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如何熟練掌握CMOS模擬集成電路-BJT模型

jf_78858299 ? 來(lái)源:致力于更好的未來(lái) ? 作者:Harris_Jiang ? 2023-02-02 14:10 ? 次閱讀

一.BJT簡(jiǎn)述

Bipolar Junction Transistor,雙極性晶體管又稱(chēng)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(lèi)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(chēng)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

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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)

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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(mǎn)足擴(kuò)散滿(mǎn)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(xiàn)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(chēng)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

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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(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)交于一點(diǎn) ,該點(diǎn)稱(chēng)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。

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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 。

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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(lèi)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(xiàn)中 變大)。

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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

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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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原文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/lkcIUBBcGczThBa_6ugQ1Q

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