双极性晶体管-BJT直流特性.pdf
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双极晶体管BJT直流特性双极晶体管的结构及物理参数理想晶体管的电流传输实际晶体管(双扩散tr或离子注入扩散)的电流增益必须考虑的因素小电流工作条件下,电流增益下降的现象E-M方程大电流效应基区宽度调制效应BJT的其他直流参数双极晶体管BJT直流特性1.双极晶体管的结构及物理参数EBB0xPNNNEmitterBasexNNN-PxjexjcxjexjcxWBWCWE经过补偿以后的杂质分布双极晶体管BJT直流特性横向参数横向参数基区尺寸:
(集电极的尺寸)用AC表示;将由芯片的大小决定,而高频器件必须考虑对频率参数的影响。
发射区尺寸:
用AE表示;发射区的图形必须在基区以内,发射区的设计是晶体管版图设计最重要的部分。
接触空尺寸:
将考虑工艺能力,参数要求,尽量小的接触电阻,考虑电流的均匀性和器件工作的可靠性。
金属Al图形:
金属必须包孔,并给Bonding留下Pad。
纵向参数纵向参数:
基区结深xjc:
(集电结的深度)xjcWEWB;由工艺决定发射结深xje:
xjeWE;由工艺决定外延层厚度tepi:
tepiWCWBWE;由材料决定各工艺过程中的氧化层的厚度;双极晶体管BJT直流特性物理参数:
物理参数:
发射区表面浓度NSE及其杂质分布:
高斯分布或余误差分布近似,由工艺决定,工艺上可以通过监控RE;发射区表面浓度NSB及其杂质分布:
高斯分布或余误差分布近似,由工艺决定,工艺上可以通过监控RB;外延层的掺杂浓度NC,衬底掺杂浓度Nsub,由材料决定;各区的电子、空穴的迁移率各区的少子寿命双极晶体管BJT直流特性2.理想晶体管中的电流传输,电流增益晶体管的四种工作状态:
正向有源区、反向有源区、截止区、饱和区正向有源区的载流子输运双极晶体管BJT直流特性正向有源区时,BE结正偏,BC结反偏。
当BE结正偏时,基区的多子空穴注入到发射区,形成JpE,与发射区多子在一个扩散长度内复合,当WELpE时,将在发射区欧姆接触处快速复合;而发射区大量的电子注入到基区,形成JnB;同时与基区的空穴复合,现代的晶体管,基区宽度很窄,满足WBLnB,大量的电子将扩散到反偏BC结的空间电荷区的边界,该区的电场将电子拉到集电极,形成Jnc;共基极的电流增益,可以表示为:
0*;0是发射效率,*是输运系数(另外一部分电流是BC结的反偏漏电流,对共基极应用的电流增益无影响)双极晶体管BJT直流特性分析理想BJT的电流增益的假设:
少子在基区中的运动是一维的;基区的苦奥度大于载流子的平均自由程,因此可以将载流子在基区的输运看着是扩散加漂移;在基区,准中性近似成立;载流子的迁移率是常数,引入平均迁移率代替;小注入;在分析注入效率时,忽略基区的复合;双极晶体管BJT直流特性EnBBpEEDEnBBABpEBABnBEDEpEkTqVBABinBnBkTqVEDEipEpEkTqVEpEnEpEpEnCrBrBnCnCnEnCnEpEpEnEnEEnEGDGDWNDWNDWNDWNDeWNnqDJeWNnqDLLLepqDdxxpdqDJJJJJJJJJJJJJJJBEBEBE+=+=+=p,故在其他条件都相同的情况下,pnp管的电流增益比npn管的电流增益小;从发射效率来看,可以得出同样的结论。
基区的少子寿命nB决定基区复合的快慢,的发射效率也低。
下,在其他条件相同的情况管,对于管,在发射效率中,对于PNPPNPNPNpBnEpBnEnBpEnBpEDDDD=222nBBnBLW双极晶体管BJT直流特性3.实际晶体管(双扩散tr或离子注入扩散)的电流增益必须考虑的因素双扩散的BJT的发射区和基区的掺杂浓度是不均匀的,因此:
根摩尔数有如下变化:
基区的非均匀掺杂,载流子扩散,根据电中性的要求,必然产生内建电场,造成对基区少子输运的影响。
经过理论分析,基区的渡越时间可表示为:
=00)()(EBWDEEDEEWABBABBNWdxxNGNWdxxNG替代替代FB是杂质分布有关的常数,对于加速场,(EC,NAB递减分布),FB1;事实上,双扩散晶体管的基区杂质分布先增后降,既存在减速场,也存在加速场。
BnBBBFLW=222双极晶体管BJT直流特性对于浅结晶体管,WELpE是成立的,在发射区扩散过程中,可以认为发射区的根摩尔数基本不变;对于一些高反压器件,这一个假设有可能带来很大的误差,应根据实际情况用LpE替代前面公式中的WE。
这样,发射区的根摩尔数不再是发射区的掺杂总量,随着发射区结深的增加,GE下降,发射效率降低。
为了提高晶体管的电流增益,常用的方法之一是加大发射区的掺杂浓度NDE(x);(另外一个方法是推发和结的结深,使得基区宽度下降,基区的根摩尔数下降,提高电流增益)但是,如果发射区的浓度很浓,还得考虑重掺杂效应。
重掺杂以后,杂质带带电,禁带宽度下降,导致本征载流子的浓度上升;必须用有效的发射区的浓度进行估计:
因此考虑重掺杂效应,发射区的有效浓度下降,发射效率下降。
5.0)10(ln10ln9)exp()()()(212171722+=DEDEggDEDEieiDENNEkTExNxNnnxN双极晶体管BJT直流特性实际平面晶体管的侧向注入:
EBB0PNNNInBILBILB内基区外基区当BE结正向偏置时,发射区的电子除了向内基区注入以外,还向外基区注入,侧向注入电流与BE结的正向压降有如下关系:
kTqVLBLBBEeII=0双极晶体管BJT直流特性由于外基区的宽度非常宽,通常比内基区的宽度大得多,注入到外基区得少子将在外基区重复合掉,到达不了BC结,被BC得反偏电场抽走,由集电极收集,因此电流增益中应增加一项:
)exp(2122kTqVILWGDGDIIBECnBBEnBBpECLB+=侧向注入电流与IC的比,主要取决于ILB0的大小,显然ILB0与发射结的侧面积成正比,与(qDnBnpB0/LnB)成正比。
实际晶体管的电流增益比只考虑发射效率和基区的输运系数来得小。
当然,进一步分析,这是个三维问题,更加复杂,只有用计算机进行模拟,提取模型参数,供用户使用。
双极晶体管BJT直流特性4.小电流工作条件下,电流增益下降的现象前面讨论的的各种情况,所有的电流表达式exp(qVBE/kt),电流增益是两个电流之比,所以得到电流增益与工作电流(或者说与VBE)无关。
事实上,电流增益随着工作电流的不同,增益是变化的:
IC影响小电流下,下降的原因大致有以下三个:
双极晶体管BJT直流特性发射区空间电荷区的复合BE结正偏时,空间电荷区中有注入的载流子,NPN管发射区的电子向基区注入时,首先通过发射结的势垒区,基区向发射区注入空穴时也是先通过势垒区;在势垒区,上述载流子通过复合中心复合,形成的电流只经过Emitter和Base区,就确定的VBE而言,势垒区中的复合电流存在与否,不影响Emitter向Base注入的少子电流;利用pn结中提到的势垒区的复合电流密度:
)2exp()2exp(20kTqVJkTqVqnJBErEBEEEirE=)exp()exp(02kTqVJAkTqVGnqDAIBECEBEBinBEC=式中的E是发射区的势垒区的宽度。
CrEFECCErEEeffBECErEEeffCrEIIhIJAJAkTqVJAJAII+=*2121000011)()exp(当IC足够高时,IrE/IC1/hFE,IrE对总的电流不起作用;但是,随着IC的减小,IrE/IC逐渐增大,不可忽略时,导致电流增益下降。
双极晶体管BJT直流特性基区的表面复合从发射区注入到基区的电流除了InB、侧向注入ILB,还有一部分就是ISB由于基区表面的复合,而消耗的注入电流:
EBSiO2NPISB)11(100*87000)(1130m/A1010r;r0.70.51+=ssssBEnCnCESBCSBCSBFEnESBESBskTnqVSBSBIJAIIIIIherPIPIneII而因此:
;,一般的,有关,、的常数和器件的置备工艺有关取决与发射区的周长而,的典型值为与发射区势垒区的复合有同样的结论,IC1/双极晶体管BJT直流特性r、PE决定ISB0,PE是由版图的设计确定,而r和由工艺提取的常数。
当Si-SiO2界面出现不同的问题时,ISB会大幅度上升。
这是BJT生产中出现小电流条件下,电流增益下降现象的主要原因。
发射区势垒区的复合电流是客观存在的,也是不可避免的;而表面的状态不良,导致的小电流下电流增益下降与工艺有关,表面的影响有一定的不确定性。
表面复合电流必须控制在可以接受的范围以内。
双极晶体管BJT直流特性发射区的重掺杂时的俄歇复合:
发射区的重掺杂除了引起禁带宽度变窄,发射区的有效掺杂浓度下降,电流增益并不能随着NDE(x)的上升而有效的增加,)exp()()(kTExNxNgDEDE=当发射区的掺杂浓度超过一定的程度时,有效掺杂浓度反而下降。
双极晶体管BJT直流特性另外,发射区的重掺杂时还引入俄歇复合,俄歇复合几率与载流子浓度有着密切的关系:
scmCCpnpCscmCCpnnChhhAugereeeAuger/102.1Auger);(1/107.1Auger);(163100206310020=复合的系数,是空穴为主使得复合的系数,是电子为主使得用SHR表示SHR复合的寿命,S表示总的少子寿命,则:
AugerSHRS111+=载流子的寿命下降,加大了:
发射区势垒区中的复合;基区的复合,大量的少子注入到基区以后,也出现了Auger复合;加剧了小电流下的电流增益下降。
*:
SHR复合、Auger复合及禁带宽度下降,对晶体管小电流电流增益下降的影响,各自的重要性与发射区的结深、注入的电流有关,极浅结禁带宽度下降是主因;极深结SHR复合是主因;不同的电流范围,各自的重要性不同。
双极晶体管BJT直流特性5.E-M方程双极晶体管的电流电压方程这是Ebers和Moll提出的方程。
考虑三端器件的直流电流、电压共有六个参数:
VBE、VBC、VCE、IE、IC和IB,定义电流的流入器件的方向为正。
这六个参数变量中,只有两个是独立的,可以用两个方程来描述BJT的直流特性。
根据pn结二极管的电流电压方程,IDexp(qVA/kT)-1的关系,Ebers-Moll推论:
)1()1()1()1(22211211+=+=kTqVkTqVCkTqVkTqVEJCJEJCJEeaeaIeaeaIa11、a12、a21、a22是四个待定常数,经过分析:
CSRFCBESFRFEBFCSRRFCBRESRFEBIIaIIaIIaIIa=1111011021012011双极晶体管BJT直流特性E-M方程可以表示为:
RFFCRRFEkTqVCSRkTqVESFkTqVCSkTqVESFCkTqVCSRkTqVESEIIIIIIeIIeIIeIeIIeIeIIJCJEJCJEJCJE+=+=方程的简化形式:
定义:
M-E)1()1()1()1()1()1(E-M方程经过转化,可以写成载流子传输形式的,表明各个参数与结构参数的关系:
)1()11()1()1()1()11(+=+=kTqVSRkTqVSCkTqVSkTqVSFEBCBEBCBEeIeIIeIeII双极晶体管BJT直流特性满足E-M方程的条件:
忽略三个区的体电阻;小注入;空间电荷区的宽度外加电压的关系:
外加电压变化时,空间电荷区的宽度不变;电流随电压的关系是理想系数为1的指数关系;不考虑前面讨论的所有非理想的实际状况,以及后面要讨论的大电流的特性双极晶体管BJT直流特性*:
F和R分别是BJT正向和反向有源区工作时的共发射极的电流增益。
都是与器件的材料、结构有关;IS也是与材料、结构有关的参数,可以理解为:
当VBE0时,集电极反偏时的基区少子电流。
BinBABBinBBpBnBSGnqADNWnqADWnqADI220=*:
通常FR;其原因并不是由于N的浓度比发射区的浓度N低造成的。
N+sub的高浓度同样可以提高反向有源区工作时的发射效率。
而主要原因是发射结的面积比集电结面积小,反向应用时的无效注入引起的。
*:
E-M方程的应用:
BJT的特性曲
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- 极性 晶体管 BJT 直流 特性