qVB E IE A e 11
NPN晶体管的共基极连接，
晶体管表示黑匣子
I C A21
e
/ kT
qVB C 1 A e 12
22
qVB E / kT
1 A e
/ kT
1
qVB C / kT
1
5
式中Aij为晶体管内部设计系数（耦合系数）。这里输入电 流IE和输出电流IC用输入电压VBE和输出电压VBC表征。
6
EM模型 （Ebers and Moll，1954）最简单的模型
1、基本模型
由两个背靠背的二极管和两个电流源组成
假设正反向电流相互独立，在大注入时不适用
模型参数： IFO，IRO
F , R
四个参数中只有三个 是独立变量
VBE I F I Fo exp V th VBC I R I Ro exp V th 1 1
2.1 BJT的模型
器件模型－把器件的物理参数与器件的端特性相联系－数学描述
设计器件
BJT模型分类
设计电路
模型的精度和复杂度
直流模型（大信号）
交流模型（小信号）
瞬态模型（突变信号）
EM模型 （Ebers-Moll model) GP模型 （Cummel－Poon model） 电荷控制模型
1
p-n结二极管的分析和模拟是双 极结型晶体管（BJT）原理和 模拟的基础。 BJT是由两个背靠背的p-n结， 并由一个半导体薄区串联而成 的。 在发射结处于正向偏压（低阻 抗），而集电极处于反向偏压 （高阻抗）下，由发射结注入 的少子电流几乎全部输运到集 电结，使器件具有放大作用。 当器件状态处于有源区时，就 有功率增益。
I E R I R I F
F I FO R I RO
IC F I F I R
I B (1 F ) I F (1 R ) I R
7
2、改进的EM模型 计入了串联电阻、耗尽电容、并用电流源描述early效应
8
9
10
2.2 集成双极晶体管的有源寄生效应
加上Kirch VBC VCE 0
构成四个方程。假如Aij确定的话，四个 方程中还有6个未知的电流和电压参数。 如果给出二个电流或电压值，其它四个 电流与电压值就可确定。这四个公式对 于晶体管模拟是非常有用的，尤其是在 计算机辅助电路分析中，而且并不仅仅 限制在低水平注入条件。这些方程通常 称为Ebers-Moll方程。
双极型逻辑IC中，广泛使用的有源器件 是NPN管，二极管可利用不同的晶体管或单 独的pn结制得，设计时要考虑：芯片利用率 和寄生效应。 有源寄生效应影响集成电路的直流特性 和瞬态特性，是极其有害的；而无源寄生仅 影响电路的瞬态特性。
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双极晶体管包括NPN管和PNP管，而集成双极晶体管是以NPN管为主。
B
发 射 区
E
n+
P
B
外延层(集电区) Nepi
C
基 区
低阻衬底N+
C 分离双极型NPN晶体管（BJT）的结构
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集成电路中的元件都做在同一衬底上， 因此，其结构与分离器件有很大的不同。
所谓理想本征集成双极型晶体管，是指在
对其进行分析时，不考虑寄生效应。 实际IC中的晶体管结构，具有系列多维 效应。但在近似分析其直流特性时，可简化 为一维结构。
NPN
C(N) E
N + P N P
剖 面 P+ 图
P-Sub
E B N P
+
C
N+
N–-epi
P+
等 效 B 结 构 图
C S
4
Ebers and Moll 晶体管方程
为了更容易地分析含有BJT的电子 电路，通常将BJT模拟为二端电路元件。 用二个电流和二个电压足以能分析BJT 的工作原理，这里将BJT模拟为黑匣子 （black box）。NPN晶体管的共基极连 接如图所示，图中表示输入电流IE和电 压VBE，以及输出电流IC和电压VBC。 BJT可以看作二个耦合的二极管，其电 流-电压方程与二极管的电流-电压方程 相类似。事实上，这些方程可为：
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集成NPN的结构与寄生效应
为了在一个基片上制造出多个器件， 必须采用隔离措施，pn结隔离是一种常用 的工艺。在pn结隔离工艺中，典型NPN集 成晶体管的结构是四层三结构，即NPN管 的高浓度n型扩散发射区-NPN管的p型扩散 基区-n型外延层（NPN管的集电区）-p型 衬底四层，以及四层之间的三个pn结这样 的工艺结构。
NPN双极型 晶体管示意图
2
NPN BJT是两个半导体晶体的n型 区由中间的p型区耦合起来的；而PNP BJT是两个p型区由中间的n型区耦合起 来的。实际上，所有三个区域都是半导 体单晶的一部分。在这种器件中，电流 的描述涉及空穴和电子的运动，所以称 作为双极型晶体管。
3
2.1.1 集成NPN晶体管的结构 平 面 图 等 效 B(P) 电 路 PNP 图 S(P) E(N+)
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IE
IB
I1 I2 I3 I S’
IC
图2.1 NPN晶体管的结构示意图 15
由于存在寄生PNP晶体管，因此与分立晶体 管有很大的差别。实际的集成电路中，衬底始终
结最负电位，以保证各隔离岛之间的电绝缘，所
以寄生PNP不会严重影响集成电路的正常工作。
模拟IC中，NPN: 截止区和正向工作区→寄
生PNP发射结是反偏的； 数字IC中，NPN: 饱和或反向工作状态→寄生 PNP处于正向工作区。所以对数字集成电路来说， 减小寄生PNP管的影响显得特别重要。
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集成NPN管的寄生效应
rcs
寄生PNP 管EB结 寄生PNP 管BC结
Ccs
Ccs
rcs
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集成NPN管的有源寄生效应
四层三结结构 ：典型集成晶体管的四层三结结构-指NPN管的高浓度n型扩散发射区N+-NPN管的p型扩 散基区-n型外延层（NPN管的集电区）nepi （ epitaxial 外延的）-p型衬底四层p-Si ，以及四层 之间的三个pn结这样的工艺结构EB（ Emitter— Base ）结 、BC（ Base-Collector ）结、 CS结 （ Collector-Substrate ） 。 寄生PNP管处于放大区的三个条件： (1) EB结正偏（即NPN管的BC 结正偏） (2) BC结反偏（即NPN管的CS 结反偏） (3) 具有一定的电流放大能力（一般 pnp=1~3） 其中，条件(2)永远成立，因为pn结隔离就是要求衬底 P+隔离环接到最低电位。条件(3)一般也很容易达到。 18 条件(1)能否满足则取决于NPN管的工作状态。