 少 貯 存 時(shí) 間 ， 可 以 采 取 以下 方 法 ： 在 保 證 晶 體 管 進(jìn) 入 飽 和 區(qū)的 前 提 下 ， 基 極 驅(qū) 動(dòng) 電 流 IB不要 過 大 ，

61、 避 免 晶 體 管 進(jìn) 入 深 飽和 的 程 度 太 深 ； 增 大 基 極 抽 取 電 流 IB， 使超 量 存 貯 電 荷 快 速 抽 走 ； 縮 短 集 電 區(qū) 少 子 空 穴 壽 命 。集 電 區(qū) 空 穴 壽 命 越 短 ， 集 電 區(qū)貯 存 的 空 穴 電 荷 也 就 越 少 。 而實(shí) 現(xiàn) 這 一 措 施 的 辦 法 是 向 晶 體管 中 摻 金 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 4. 下 降 過 程 和 下 降 時(shí) 間 tf縮 短 下 降 時(shí) 間 的 辦 法 有 ： 減 小 CTe、 CTc及 壽 命 ， 減 小 下 降 過 程 需 要

62、 由 IB抽 走的 電 荷 量 ； 增 大 IB， 縮 短 抽 取 速 度 。 在 考 慮 改 變 IB時(shí) ， 一 定 要兼 顧 其 他 方 面 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.5.5 提 高 晶 體 管 開 關(guān) 速 度 的 途 徑1. 晶 體 管 內(nèi) 部 考 慮 摻 金 。 尤 其 是 對(duì) NPN管 摻 金 更 為 有 利 。 它 既 不 影 響 電 流 增益 又 可 有 效 的 減 小 集 電 區(qū) 少 子 空 穴 的 壽 命 ， 進(jìn) 而 減 少 飽和 時(shí) 超 量 貯 存 電 荷 Qc， 同 時(shí) 加 速 Qc的 復(fù) 合 。 采 用 外 延 結(jié)

63、 構(gòu) 。 在 保 證 集 電 結(jié) 耐 壓 的 前 提 下 ， 盡 量 減 薄 外延 層 厚 度 ， 降 低 外 延 層 電 阻 率 。 這 樣 既 可 以 減 小 集 電 區(qū) 少子 壽 命 ， 限 制 Qc， 又 可 降 低 飽 和 壓 降 UCES。 減 小 結(jié) 面 積 。 這 可 有 效 的 縮 短 td、 tr和 tf。 但 結(jié) 面 積 的 最 小 尺寸 受 集 電 極 最 大 電 流 ICM及 工 藝 水 平 的 限 制 。 盡 量 減 小 基 區(qū) 寬 度 ， 進(jìn) 而 減 小 Q b， 可 使 tr和 tf大 大 降 低 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理

64、 與 特 性 2. 晶 體 管 外 部 考 慮 加 大 IB， 以 縮 短 td和 tr， 但 太 大 會(huì) 使 飽 和 過 深 ， 一 般 控 制S=4來 選 擇 適 當(dāng) 的 IB。 加 大 IB， 反 向 抽 取 快 ， 可 縮 短 ts和 tf， 但 應(yīng) 選 在 RB允 許 的 范圍 內(nèi) 。 晶 體 管 可 工 作 在 臨 界 飽 和 狀 態(tài) 。 這 樣 就 不 會(huì) 有 超 量 貯 存 電荷 Qb和 Qc， ts=0， 但 此 時(shí) C、 E之 間 的 壓 降 UCE較 高 ， 接 近0.7V， 是 否 可 以 要 視 電 路 條 件 而 定 。 在 UCC與 IB一 定 時(shí) ， 選 擇 較

65、 小 的 RL可 使 晶 體 管 不 進(jìn) 入 太 深的 飽 和 狀 態(tài) ， 有 利 于 縮 短 ts。 但 RL太 小 會(huì) 使 ICS增 大 ， 從 而 延長(zhǎng) 了 t r和 tf， 并 增 加 了 功 耗 。 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 3.5.6 開 關(guān) 晶 體 管 的 正 向 壓 降 與 飽 和 壓 降1. 晶 體 管 共 發(fā) 射 極 正 向 壓 降 UBES晶 體 管 共 發(fā) 射 極 正 向 壓 降 ， 是 指 晶體 管 處 于 飽 和 狀 態(tài) 時(shí) ， 基 極 和 發(fā)射 極 之 間 的 電 壓 降 ， 用 UBES表 示 晶 體 管 的 共

66、發(fā) 射 極 正 向 壓 降 UBES由 下面 幾 部 分 組 成 ： 發(fā) 射 結(jié) 本 身 的 壓 降 Uje， 它 是 由 發(fā)射 極 電 流 IE的 大 小 決 定 的 ； 基 極 電 阻 上 的 壓 降 I Brb； 發(fā) 射 極 串 聯(lián) 電 阻 res上 的 壓 降 IEres， 即UBES=Uje+IBrb+IEres 晶 體 管 正 向 壓 降 與 飽 和 壓 降 微 電 子 學(xué) 基 礎(chǔ) 理 論 第 2章 PN結(jié) 的 機(jī) 理 與 特 性 2. 晶 體 管 共 發(fā) 射 極 飽 和 壓 降 UCES 晶 體 管 的 共 發(fā) 射 極 飽 和 壓 降 UCES是 指 晶 體 管 處 于 飽 和 狀 態(tài) 時(shí) ，集 電 極 和 發(fā) 射 極 之 間 的 電 壓 降 。 影 響 UCES大 小 的 主 要 因 素 有 ： 在 飽 和 狀 態(tài) 時(shí) ， 發(fā) 射 結(jié) 上 的Uje和 集 電 結(jié) 上 的 壓 降 Ujc之 差 。 集 電 極 電 流 ICS在 集 電 區(qū) 體 電阻 rcs上 的 電 壓 降 。res比 rcs小 得 多 ， res上 的 壓 降 可以 忽 略 ， 因 此 U CES可 寫