三極管器件介紹與仿真

本推文簡述三極管即BJT器件，具體包括NPN和PNP的仿真相關(guān)內(nèi)容。

PART 01

BJT器件介紹

三極管器件介紹

下圖是兩種BJT的簡化結(jié)構(gòu)圖，每個(gè)晶體管有3個(gè)半導(dǎo)體區(qū)，分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)?；鶇^(qū)總是夾在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)之間。NPN晶體管由N型的發(fā)射區(qū)、P型的基區(qū)和N型的集電區(qū)組成。同樣，PNP晶體管由P型的發(fā)射區(qū)、N型的基區(qū)和P型的集電區(qū)組成。在這些簡化的剖面圖中，晶體管的每個(gè)區(qū)域都是由均勻摻雜的矩形硅構(gòu)成的，現(xiàn)代BJT的剖面結(jié)構(gòu)略有不同，但工作原理是一樣的。

下圖中顯示了兩種類型晶體管的電路符號，發(fā)射極線上的箭頭代表正偏情況下發(fā)射結(jié)的電流方向，雖然集電極和基極之間也存在結(jié)，但集電極線上沒有箭頭。在下圖簡化的晶體管中，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)看上去是一樣的，有人便自然地以為將集電區(qū)和發(fā)射區(qū)對調(diào)并不會對器件的性能造成影響，實(shí)際上，這兩個(gè)結(jié)的雜質(zhì)分布和幾何形狀都有所不同，因而不能對調(diào)。BJT可以看做是兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，晶體管的基區(qū)很窄（大約為1~2μm），由于兩個(gè)結(jié)靠得很近，所以載流子能夠在復(fù)合前從一個(gè)結(jié)擴(kuò)散到另一個(gè)結(jié)，因此一個(gè)結(jié)的導(dǎo)通也會影響到另一個(gè)結(jié)的特性。下圖（a）所示為一個(gè)NPN晶體管，它的發(fā)射結(jié)電壓為0V，集電結(jié)電壓為5V，由于兩個(gè)結(jié)都不在正偏狀態(tài)下，因此晶體管的3個(gè)端都只有極小的電流流過，兩個(gè)結(jié)都反偏（或零偏）的晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。下圖（b）為同一晶體管，有10μA的電流注入基極，這個(gè)電流使得發(fā)射結(jié)處于0.65V的正偏電壓下，此時(shí)盡管集電結(jié)仍處于反偏狀態(tài)，但卻具有比基極電流大100倍的集電極電流通過，這個(gè)電流是正偏的發(fā)射結(jié)和反偏集電結(jié)相互作用的結(jié)果。只要按照這種方式對晶體管施加偏置，則稱其工作在正向放大區(qū)。如果將發(fā)射極和集電極相互對調(diào)，發(fā)射結(jié)反偏而集電結(jié)正偏，則稱晶體管工作在反向放大區(qū)，但晶體管很少工作在這種方式下。

三極管的原理在幾乎每本半導(dǎo)體物理和微電子器件中都會有非常詳細(xì)的介紹，下面展示三極管的一些仿真結(jié)果。

PART 02

NPN器件仿真

NPN器件仿真結(jié)果

NPN器件仿真結(jié)構(gòu)圖

下圖是Vbe的仿真結(jié)果，其中橫軸是Vb ，縱軸是Ic ，發(fā)射極接0，可以看到在NPN基極和發(fā)射極之間存在一個(gè)PN結(jié)，所以下圖曲線會有一段死區(qū)。一般會對Ic取對數(shù)，選取1μA時(shí)的集電極電流作為Vbe，即開啟電壓。

其它特性不進(jìn)行一一文字介紹，下面是仿真結(jié)果的展示。

NPN器件直流特性仿真結(jié)果

NPN器件放大系數(shù)仿真曲線

NPN器件IcVce特性仿真結(jié)果

NPN器件BVcbo特性掃描仿真命令

NPN器件BVcbo特性掃描仿真結(jié)果

NPN器件頻率特性仿真結(jié)果

PART 03

PNP器件仿真

PNP器件仿真結(jié)果

PNP器件仿真結(jié)構(gòu)圖

PNP器件直流特性仿真結(jié)果

PNP器件放大系數(shù)仿真曲線

PNP器件IcVce特性仿真結(jié)果

PNP器件BVebo特性仿真結(jié)果

PNP器件頻率特性仿真結(jié)果