第参章Bipolar双载子接面电晶体ppt课件

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,Fuh-cheng Jong,第參章Bipolar,雙載子接面電晶體,Reference Book：,Microelectronic Circuits by Adel S.Sedra and Kenneth C.Smith,Microelectronics by Jacob Millman,Semiconductor Devices Physics and Technology by S.M.Sze,11/20/2024,1,第參章Bipolar雙載子接面電晶體Reference Bo,BJT,電晶體的基本介紹,射,基,集,極,極,極,射,基,集,極,極,極,左圖是一個,PNP,電晶體，右圖則是正好相反的,NPN,電晶體，不管是那一型的電晶體,，它們的電流（,I,b,、I,c,與I,e,）都是以,進入,電晶體的方向為,正,，,流出,的方向為負。,-+,V,eb,V,cb,+,-,-,Vce,-+,+,-,-,Vce,V,eb,V,cb,11/20/2024,2,BJT電晶體的基本介紹射 基 集射 基,emitter,junction,barrier,E B C,p n p,|V,cb,|,|V,eb,|,V,o,W,B,J,E,J,C,V,o,-V,eb,collector,junction,barrier,+V,cc,+V,EB,BJT,電晶體的基本介紹,少數載子濃度,p,n0,n,p0,n,p0,E B C,p n p,p n p,E B C,J,E,J,C,V,o,V,open circuit,J,E,J,C,W,B,p,no,E B C,p n p,n,p,n,p0,n,p,n,p0,少數載子濃度,p,n,p,n,p,no,e,V,EB,V,T,11/20/2024,3,emitter E B,BJT,電晶體的基本介紹,在上一頁上面的圖，是 pnp 電晶體,斷路,時的電位與少數載子密度分佈圖，,可以和,下,圖作比較，下圖是加了偏壓的情形，由於EB之間是順向偏壓，所,以電,位障被減少了,V,EB,。,CB之間是逆向偏壓,，所以彼此間的位障從,V,o,增加,了,V,CB,。,在,少數載子密度分佈圖方面，在此先假設,EBC三,個電極內的佈值濃度，,C與,E是,相同，而,B,的佈值濃度最低,（真正的情形是E的佈植濃大最高，其次是B,，最低才是C），由於佈植的濃度越高,，少數載子密度就會越高，,所以形成,B的,少數載子密度,最大，CE則是比較低的狀況,，像是個倒立的英文字母”,T,”,。當外加的順向偏壓加在EB兩端時,，由於是順向偏壓，所以在,E與B的少,數載子密度在靠近EB接面的地方，呈現快速而且巨量的增加（呈自然指數,增加,）。在,BC,的接面端，,B的少數載子密度到了CB的接面端（就是J,C,的位,置），接進於零，在C這邊，靠近CB的接面端的少數載子密度也是接近於,零，這是因為電晶體的CB是操作在反偏壓的環境造成的。,現在考慮這個電晶體的工作情形,：當電洞從射極端被,V,EB,的電動勢”推”入射,極內,（問題：為何不從電子的方向來想？）,，電洞很輕易的”滑”過,EB,的位,障接面,J,E,後，”溜”到,B,中而成為少數載子,（問題：為何是少數載子？）,，被,來自C的電場（因為C端接了V,CB,的負端，所以能吸引正電洞,）,，這個電場,強度非常的大，所以在上一頁左下圖的,右邊的V,o,+V,CB,的坡度,（就是電位V,o,+V,CB,對X的負梯度變化）,又把在B極內的這個少數載子的電洞”吸”到C了，,由於CB接面的電場很大,，所以電洞穫得很高的能量，所以像溜滑梯一樣的,溜過去了。,11/20/2024,4,BJT電晶體的基本介紹在上一頁上面的圖，是 pnp 電晶體斷,N,N,P,E,B,C,P,P,N,E,B,C,NPN and PNP,電晶體,11/20/2024,5,NNPEBCPPNEBCNPN and PNP 電晶體10/,I,E,=I,Ep,+I,En,I,Ep,：順向注入,I,En,：反向注入,E,極是,p,型,內部大多都是電洞,I,E,主要都是由,I,Ep,組,成,I,Ep,J,p,qD,p,I,En,從B,“,擴散,”,到E的電子流,第三張投影片,右下方射極的,n,p,電晶體內的各項電流,+,-,V,EB,+,-,V,CB,B,E,C,I,E,I,C,I,B,I,Ep,I,Cp,I,Ep,-I,Cp,I,En,I,CO,I,pCO,I,nCO,p n p,I,C,I,Cp,I,CO,（負號表示BC是反偏壓,，,所以電流與I,C,相反）,此外，來自EB間的反偏壓讓EB有如二極,體反偏壓般，產生一股反向飽合電流I,CO,I,CO,I,nCO,+I,pCO,Emitter,Collector,Base,部份的,I,E,在B會被多數,載子（電子）復合掉,（,復合電流為I,EP,I,CP,）。就是,I,C,=I,CO,a,I,E,a,稱為,共基電晶體的大,訊號增益,，,a,並非定值,，而是由溫度、製程,與,V,CB,，I,E,來決定,dx,dp,E,CO,C,I,I,I,-,-,=,a,11/20/2024,6,IE=IEp+IEn IEp：,電晶體的放大作用,I,C,=-,a,I,E,+I,CO,(1-),如果V,C,V,T,I,C,=I,CO,-I,CP,=I,CO,-,a,I,E,a,I,E,D,V,L,=-,R,L,D,I,C,=-,a,R,L,D,I,E,A,V,=,D,V,L,/,D,V,i,=,=,a,R,L,D,I,E,r,D,I,E,a,R,L,r,低電阻輸入被轉成高電阻輸出,trans,fer,resistor,transistor,a,=,D,I,C,D,I,E,V,CB,I,C,V,EB,I,E,V,OUT,D,V,L,T,V,V,e,V,C,Q1,R,L,11/20/2024,7,電晶體的放大作用IC=-aIE+ICO(1-,電晶體的,輸出曲線,、,輸入,曲線,輸出曲線,：,（,如下圖左,）,將輸入端的輸出電壓當橫座標,，,輸出端的電流為縱座標,，,在不同的輸,入電流與不同的輸出電壓將會對應到不同的輸出電流,，,固定某一個輸入電流,，,隨著,增加的輸出電壓,，,可以得到不同的輸出電流,。,如此重覆的改變輸入電流所獲得的曲,線組,，,稱為輸出特性曲線,。,輸入曲線,：,（,如上圖右,）,將輸入端的輸入電壓當成橫座標,，,輸入端的電流為縱座標,，,在不同的,輸入電壓與不同的輸出電壓將會對應到不同的輸入電流,，,若先固定某一個輸入電壓,，,隨著增加輸出電壓,，,將可以得到不同的輸入電流,。,如此重覆的改變輸入電壓所獲,得的不同的輸入電流曲線組,，,稱為輸出特性曲線,。,輸入曲線,V,EB,(V),I,E,(mA),collector,open,V,CB,=-10V,-1V,0V,類似二極體曲線,I,C,(mA),I,E,=35(mA),I,E,=25(mA),I,E,=15(mA),I,E,=10(mA),I,E,=5(mA),V,CB,(V),Cut off region,Saturation region,輸出曲線,Active,region,11/20/2024,8,電晶體的輸出曲線、輸入曲線輸出曲線：輸入曲線VEB(V)IE,電晶體的歐里效應與碰透效應,歐里效應,：,基極寬度扣除掉因射,極與,基極空乏區的寬度後的寬度,，,由於這,寬度會因射極與集極,（,主要的影響,，,Why?,）,兩個空乏區的寬度所影響,，,所以,表示跨接,CB兩端的電壓會改變了乏區的寬度,，,由於乏區寬度越大,，,基極的有效,寬度會越小,，,所以造成來自射極端的電洞在基極中被復合的機率降低,，,也就是,a,被增加了,，,這種情形表現在電晶體中的集極電流對集基間電壓輸出曲線,（,以共,基極結構為例,，,在不同的,I,E,）,的曲線斜率,，將此斜線延伸到與x軸相交於一點，,該點稱為歐里電壓。,碰透電壓：,當來自集極端電壓過大的時候,，,造成集極與基極的空乏區過大,，,使得有效的基極寬度被減少到零或零以下,，,造成電晶體的集極電壓崩潰,，,稱,之為碰透,（,punch-through,），,一般這個外加的,V,CB,電壓就稱為碰透電壓,。,V,CE,I,C,I,B,=6,m,A,I,B,=5,m,A,I,B,=4,m,A,I,B,=3,m,A,I,B,=1,m,A,V,A,Emitter Base Collector,W,EB,W,CB,J,E,J,C,空乏區,W,CB,乏區寬,度調變,11/20/2024,9,電晶體的歐里效應與碰透效應歐里效應：基極寬度扣除掉因射極與基,電晶體的崩潰效應,當,電晶體的基極為開路，而所加到集極與射極間的最高反偏電壓稱以,BV,CEO,表示，它是由基集兩極間的反向飽和電流累增（avalanche breakdown）崩,BV,CBO,潰所造成的，一般的BV,CEO,（Why?）,b,F,飽和區,崩潰區,I,C,V,CE,BV,CBO,作用區,open,V,CEO,n,11/20/2024,10,電晶體的崩潰效應當電晶體的基極為開路，而所加到集極與射極間的,V,CB,BV,CBO,M,a,F,1M,a,F,電晶體的崩潰效應,崩潰時,：1 1,當 I,C,a,F,I,E,M,，,M,I,C,a,F,I,E,I,B,（I,C,I,E,）,I,C,I,B,當,M,a,F,1,時，發生崩潰,（,I,C,）,a,F,If,V,CB,V,CE,1,1,a,F,BV,CEO,BV,CBO,n,n,BV,CEO,BV,CBO,b,F,1（）,V,CB,BV,CBO,n,1（）,n,1（）,BV,CEO,BV,CBO,n,11/20/2024,11,VCBMaF電晶體的崩潰效應崩潰時：,電晶體的飽和、截止與作用區,飽和區：接面BE與CB,都在順偏壓,，,V,CE,0.2V,作用區,：,接面BE,在順偏壓,，但CB,在逆偏壓,截止區,：接面,BE,在,逆,偏壓,E B C,V,EB,V,CB,作用區,E B C,V,EB,V,CB,飽和區,E B C,V,EB,V,CB,截止區（I）,E B C,V,EB,V,CB,截止區（II）,所有的組態都適用,p n p,某些情形下的,BJT,模型,由於BJT的形成主要是由於,極薄的基極,才,能有電晶體放大的特性，這是因為太寬的,基極將造成由射極來的電洞（對pnp型的,BJT）將都會被基極的多數載子（電子）,復合掉，而無法到達集極，使得,a,太低，,喪失放大的功能。,降低基極多數載子的復合率,，將是一個,好的電晶體的充要條件,11/20/2024,12,電晶體的飽和、截止與作用區飽和區：接面BE與CB都在順偏壓，,電晶體的復合率,提高復合率（,a,）的公式：,a,必需：,W,B,，Lp,，,n,E,D,E,L,B,，,p,B,D,B,L,E,窄的B極，高濃度的E極與低濃度的B極,成為必要的條件。,在高電流,（,I,C,）時，,h,FE,快速衰減,low current,region,slope(1-1/m,),high current,region,slope(-1),),tanh(,1,),2,1,(,2,2,2,B,E,B,B,B,E,E,p,L,W,L,D,p,L,D,n,L,W,B,B,+,-,=,a,I,E,C,FE,I,h,=,KT,V,KT,V,EB,EB,e,e,/,2,KT,V,EB,e,-,=,(,),1,-,C,I,11/20/2024,13,電晶體的復合率 提高復合率（a）的公式：在高電流（IC）時，,共,基,組態的電晶體,CB structure,I,C,(mA),I,E,=35(mA),I,E,=25(mA),I,E,=15(mA),I,E,=10(mA),I,E,=5(mA),V,CB,(V),Cut off region,Saturation r