EDA 双结型晶体管特性和电路分析

所需积分/C币:8 2018-04-22 12:59:28 2.46MB PDF
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双极结型晶体管是模拟电路中一种重要的有源器件,多用于对微弱模拟小信号进行放大。本文详细介绍双极结型晶体管的工作原理、输入和输出特性、电路模型、密勒定理,并在此基础上说明双极结型晶体管的直流偏置办法。
本质上,一个理想的电流控制电流源有相同的特性,除了每个水平线表示一个不同的 控制电流(Z端),不同于·个不同的控制屯压。 从图中可以知道下面的事实: (1)实际上,电流独立通过X端和Y端的电压。 (2)电流ky等于1mA/V,应用到Z端(相对于X端)。 然而,在个真实的器件中,很明显不会发生下面的事情,即当V=0时,ly≠0。因 此,更真实的特性如图54所示。 2.2mA 2.0mA 1.8mA 1. 6mA 1.4mA 1.2nA 1.0mA 0.8mA 0.6mA 0.4mA 0.2mA 0.0mA 0.0v0.5V1.0v1.5V2.0v2.5V3.0V3.5V4.0v4.5V5.0y 图54当VY=0,VCCS电流必须为0 从物理上,图54可以讲的通,但是对于真实的器件,有一些属性并不存在。图中的折 线有明显的拐点(通过拐点,分成两段明显的直线)。实际上,折线不会是这么明显的拐弯 它应该是比较光滑的从一段线过渡到另一段线。更真实的晶体管特性,如图5.5所示。 2. CmA 1.6mA 1.2mA .CmA 0. 8mA- 0.4mA 0.2mA omA 00v0.5v1.0V1.5V20v25V30v3.5V4045V5.0V 图55真实器件的特性图 5,2双结型晶体管符号 双极结型晶体管( Bipolar Junctionτ ransistor,BJτ),简称双结型晶体管,包含两种模型 NPN和PNP,原理图符号,如图5.6所示。典型的BT外观,如图57所示。∩型电流受控 器件称为N門N双极结型晶体管。P型电沇受控器件称为NPα极结型晶伓管。不同于前面 介绍通用器件使用X、Y和Z作为端子名,B厅T使用集电极( collector,c)和发射极( emitter, e)名宇作为电流源端,基极(base,b)用」电流控制端名字。图中,箭头标注在发射极引 脚上,箭头方向表示器件处于正向有源状态时的电流方向。 NPN和PNP名字中的字母N是 negative(负)的缩写,字母P是 postive(正)的缩写, 它代表在晶体管不同区域(发射区、基区和集电区)的多数电荷载流子。目前,与PNP相 比,NPN生产制造的更好。这是因为在半导体中,电了的流动性比空穴的流动性更高,这 样可以允许更大的电流和更快的工作速度。 E C (a)NPN双结型晶体管原理符号 (b)PNP双结型晶体管原理符号 图5.6双结型晶体管原理符号 图5.7典型的双结型晶体管封装 (1)对于N門N晶体管来说,由一层p型掺杂的半导体(基极)夹在炳个n型掺杂层中 间构成。在共发射极模式下,集电极将基极注入的小电流放大输出。在其他条件下,当给基 极注入高电压(相对于发射极)时,晶体管处于导通状态。 (2)对于PNP晶体管来说,由一层n型掺杂的半导体(基极)夹在两个p型掺杂层中 间构成。在共发射极模式下,集电极将离丌基极的小电流放大输岀。在其他条件下,当给基 极注入低电压(相对于发射极)时,晶体管处于导通状态。 注:除非读者需要知道元件制造工艺,否则理解晶体管内部工作原理并不重要。对于晶体管 本质属性的说明并不能满足电路设计要求,并且理解起来比较困难。而对于电路设计和分析 来说,理解晶体管外在的属性就足够了,可以将晶体管看作是个黑盒了。 5.3双结型晶体管 SPICE模型参数 在本章后续会使用双极结型晶体管的仿真,在此简要介绍一下的 模型类型以及所使用参数的含义,以帮助读者理解本章后续内容。 与双极结型晶体管模型相关的参数,如衣所示。 表双极结型管模型相关的参数 序号名字 参数 默认值单位 饱和流 理想的最大正向电流增益 理想的最大反向电流增益 正向电流发射系数 反向电流发射系数 正向小电流非理想基极电流系数 反向小电流非理想基极电流系数 正向β大电流下降的电流点 无穷 反向β大电流卜降的电流点 无穷 非理想小电流基极发射极发射系数 非理想小电流基极集电极发射系数 正向欧拉电压 无穷 反向欢拉电压 无穷 集电板电阻 发射极电阻 零偏压基极电阻 ΩΩ 大电流最小基极电阻 基极电阻下降到最小值时的电流 无穷 理想正向渡越时间 理想反向渡越时间 τ随偏置变化的系数 τ随而变化的电压 无 影响τ的大电流参数 在频率x时超前相位 零偏压基极发射改零耗尽层电容 基极发射板内建电势 基极发射极结梯度因子 零偏置基极集电极耗尽层电容 基极集电极内趸电势 基枚集电极结梯度郾子 零偏置集电极衬底电容 衬底结内建电势 衬底结指数因子 正偏压耗尽电容公式中的系数 基极集电极耗尽电容连到内部基极的百分数 正向β和反向β的温度系数 饱和电流温度指数因子 禁带宽度 闪烁噪声系数 闪烁噪声指数因子 参数测量温度 表中 () 决定正向电流增益。 决定反向电流增益 决定节势垒电容 决定节势垒电容 决定节势垒电容 () 决定正向和反向输出电导。 决定止向和反向渡越时间。 和温度有关 5.4双结型晶体管工作原理 本节将详细介绍双结型晶体管的工作原理。包括晶体管的内部结构和控制特性 541双结型晶体管结构 BJT是一个三端电子元件,它由掺杂的半导体材料构成,可用」对模拟信号放大,也可 以作为电子开关。双极型晶体答的命名与其工作原理有关,这是因为它在正常工作时涉及到 电了和空穴。BJT内的电荷流动是由于电付载流了穿过两个不同电付浓度区域pn节的双向 扩散。通过设计,大多数的BJT集电极电流由于电荷流动产生,这些电荷从高浓度的发射极 注入到基极。在基极,少数载流子朝向集电极扩散。因此,BJT被划分为少数载流子器件: 相比较来说,后面所介绍的场效应晶体管( field effect transistor,FET)被划分为多数载流子 器件。在FET中,由于漂移,电流只涉及到多数载沇了。 典型的,一个NN晶体管的横截面,如图58所示。一个NPN晶体管可以看成两个pn 节二极管,它包含·个公用的阳极,p层。在典型操作中: (1)对于NPN晶体管,基极发射极的pn节正偏,而将基极-集电极的pn节反偏,如图 59(a)所示。 2)对于PNP晶体管,基极-发射极的pn节反偏,而将基极-集电极的pn节正偏,如图 5.9(b所示。 E B C n p n 图58一个NPN晶体管的横截面 CB B VcE B VEB (a)NPN晶体管的电压偏置 b)PNP晶体管的电压偏置 图59晶体管电压偏置 例如:在一个NPN晶体管中,当给基极-发射极pn节正偏时(即vεe>0),破坏了热产 生载流子和抵消耗尽区电场的平衡。因此,允许热激活的电子注入到基区。这些电子“游荡” (扩散),穿过很薄的基区,从发射极附近的高浓度扩散到集电极附近低浓度区域。在集电 极的电子称为少数载流子,这是由丁基极掺入ρ型杂质,使得基极的空穴称为多数载流子。 为了降低到达集电极基极pn节耗尽层被“复合”载流子的百分比,晶体管的基区要足 够的薄。这样,在半导体少数载流子生命周期结束之前,就能用很少的时间穿越它。特别的, 基区厚度要远远小于电子扩散的长度。 在NPN晶体管中,集电极-基极pn节反偏。这样,只有很少的电了从集电极注入到基 极。但是,由于集电极-基极pn节耗尽区电场的作用,通过基极朝向集电极扩散的电子就能 运动到集电极。薄的共享基极和非对称集电极-发射极掺岽,使得晶体管区别于两个反偏串 行连接的二极管,如图5.10所示 ≠ 图5.10晶体管不等于两个二极管的串联 54.2电压、电流和电荷控制 集电极电流和发射极电流可以看作由基极-发射极电流(电流)控制或者基极-发射极电 压(电压)控制。基极-发射极pn节的电流-电压关系就是普通指数形式的PN节(极管) 电流电压关系 对集电极电流的物理解释就是在基区少数载流子电荷的数量。 更详细的晶体管 SPICE模型,比如,用来准确解释电荷分布的GP( Gummel-Poon)模型, 可以更准确的解释晶体管的行为。电荷控制观点更容易管理光电晶体管。通过吸收光子,在 基区创建少数载流子,以及动态控制打廾-关闭,或者恢复时间,它们都取决丁基区电荷的 复合。然而,基极电荷并不是一个可在端子上看见的信号,因此通常从电压和电流控制的角 度分析和设计电路。 在模拟电路设计中,有时使用电流控制的观点,这是由于它近似线性,即:集电极电流 是基极电流的若干倍。在一些设计中,假设发射极基极之问的电压近似常数,这样就可以 得到基极电流,这样集电极电流是基极电流的β倍。然而,如果要设计一个准确和抗干扰能 力强的电路,常使用电压控制模型,即( )模型。在电压控制模型中, 需要考虑一个指数函数。下面用于表示集电极电流的等式体现了与之间的指数关系。 I c=ls(eT-1 一个工作在大约的标准晶体管,其大约为 (室温) 大约为 (或者热电压 为 )。等式中的指数因子很大,因此,可以忽略等式中 的-。取自然对数,可以得到表达式 Ic BE 当这个指数线性化后,晶体管就可以建模为跨导,由于在模型中,用于电路(比如 放大器)的设计又几乎变成了线性化问题,因此就更倾向使用电压控制的角度。对于一个跨 导线性电路,指数曲线是操作的关键。通常,将晶体管建模为电压控制,其跨导与集电 极电流成比例关系。通常,晶体管级的电路设计使用 或者一个可比较的模拟电路仿 真器,这样模型的数学复杂度就不在是设计者关注的问题 543晶体管的a和β 能够穿过基极并到达集电极电子的比值用于测量BJT的效率。非对称的发射区重度掺杂 和基区的轾度掺杂使得从发射极注入到基极的电了要多于从基极注入到发射极的空穴。共发 射极电流增益用β或者表示,在正向有源区近似于集电极直流电流和基极直流电流的比 值。典型的,对于小信号晶伓管该值大」;但是,对于大功率应用来说,这个值较小。 另一个重要参数是共基极电流增α,在正向有源区共基极电流增益近似于从发射极到集 电极的电流增益。这个值接近于,其范围在 之间。对于,晶体管来说,β 和a之间的关系可以用下式表示 In+I aF F 1-阝 注:下标F为 Forward的缩写,表示正向有源工作模式。 个有三个不同的掺东半导体区构成,包括:发射区、基区和集电区。对于 体管来说,分別为型、型和型。对于晶体管来说,分别为型、型和型。 每个半导体区域连接一个端子,用(发射极)、(基极)和(集电板)表小 物理上,基极位于发射极和集电极之间,它通过少量掺杂髙阻材料获得。集电极“环 抱”发射极区和基极区,这使得电子几乎不可能从发射区注入到基区。这样,使得最终的值 接近于,使得晶体管有很大的β值。从图可以看出,集电极基极节比发射极基极 节区域范围要大。 不像后面所要介纽的 那样,是非对称器件。这就意味着,当把集电 极和发射极互换时,晶体管将脱离正向有源模式,廾始工作在所谓的反向有源模式。这点要 特别注意!!! 晶体管内部的结构为正向有源模式进行了优化。因此,当把集电极和发射极互换吋, 即晶体管工作在反向有源模式时,a和β值将变得很小。典型的,a和β低于。由于发 射极和集电极掺杂比值,使得对称性缺失。发射极掺杂浓度要高于集电极,因此允许在击穿 集电极基极结之前,允许施加较人的电压。在正常操作时,集电极基极节施加反偏 电压,这是因为发射极掺杂浓度高,以增加发射极注入效率,即:发射极注入载沇子和基极 注入载流子的比值。对于高电流增益,人多数注入到发射极基极节的毂流子必须来自发 射极。 在 制造中的低性能“横向”双极型晶体管有时设计为对称,即:正向和反向操 作没有差别,如图所示。然而,与图的垂直结构相比,基极较厚,α和β并不髙。 用于改善集电极效率的布局技术,是将发射极区域四周完仝被环形集电极区域包围。当然, 这个结构不再对称。 E B n 图5.11横向NPN横截图 在基极集电极端很小的电压变化,将引起发射极和集电极之间的电流显著变化。这个 效果可以用于放大输入电压或者电流。可以看作是电压控制电流源,但是,由于在基极 所看到的相对低阻抗,所以经常将简单的看作是电流控制电流源,或者电流放大器 早期的晶体管采用锗,但是现在大多数采用硅。特殊用途的元件采用价价元 素化合物半导体,比如:砷化镓,用于高频。 544BJT工作区域 双极型品体管有个不同工作区域,它由晶体管的偏置方式确定,如图所示。在图 中,注意两点 ,反偏基极集电极节意味着 ,或者 。简言之,集 电极电瓜高于基极电压。对于这个工作原坦,可以用机械的方法模拟,包括管道和阀门。 阀门是基极,管道的两侧是集电极和发射极。流经管道的水量(电流)取决于阀门的 廾度(基极发射极电压),在管道的页端有多少水(集电极基极电压)。如果用施加电压 表示偏置,代膂结偏置操作模式,描述如下 ()正向有源:基极电压高于发射极电压,集电极电压高于基极电压(在这种模式下, 集电极电流与基极电流成正比关系,系数为β)。 ()饱和:基极电压高于发射极电压,但是集屯极电压比基极电压低。 ()截止:基极电压低于发射极电压,但是集电极电压高于基极电压。这就意味着,晶 体管不让电流从集电极流到发射极。 ()反冋向有源:基极电压低于发射极,集电极电压低于基极电压,这就表示反向电流通 过晶体管。 根据节偏置(反向偏置基极集电极节表示,或者 〔)正向有源:基极发射极节正向偏置,基极集电极节反向偏置。在正向有源 模式下,将大多薮双极型晶体管改计成提供最大共发射极电流增益β。当在这种情况时, 集电极发射极电流正比于基极电流,但是比小的基极电流变化要大很多倍 ()反向有源:通过将正向有源条件翻转,一个双极型晶体管进入反向有源模式。在该 模式下,发射极和集电极改变角色。由于大多数设计成在正向有源模式下最大化电流 增益,因此反向有源模式下的β会小几倍。在实际中,很少使用这种模式。只在故障安全 条件,以及一些类型的双极型逻辑才会考虑。 ()饱和:当所有的节正偏时,处于饱和模式,使得从发射极到集电极高电流

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