如何熟练掌握CMOS模拟集成电路-BJT模型-电子发烧友网

一.BJT简述

Bipolar Junction Transistor，双极性晶体管又称为三极管，其由两个pn结构成，理想的结构模型如图，有两种类型npn和pnp。

三极管的三个极分别为发射极E、基极B、集电极C，发射极与基极间形成发射结，集电极和基极间形成集电结。实际制造中，发射极是高浓度掺杂区，基极很薄且杂质浓度很低，集电极面积很大，这样能保证BJT具有良好的电流放大能力。

基极和发射极的掺杂浓度不为衡量，随着与表面之间的距离而变化，而理想模型中假设基极和发射极的掺杂浓度为恒量，称为 均匀基区晶体管 。BJT表示符号中电流的方向为流入各端口。

根据发射结和集电结电压的方向，BJT可有四个工作状态，以npn为例：①正向放大区：发射结正偏、集电结反偏；②饱和区：发射结正偏、集电结正偏；③反向放大区：发射结反偏、集电结正偏；④截止区：发射结反偏、集电结反偏。

二.正向放大区

正向放大区下发射结正偏、集电结反偏。

发射结p区边界处，由基区平衡少子浓度为，多子浓度为，，所以少子浓度为，其中的非平衡少子浓度为。非平衡少子满足扩散满足稳态方程，带入边界条件、，可以求得。处扩散电流，（同理得到发射极处扩散电流密度。计算发射结电流时并未将发射极扩散空穴电流算入，和pn结电流模型有差异。)

由基区非平衡少子浓度，而很小时，泰勒展开，是一个线性关系。而电流密度可知电流为一常量，且由于、可得。该基区扩散电流全部流入集电极。与基极的宽度成反比，基极越窄，越大，也越大。

基区发射结非平衡少子扩散电流全部流向集电极，但是基极产生的电流也有流向发射极的部分，其主要是基区向发射区的多子空穴扩散电流。此外，基区内由于会有电子空穴的重组，其表现为从基极引入基区的多子空穴流动。，且也呈现正比于。所以可有表达式，显然表征了基极电流放大能力，称为 正向电流放大系数 ，其越大越好。与基区宽度正反比，与发射极、基极掺杂浓度比例呈正比。集成电路中，pnp管典型值10~~100，npn管典型值50~~500。发射极电流。

正向放大区大信号等效模型为流控电流源，由于指数特性的陡峭性，通常变化很小。用一电压为 (常为0.6~0.7V)的电源来替代输入二极管。

实际情况下，随着集电极反偏电压的不同，如果为常数，即可转换为电压不同，基区宽度会有所变化。随着变大，集电结耗尽区变大，基区宽度减小，进而集电极电流变大。。对于反偏结而言，可视为常量。为常量，表示确定后，等效电导是不变的。各下 ~ 曲线延长线交于一点，该点称为 厄尔利电压 。

BJT的小信号跨导，电流效率 ， 高于同温下的MOSFET ，室温下其为38.4。

三.饱和区和反向放大区

正向饱和区下发射结正偏、集电结正偏，而。

此时由于集电结正偏，在集电结基区处产生由集电区向基区方向的非平衡少子电子流，该电子流抵消了在发射结基区处产生由发射区向基区方向的非平衡少子电子流。而集电极掺杂浓度小于发射极，所以最终电流方向仍为基区向集电区流动，只是数值相对于正向放大区小了不少。

反向放大区下发射结反偏、集电结正偏，发射极和集电极的角色交换了，只不过集电极掺杂浓度小于发射极，因而反向放大电流绝对值也是小于正向放大电流的。

反向饱和区下发射结正偏、集电结正偏，而。

四.BJT击穿

pn结存在雪崩击穿特性，发射结和集电结也有类似效果，因此加于BJT的最大电压值有限制。

1）共基极结构

在有恒定的射极电流的共基极结构中，时的定义了最大集电结反向击穿电压。当时，如果器件功耗在一定额度内，则器件也不会发生损坏，而且还有一定的雪崩效应(曲线中变大)。

2）共射极结构

在有恒定的基极电流的共射极结构中，时的定义了最大击穿电压。雪崩击穿效应对共射特性的影响比在共基结构中更加复杂。小于， 定义了器件所能承受的最大电压 。

3）反向放大区

在反向放大区，集电极和发射极角色互换。在共射极集电结处，基极掺杂浓度大于集电极一个数量级，因此集电极决定了集电结击穿特性；而发射极掺杂浓度大于基极，因此基极决定了发射结击穿特性。由于掺杂浓度的原因，发射结击穿电压要小的多，通常为6~8V。发射结击穿电压为一个设计便利的参考电压，常以齐纳管的形式加以应用。击穿电流的持续时间和幅度决定了发射结击穿的破坏性， 齐纳管工作在电流很小的情况下保证其不变击穿 。

五.BJT结构

制造上BJT主要有横向和纵向两种结构，横向和纵向是根据电流方向决定的。横向BJT中，发射极和集电极之间的水平距离是基区的宽度。横向BJT结构由于发射极与基极的掺杂浓度比值不能做到很大所以电流增益较小。而 纵向BJT结构电流增益要比横向结构大的多 。