2.1 双极型晶体管原理^[1]

2.1.1 双极型晶体管的工艺结构

双极型晶体管工作时，半导体中的电子和空穴两种载流子都起作用，按照结构不同，双极型晶体管分为NPN型和PNP型。对于NPN型，起主导作用的是电子，对于PNP型，起主导作用的是空穴。在性能方面，NPN型要优于PNP型，因为电子的迁移率是空穴的2.5倍。

双极型晶体管有三个掺杂浓度不同的扩散区和两个PN结。按掺杂浓度不同，可以把这些掺杂区分为重掺杂的发射区，轻掺杂的基区和收集区，从这三个区接出三根引线作为三个电极，它们对应的电极称为发射极（Emmiter）、基极（Base）和集电极（Collector）。收集区与基区交界处的PN结称为集电结，发射区与基区交界处的PN结称为发射结。虽然NPN双极型晶体管的发射区和收集区都是N型，但是发射区的掺杂浓度比收集区大，并且收集区的面积比发射区的大，因此它们是非对称的。图2-1所示的是NPN和PNP的简化结构图和电路符号。

2.1.2 双极型晶体管的工作原理

NPN和PNP是互补的晶体管，只需分析一种类型即可，以NPN为例分析双极型晶体管理论，得到的基本原理也适用于PNP。根据双极型晶体管集电结和发射结的偏置情况可以把工作模式分为四种：第一种是双极型晶体管工作在正向有源模式；第二种是双极型晶体管工作在饱和模式；第三种是双极型晶体管工作在倒置模式；第四种是双极型晶体管工作在截止模式。

1）正向有源：双极型晶体管的发射结正偏和集电结反偏。工作在正向有源区的双极型晶体管具有电流放大功能，它的放大系数是β，β是集电极电流与基极电流的比，β是一个非常关键的参数，通常双极型晶体管设计和制造工艺参数的变动都是为了获得足够大的β。正向有源是一种常用的工作区。

2）饱和：双极型晶体管的发射结和集电结都正偏，它相当于两个并联的二极管。

3）倒置：双极型晶体管发射结反偏和集电结正偏。与正向有源相比，它们的角色倒置了。工作在倒置区的双极型晶体管也具有电流放大功能，不过其放大系数会比正向有源小几倍。实际应用中也很少会把双极型晶体管偏置在倒置区。

4）截止：双极型晶体管的发射结和集电结都反偏，其漏电流非常微弱，就像开路的开关。

双极型晶体管的四种工作模式下集电结和发射结外加偏置电压的情况见表2-1。

根据双极型晶体管的电极被输入和输出共用的情况，可以把双极型晶体管分为三种电路连接方式：第一种是共基极接法（基极作为公共电极）；第二种是共发射极接法（发射极作为公共电极）；第三种是共集电极接法（集电极作为公共电极）。图2-2所示的是双极型晶体管三种电路连接方式的电路图，以及正常工作条件下电源接法和电流方向。

以双极型晶体管的共基极接法为例简单介绍它的工作原理，当NPN的发射结正偏和集电结反偏，其工作在正向有源模式，图2-3所示的是NPN的能带图和载流子运动情况，图2-3a是零偏时NPN的能带图，图2-3b是正向有源模式的能带图。发射结正偏，发射结的空间电荷区变窄，其内建电势降低，载流子很容易越过该势垒高度，发射区的多数载流子电子不断越过该势垒扩散到基区，形成扩散电子电流I_EN。类似的，基区的空穴也会越过该势垒扩散到发射区，形成扩散空穴电流为I_EP。但是由于发射区的杂质浓度比基区的高几百倍，杂质浓度直接影响电子流和空穴流，与电子流相比空穴流非常小，通常可以忽略，所以发射极电流I_E≈I_EN。

NPN的P型基区对电子呈现势垒，它不会收集电子，从发射区注入基区的电子形成浓度梯度，在发射结附近浓度最高，在基区内部电子以扩散的形式到达集电结边界。在扩散过程中，有很小一部分电子会与基区中的空穴复合，形成复合电流I_BN，同时接在基区的电源V_BE的正端则不断从基区拉走电子。电子复合的数目与电源从基区抽走的电子数目相等，电源抽走电子的目的是制造出相同数目的空穴，就使基区的空穴浓度基本保持不变。那么这样就形成了基极电流I_B，基极电流就是电子在基区与空穴复合形成的空穴电流，基极的电流I_B≈I_BN。复合越多，到达集电结的电子越少，为了减小电子在扩散过程中与空穴复合的数量，常把基区做得很薄，并希望基区掺杂的浓度很低，使大部分电子都能到达集电结。

因为集电结反偏，集电结的空间电荷区变宽，它的内建电势增强，集电结势垒高度变高，所以电场很强，使得收集区的电子和基区的空穴很难越过集电结的势垒，但是基区扩散到集电结边界的电子会被强电场加速进入收集区，最后被收集区收集，形成集电极漂移电子流I_CN。基区中少数载流子电子和收集区中少数载流子空穴在反向电场的作用下形成反向漂移电流，这部分电流取决于少数载流子浓度，称为反向饱和电流I_CBO。通常I_CBO非常小，它并不会对电流的放大作用有贡献，而且它的数值随温度变化很大，这样很容易造成晶体管工作不稳定，所以要设法在双极型晶体管的工艺制造过程中减小I_CBO的数值。图2-4所示的是正向有源状态下NPN中载流子的传输过程。

根据传输过程可知：

和

集电结收集的电子流是发射结发射的总电子流的一部分，常用一系数α来表示，那么α=传输到集电极的电流/发射极注入电流，即

α=I_CN/I_E

通常I_C＞＞I_CBO

那么

α为电流放大系数。它只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关，一般α=0.9～0.99。

设定β=I_C/I_B

根据式（2-1），可得β=I_C/（I_E-I_C）

根据式（2-3），可得β=αI_E/（1-α）I_E

最终得到β=α/（1-α）

β是另一个电流放大系数。同样，它也只与管子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关，一般β＞＞1。

2.1.3 双极型晶体管的击穿电压

双极型晶体管两个PN结的反向击穿电压有以下三种：第一种是发射极开路时的BV_CBO；第二种是集电极开路时的BV_EBO；第三种是基极开路时的BV_CEO。图2-5所示的是NPN管两个PN结击穿电压的测量方式。

1）BV_CBO是发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压，其值一般为几十伏～几百伏。

2）BV_EBO是集电极开路时，发射极与基极之间的反向击穿电压，其值一般为几伏～十几伏。

3）BV_CEO是基极开路时，集电极与发射极之间的穿通电压，其值一般为十几伏～几十伏。

这三个击穿电压的关系如下：BV_CBO＞BV_CEO＞BV_EBO。

图2-6所示的是NPN共射极接法对不同R_b的I-V曲线。R_b1≈0，R_b1＜R_b2＜R_b3，R_b3非常大。图2-6a是BV_CBO和BV_CEOI-V曲线，图2-6b是共射极接法对不同R_b的I-V曲线。图2-7所示的是NPN共射极的不同接法的电路图。

2.1.4 利用双极型晶体管分析PNPN的闩锁效应^[2]

为了定性地分析CMOS工艺集成电路中寄生PNPN结构如何发生闩锁效应，假设PNPN结构导通，NPN和PNP都工作在正向有源，忽略漏电流。图2-8所示的是寄生PNPN结构导通时的电流。

此时NPN和PNP都工作在正向有源，那么：

对于PNP：

对于NPN：

由电源提供的总电流如下式：

式（2-6）左右提取I再相减得到

对于一个非无效解的情况：

用β_n和β_p表示式（2-8），可以得到

式（2-9）指出几个重要效应。要使闩锁效应发生，式（2-9）右边必须大于1，也就是β_nβ_p＞1。如果这个式β_nβ_p＜1，那么闩锁效应就不会发生。

可见，减小NPN的β_n或者减小PNP的β_p，使β_nβ_p＜1都可以防止闩锁效应。