雙極型晶體管I-V特性
出處:dong 發(fā)布于:2007-04-29 09:59:21
雙極型晶體管的性能能用一幅基極電流,集電極電流和集電極-發(fā)射極電壓曲線圖來說明。.21就是一幅典型的集成NPN管的曲線圖。縱坐標(biāo)表示集電極電流Ic,而橫坐標(biāo)是集電極-發(fā)射極電壓Vce。在這同一個坐標(biāo)中有很多曲線,每一條都代表了一個不同的基極電流IB。這一系列曲線就表明了雙極型晶體管的許多有趣的特性。
在飽和區(qū),集電極-發(fā)射極電壓太低而使集電極-基極結(jié)稍微有點正向偏置。幫助少數(shù)載流子穿越集電極-基極結(jié)的電場仍舊存在,所以晶體管還處于導(dǎo)通狀態(tài)。由于集電極-發(fā)射極電壓太低所以晶體管中的Ohmic電阻(特別是在輕摻雜的集電極中的那些)變得非常重要。所以在飽和區(qū)的電流比forward active區(qū)的電流小很多。集成電路設(shè)計師對飽和區(qū)特別感興趣,因為正向偏置的集電極-基極結(jié)把少數(shù)載流子注入到neutral collectro中。8.1.4節(jié)會詳細(xì)討論飽和區(qū)對集成的雙極型晶體管的效應(yīng)。
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.21 NPN晶體管的典型I-V曲線。
forward active區(qū)的集電極-發(fā)射極電壓大到能反向偏置集電極-基極結(jié)。集電極上的ohmic drop不再顯著的削弱集電極-基極結(jié)上的電場,因此流過晶體管的電流就僅和beta有關(guān)。電流曲線因為early effect而稍微有點向上翹起。隨著集電極-基極結(jié)上的反向偏置電壓的上升,這個結(jié)上的耗盡區(qū)不斷擴大,相應(yīng)的neutral base就變窄了。由于beta和基區(qū)寬度有關(guān),隨著集電極-發(fā)射極電壓的上升,它也稍稍上升。 使用非常輕摻雜的集電極能使early effect化,所以耗盡區(qū)主要向集電極擴張而不是向基極擴張。
超過某個集電極-發(fā)射極電壓后,集電極電流就快速上升。這個效應(yīng)限制了晶體管的工作電壓。在一個典型的集成NPN管中,這個電壓值在30V-40V之間。上升的電流是有兩個效應(yīng)引起的,個是雪崩擊穿。如果集電極-基極結(jié)上的反向偏置足夠大的話,它就會雪崩擊穿。寬的輕摻雜集電極區(qū)能極大的增大雪崩電壓等級,分立功率晶體管能達到超過一千伏的工作電壓。
第二個限制機制是base punchthrough。當(dāng)集電極-基極耗盡區(qū)穿過基區(qū)和基極-發(fā)射極的耗盡區(qū)重疊時就會發(fā)生punchthrough。這個一旦發(fā)生,載流子就能直接從發(fā)射極流到集電極,這時電流就只受neutral collector和發(fā)射極的電阻的限制。集電極電流終的快速上升就是模擬了雪崩擊穿的效應(yīng)。
在高增益晶體管里base punchthrough經(jīng)常發(fā)生。比如,superbeta晶體管就用了一個非常薄的基區(qū)來達到一千以上的beta。Base punchthrough把這些器件的工作電壓限制在了幾十伏。因為集電極-基極耗盡區(qū)侵入到非常薄的neutral base,super-beta晶體管也表現(xiàn)出了明顯的early effect。常用的晶體管用寬一點的基區(qū)來減少early effect,他們的工作電壓受限于雪崩而不是base punchthrought(8.1.2節(jié))。
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