三极管器件介绍与仿真

本推文简述三极管即BJT器件，具体包括NPN和PNP的仿真相关内容。

PART 01

BJT器件介绍

三极管器件介绍

下图是两种BJT的简化结构图，每个晶体管有3个半导体区，分别称为发射区、基区和集电区。基区总是夹在发射区和集电区之间。NPN晶体管由N型的发射区、P型的基区和N型的集电区组成。同样，PNP晶体管由P型的发射区、N型的基区和P型的集电区组成。在这些简化的剖面图中，晶体管的每个区域都是由均匀掺杂的矩形硅构成的，现代BJT的剖面结构略有不同，但工作原理是一样的。

下图中显示了两种类型晶体管的电路符号，发射极线上的箭头代表正偏情况下发射结的电流方向，虽然集电极和基极之间也存在结，但集电极线上没有箭头。在下图简化的晶体管中，发射结和集电结看上去是一样的，有人便自然地以为将集电区和发射区对调并不会对器件的性能造成影响，实际上，这两个结的杂质分布和几何形状都有所不同，因而不能对调。BJT可以看做是两个背靠背连接的PN结，晶体管的基区很窄（大约为1~2μm），由于两个结靠得很近，所以载流子能够在复合前从一个结扩散到另一个结，因此一个结的导通也会影响到另一个结的特性。下图（a）所示为一个NPN晶体管，它的发射结电压为0V，集电结电压为5V，由于两个结都不在正偏状态下，因此晶体管的3个端都只有极小的电流流过，两个结都反偏（或零偏）的晶体管处于截止状态。下图（b）为同一晶体管，有10μA的电流注入基极，这个电流使得发射结处于0.65V的正偏电压下，此时尽管集电结仍处于反偏状态，但却具有比基极电流大100倍的集电极电流通过，这个电流是正偏的发射结和反偏集电结相互作用的结果。只要按照这种方式对晶体管施加偏置，则称其工作在正向放大区。如果将发射极和集电极相互对调，发射结反偏而集电结正偏，则称晶体管工作在反向放大区，但晶体管很少工作在这种方式下。

三极管的原理在几乎每本半导体物理和微电子器件中都会有非常详细的介绍，下面展示三极管的一些仿真结果。

PART 02

NPN器件仿真

NPN器件仿真结果

NPN器件仿真结构图

下图是Vbe的仿真结果，其中横轴是Vb ，纵轴是Ic ，发射极接0，可以看到在NPN基极和发射极之间存在一个PN结，所以下图曲线会有一段死区。一般会对Ic取对数，选取1μA时的集电极电流作为Vbe，即开启电压。

其它特性不进行一一文字介绍，下面是仿真结果的展示。

NPN器件直流特性仿真结果

NPN器件放大系数仿真曲线

NPN器件IcVce特性仿真结果

NPN器件BVcbo特性扫描仿真命令

NPN器件BVcbo特性扫描仿真结果

NPN器件频率特性仿真结果

PART 03

PNP器件仿真

PNP器件仿真结果

PNP器件仿真结构图

PNP器件直流特性仿真结果

PNP器件放大系数仿真曲线

PNP器件IcVce特性仿真结果

PNP器件BVebo特性仿真结果

PNP器件频率特性仿真结果