双极型集成电路设计系列·第 01 篇本文核心逻辑PN 结 → 载流子注入 → 基区输运 → 集电极收集 → 电流控制 → 指数关系如果你开始学习模拟集成电路BJT 一定是一个绕不开的名字。你会看到 NPN、PNP会看到 VBE、IC、β也会看到这样一个几乎所有模拟 IC 教材都会出现的公式IC IS · exp(VBE / VT)公式并不复杂。但真正让人困惑的问题往往是为什么一个三极管可以用一个很小的基极电流控制一个更大的集电极电流为什么 VBE 只变化几十毫伏集电极电流就可能发生明显变化更进一步BJT 明明看起来就是两个 PN 结为什么把两个二极管简单连起来却得不到一个真正的三极管如果这些问题没有想明白那么后面学习差分对、电流镜、Bandgap、运放输入级时很容易变成“背公式”。但如果从器件内部的载流子运动出发把这条链路真正打通那么 BJT 就不再只是电路图上的三个字母而会变成一个非常直观的器件。所以这篇文章我们暂时不急着背公式。从一个最简单的 PN 结开始看看 BJT 到底是怎么“长出来”的。01理解 BJT先从 PN 结开始在 P 型半导体中主要载流子是空穴在 N 型半导体中主要载流子是电子。当 P 型和 N 型半导体接触后由于载流子浓度不同电子会从 N 区向 P 区扩散空穴也会从 P 区向 N 区扩散。扩散发生以后结区附近会留下不能自由移动的离化杂质离子于是形成一个自由载流子非常少的区域耗尽区Depletion Region。这些空间电荷又会建立起一个内部电场。最终载流子的扩散运动与电场产生的漂移运动达到动态平衡。这就是我们熟悉的 PN 结。而 PN 结最重要的特性之一就是它能够通过外加电压改变载流子的运动状态。正向偏置时势垒降低载流子更容易通过 PN 结电流快速增加反向偏置时势垒增大正常情况下只有很小的反向电流。PN 结本质上就是一个能够控制载流子输运的结构。02BJT两个 PN 结但绝不是两个二极管以最常见的 NPN 型 BJT 为例。它的结构可以简单表示为 N—P—N对应三个区域发射区EmitterE、基区BaseB和集电区CollectorC。从结构上看它确实包含两个 PN 结BE 结和 BC 结。于是一个非常自然的想法就出现了BJT 是不是两个二极管连在一起答案是不是。真正决定 BJT 能够工作的关键是中间的基区非常薄。如果只是两个彼此独立的 PN 结它们之间的载流子输运不会形成 BJT 所需要的“注入—穿越—收集”过程。而在 BJT 中两个 PN 结共享同一个很薄的基区。这使得一个结注入的载流子可以穿过基区再被另一个结收集。这才是 BJT 真正的核心。03发射极、基极、集电极各自到底干什么以 NPN 管为例三个区域承担着不同的任务。发射区负责提供载流子。NPN 的发射区是 N 型区域而且通常具有较高的掺杂浓度。它的主要任务就是向基区注入大量电子。基区负责控制载流子输运。基区是 P 型区域通常设计得很薄而且掺杂浓度相对较低。基区越薄注入其中的电子越容易在发生大量复合之前穿过基区。集电区负责收集载流子。集电区负责把穿过基区的载流子收集起来。一句话记住发射区负责提供载流子基区控制输运集电区负责收集载流子。04BJT 到底是怎么工作的现在给 NPN 三极管施加一个非常经典的偏置BE 结正向偏置BC 结反向偏置。这就是 BJT 最重要的工作状态之一正向放大区Forward Active Region。首先由于 BE 结处于正向偏置发射区的大量电子被注入到 P 型基区。接着这些电子开始向集电结方向运动。由于基区非常薄而且掺杂较低大部分电子不会在这里复合掉而是继续穿过基区。当这些电子到达 BC 结附近时由于 BC 结处于反向偏置状态结区电场会迅速把这些电子扫入集电区。于是一个完整的过程就形成了发射区注入 → 基区输运 → 集电区收集最终形成我们熟悉的集电极电流 IC。这里有一个非常重要的认识集电极电流并不是“基极电流直接变出来的”。它的主要来源是发射区向基区注入的大量载流子。图 4 NPN 工作在正向放大区时发射区电子大量注入基区并有大部分穿过薄基区后被集电区收集。05那基极电流又是怎么来的既然大部分电子最终都被集电区收集那么为什么还存在基极电流原因之一就是基区中的载流子复合。少部分从发射区进入基区的电子会与基区中的空穴发生复合。为了维持基区的载流子平衡就需要通过基极端补充相应的电荷于是产生了基极电流 IB。如果器件设计得足够好大部分发射区注入的电子都能够穿过基区并被集电极收集只有少部分发生复合。于是 IC IB。β IC / IB这就是我们通常所说的BJT 具有电流放大能力。但从器件物理的角度更准确的理解应该是基极电流主要反映基区中的复合等损耗而集电极电流则主要来自发射区注入并最终被集电极收集的载流子。06BJT 为什么会出现指数关系如果你学习过模拟 IC一定见过这个公式IC IS · exp(VBE / VT)它实际上揭示了 BJT 最重要的一个特征BJT 是一个指数型器件。其中 IS 与器件结构、工艺等因素有关VBE 是基极—发射极电压VT kT/q 是热电压。在室温附近VT 约为 26 mV。因此VBE 只发生几十毫伏的变化就可能带来明显的集电极电流变化。进一步对 IC 关于 VBE 求导gm ∂IC / ∂VBE IC / VT这里的 gm就是 BJT 最重要的参数之一跨导Transconductance。对于模拟 IC 设计者来说BJT 最迷人的地方之一就是一个几十毫伏量级的电压变化可以控制一个指数变化的电流。07BJT 有哪些工作区根据 BE 结和 BC 结的偏置状态BJT 可以工作在不同区域。图 5根据 BE 结和 BC 结的偏置状态BJT 可以工作在截止、正向放大、饱和和反向放大等不同区域。截止区CutoffBE 结没有正向导通晶体管基本处于关闭状态可近似认为 IC ≈ 0。正向放大区Forward ActiveBE 结正向偏置BC 结反向偏置。这是模拟放大电路中最重要的工作区域。饱和区SaturationBE 结和 BC 结都处于正向偏置。此时 BJT 不再处于正常的正向放大状态在开关电路中经常利用这一状态。反向放大区Reverse ActiveBE 结反向偏置而 BC 结正向偏置。从物理上来说 BJT 也可以反过来工作但实际放大能力通常较弱。08NPN 和 PNP 有什么区别理解 NPN 以后PNP 其实就容易很多。NPN 是 N-P-N主要载流子是电子PNP 是 P-N-P主要载流子是空穴。两者的工作原理具有对应关系只是极性和主要载流子不同。由于电子迁移率通常高于空穴迁移率因此在很多工艺中NPN 器件能够获得更好的速度和高频性能。所以在双极型集成电路以及 BiCMOS 等工艺中NPN 往往具有非常重要的地位。09为什么今天还要学习 BJT看到这里也许有人会问MOSFET 已经这么重要了为什么还要研究 BJT因为对于模拟 IC 设计来说BJT 有一些非常独特的器件特性。首先是它非常明确的指数型电流—电压关系IC IS · exp(VBE / VT)其次是它非常直接的跨导关系gm IC / VT此外BJT 的结电压还具有明显的温度依赖性。这些特性使 BJT 能够广泛用于差分对、电流镜、电流源、Bandgap Reference、温度传感器以及精密模拟电路。特别是 Bandgap。它并不是简单地“用了一个三极管”而是利用 BJT 不同电流密度下的 VBE 差异以及温度特性构造出非常重要的基准电压。BJT 真正有价值的地方并不只是“能够放大电流”而是它背后那套非常稳定、非常有规律的器件物理关系。到这里BJT 的物理本质我们已经打通了。再回头看整条逻辑链PN 结 → 薄基区 → 发射区注入 → 基区输运 → 集电极收集 → 指数关系如果一定要用一句话来定义 BJT我更愿意这样说BJT 是一种利用两个 PN 结之间的载流子注入、输运和收集实现电流控制并具有指数型电流—电压特性的双极型晶体管。这句话可能比“BJT 是电流控制器件”更长但它更接近 BJT 真正的物理本质。理解了它后面再看差分对、电流镜、Bandgap很多复杂的电路都会开始变得顺理成章。⭐ 点个“赞”下次更新不错过。 你在学习 BJT 时遇到过最头疼的问题是什么欢迎在评论区留言我会挑典型问题在下一篇集中解答。—— 双极型集成电路设计系列 · 第 01 篇 ——