如何熟練掌握CMOS模擬集成電路-BJT模型

一.BJT簡(jiǎn)述

Bipolar Junction Transistor，雙極性晶體管又稱為三極管，其由兩個(gè)pn結(jié)構(gòu)成，理想的結(jié)構(gòu)模型如圖，有兩種類型npn和pnp。

三極管的三個(gè)極分別為發(fā)射極E、基極B、集電極C，發(fā)射極與基極間形成發(fā)射結(jié)，集電極和基極間形成集電結(jié)。實(shí)際制造中，發(fā)射極是高濃度摻雜區(qū)，基極很薄且雜質(zhì)濃度很低，集電極面積很大，這樣能保證BJT具有良好的電流放大能力。

基極和發(fā)射極的摻雜濃度不為衡量，隨著與表面之間的距離而變化，而理想模型中假設(shè)基極和發(fā)射極的摻雜濃度為恒量，稱為 均勻基區(qū)晶體管 。BJT表示符號(hào)中電流的方向?yàn)榱魅敫?a target="_blank">端口。

根據(jù)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電壓的方向，BJT可有四個(gè)工作狀態(tài)，以npn為例：①正向放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏 、集電結(jié)反偏 ；②飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏 、集電結(jié)正偏 ；③反向放大區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏 、集電結(jié)正偏 ；④截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏 、集電結(jié)反偏 。

二.正向放大區(qū)

正向放大區(qū)下發(fā)射結(jié)正偏 、集電結(jié)反偏 。

發(fā)射結(jié)p區(qū)邊界處 ，由基區(qū)平衡少子濃度為 ，多子濃度為 ， ，所以少子濃度為 ，其中的非平衡少子濃度為 。非平衡少子滿足擴(kuò)散滿足穩(wěn)態(tài)方程 ，帶入邊界條件 、 ，可以求得 。 處擴(kuò)散電流 ，（同理得到發(fā)射極處擴(kuò)散電流密度 。計(jì)算發(fā)射結(jié)電流時(shí)并未將發(fā)射極擴(kuò)散空穴電流算入，和pn結(jié)電流模型有差異。)

由基區(qū)非平衡少子濃度 ，而 很小時(shí)，泰勒展開(kāi) ，是一個(gè)線性關(guān)系。而電流密度 可知電流為一常量，且由于 、 可得 。該基區(qū)擴(kuò)散電流全部流入集電極 。 與基極的寬度 成反比，基極越窄， 越大， 也越大。

基區(qū)發(fā)射結(jié)非平衡少子擴(kuò)散電流 全部流向集電極，但是基極產(chǎn)生的電流也有流向發(fā)射極的部分，其主要是基區(qū)向發(fā)射區(qū)的多子空穴擴(kuò)散電流 。此外，基區(qū)內(nèi)由于會(huì)有電子空穴的重組，其表現(xiàn)為從基極引入基區(qū)的多子空穴流動(dòng) 。 ，且也呈現(xiàn)正比于 。所以可有表達(dá)式 ，顯然 表征了基極電流放大能力，稱為 正向電流放大系數(shù) ，其越大越好。 與基區(qū)寬度 正反比，與發(fā)射極、基極摻雜濃度比例 呈正比。集成電路中，pnp管典型值10100，npn管典型值50500。發(fā)射極電流 。

正向放大區(qū)大信號(hào)等效模型為流控電流源，由于指數(shù)特性的陡峭性， 通常變化很小。用一電壓為 (常為0.6~0.7V)的電源來(lái)替代輸入二極管。

實(shí)際情況下，隨著集電極反偏電壓的不同，如果 為常數(shù)，即可轉(zhuǎn)換為 電壓不同，基區(qū)寬度會(huì)有所變化。隨著 變大，集電結(jié)耗盡區(qū)變大，基區(qū)寬度減小，進(jìn)而集電極電流 變大。 。對(duì)于反偏結(jié)而言， 可視為常量。 為常量，表示 確定后，等效電導(dǎo)是不變的。各 下 ~ 曲線延長(zhǎng)線交于一點(diǎn) ，該點(diǎn)稱為 厄爾利電壓 。

BJT的小信號(hào)跨導(dǎo) ，電流效率 ， 高于同溫下的MOSFET ，室溫下其為38.4。

三.飽和區(qū)和反向放大區(qū)

正向飽和區(qū)下發(fā)射結(jié)正偏 、集電結(jié)正偏 ，而 。

此時(shí)由于集電結(jié)正偏，在集電結(jié)基區(qū)處產(chǎn)生由集電區(qū)向基區(qū)方向的非平衡少子電子流，該電子流抵消了在發(fā)射結(jié)基區(qū)處產(chǎn)生由發(fā)射區(qū)向基區(qū)方向的非平衡少子電子流。而集電極摻雜濃度小于發(fā)射極，所以最終電流方向仍為基區(qū)向集電區(qū)流動(dòng)，只是數(shù)值相對(duì)于正向放大區(qū)小了不少。

反向放大區(qū)下發(fā)射結(jié)反偏 、集電結(jié)正偏 ，發(fā)射極和集電極的角色交換了，只不過(guò)集電極摻雜濃度小于發(fā)射極，因而反向放大電流絕對(duì)值也是小于正向放大電流的。

反向飽和區(qū)下發(fā)射結(jié)正偏 、集電結(jié)正偏 ，而 。

四.BJT擊穿

pn結(jié)存在雪崩擊穿特性，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)也有類似效果，因此加于BJT的最大電壓值有限制。

1）共基極結(jié)構(gòu)

在有恒定的射極電流的共基極結(jié)構(gòu)中， 時(shí)的 定義了最大集電結(jié)反向擊穿電壓。當(dāng) 時(shí)，如果器件功耗在一定額度內(nèi)，則 器件也不會(huì)發(fā)生損壞，而且還有一定的雪崩效應(yīng)(曲線中 變大)。

2）共射極結(jié)構(gòu)

在有恒定的基極電流的共射極結(jié)構(gòu)中， 時(shí)的 定義了最大擊穿電壓。雪崩擊穿效應(yīng)對(duì)共射特性的影響比在共基結(jié)構(gòu)中更加復(fù)雜。 小于 ， 定義了器件所能承受的最大電壓 。

3）反向放大區(qū)

在反向放大區(qū)，集電極和發(fā)射極角色互換。在共射極集電結(jié)處，基極摻雜濃度大于集電極一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此集電極決定了集電結(jié)擊穿特性；而發(fā)射極摻雜濃度大于基極，因此基極決定了發(fā)射結(jié)擊穿特性。由于摻雜濃度的原因，發(fā)射結(jié)擊穿電壓 要小的多，通常為6~8V。發(fā)射結(jié)擊穿電壓為一個(gè)設(shè)計(jì)便利的參考電壓，常以齊納管的形式加以應(yīng)用。擊穿電流的持續(xù)時(shí)間和幅度決定了發(fā)射結(jié)擊穿的破壞性， 齊納管工作在電流很小的情況下保證其不變擊穿 。

五.BJT結(jié)構(gòu)

制造上BJT主要有橫向和縱向兩種結(jié)構(gòu)，橫向和縱向是根據(jù) 電流方向決定的。橫向BJT中，發(fā)射極和集電極之間的水平距離是基區(qū)的寬度。橫向BJT結(jié)構(gòu)由于發(fā)射極與基極的摻雜濃度比值不能做到很大所以電流增益 較小。而 縱向BJT結(jié)構(gòu)電流增益要比橫向結(jié)構(gòu)大的多 。

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