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,每個晶體管有3個半導(dǎo)體區(qū),分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。基區(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),由于兩個結(jié)靠得很近,所以載流子能夠在復(fù)合前從一個結(jié)擴(kuò)散到另一個結(jié),因此一個結(jié)的導(dǎo)通也會影響到另一個結(jié)的特性。下圖(a)所示為一個NPN晶體管,它的發(fā)射結(jié)電壓為0V,集電結(jié)電壓為5V,由于兩個結(jié)都不在正偏狀態(tài)下,因此晶體管的3個端都只有極小的電流流過,兩個結(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,這個電流使得發(fā)射結(jié)處于0.65V的正偏電壓下,此時盡管集電結(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
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