半導(dǎo)體器件原理第三章3

1、 本節(jié)以緩變基區(qū)本節(jié)以緩變基區(qū)NPN 管為例，推導(dǎo)出在發(fā)射結(jié)和集電結(jié)管為例，推導(dǎo)出在發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上均外加任意電壓時(shí)晶體管的電流電壓方程。電流的參考方向上均外加任意電壓時(shí)晶體管的電流電壓方程。電流的參考方向和電壓的參考極性如下圖所示。和電壓的參考極性如下圖所示。EBCIEIBICVCEVBEVBCNN+P+- - - - 推導(dǎo)電流電壓方程時(shí)，利用擴(kuò)散方程的解具有線性迭加性推導(dǎo)電流電壓方程時(shí)，利用擴(kuò)散方程的解具有線性迭加性的特點(diǎn)：方程在的特點(diǎn)：方程在 “邊界條件邊界條件1” 時(shí)的解時(shí)的解n1(x) 與在與在 “邊界條件邊界條件2” 時(shí)的解時(shí)的解n2(x) 的和的和n1(x) + n2(x)，等于

2、以，等于以 “邊界條件邊界條件1與邊界條與邊界條件件2的和的和” 為邊界條件時(shí)的解為邊界條件時(shí)的解n (x) 。)()()(21xnxnxn)(1xn)(2xn0, 0BCBEVV0, 0BCBEVV0, 0BCBEVV0BW1、集電結(jié)短路、集電結(jié)短路 ( VBC = 0 ) 時(shí)的電流時(shí)的電流1exp1exp1expB12002kTqVIkTqVRRnqkTAkTqVdxNDdxNDqnAIIIBEESBEEipnEBEWEEWBBiEpEnEEEB口口1exp02kTqVdxNnqDAIBEWBiBEnEB1exp02kTqVdxNnqDAIBEWEiEEpEE 上式中，上式中，IES 代表

3、發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)零偏時(shí)的發(fā)射極電流，代表發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)零偏時(shí)的發(fā)射極電流，相當(dāng)于單獨(dú)的發(fā)射結(jié)構(gòu)成的相當(dāng)于單獨(dú)的發(fā)射結(jié)構(gòu)成的PN 結(jié)二極管的反向飽和電流。結(jié)二極管的反向飽和電流。 于是可得三個(gè)電極的電流為：于是可得三個(gè)電極的電流為：1exp)1 (1exp1expkTqVIIIIkTqVIIIkTqVIIBEESCEBBEESECBEESE2、發(fā)射結(jié)短路、發(fā)射結(jié)短路 ( VBE = 0 ) 時(shí)的電流時(shí)的電流 把發(fā)射區(qū)當(dāng)作把發(fā)射區(qū)當(dāng)作 “集電區(qū)集電區(qū)” ，把集電區(qū)當(dāng)作，把集電區(qū)當(dāng)作 “發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)” ，就得到一個(gè)就得到一個(gè) 倒向晶體管倒向晶體管，發(fā)射結(jié)短路就是倒向管的，發(fā)射結(jié)短路就是倒向管的

4、 “集電結(jié)短集電結(jié)短路路” ，故可得：，故可得：1exp)1 (1exp1expkTqVIIkTqVIIkTqVIIBCCSRBBCCSREBCCSC 上式中，上式中， ICS 代表集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)零偏時(shí)的集電極電流，代表集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)零偏時(shí)的集電極電流，相當(dāng)于單獨(dú)的集電結(jié)構(gòu)成的相當(dāng)于單獨(dú)的集電結(jié)構(gòu)成的PN 結(jié)二極管的反向飽和電流。結(jié)二極管的反向飽和電流。 R 代表倒向管的共基極直流短路電流放大系數(shù)，通常比代表倒向管的共基極直流短路電流放大系數(shù)，通常比 小得多。小得多。1exp1exp1exp1expkTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCCSRBEESE3、

5、電流電壓方程電流電壓方程 由于三個(gè)電流之間滿足由于三個(gè)電流之間滿足 IE = IC + IB ，三個(gè)電流中只有兩個(gè)，三個(gè)電流中只有兩個(gè)是獨(dú)立的。如果選取是獨(dú)立的。如果選取 IE 與與 IC ，所得為共基極電流電壓方程，所得為共基極電流電壓方程，也稱為也稱為 “埃伯斯莫爾方程埃伯斯莫爾方程 ” ： 將上述兩種偏置條件下得到的電流相加，即可得到發(fā)射結(jié)將上述兩種偏置條件下得到的電流相加，即可得到發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上均外加任意電壓時(shí)晶體管的電流電壓方程。和集電結(jié)上均外加任意電壓時(shí)晶體管的電流電壓方程。 如果選取如果選取 IB 與與 IC ，所得為共發(fā)射極電流電壓方程：，所得為共發(fā)射極電流電壓方程：1exp

6、1exp1exp)1 (1exp)1 (kTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCCSRBEESB 正向管與倒向管之間存在一個(gè)正向管與倒向管之間存在一個(gè) 互易關(guān)系互易關(guān)系：CSRESII4、共基極輸出特性、共基極輸出特性 以輸入端的以輸入端的IE 作參變量，輸出端的作參變量，輸出端的IC 與與VBC 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 由共基極電流電壓方程：由共基極電流電壓方程：EBCIEICVBCNN+P+- -B1exp1exp1exp1expkTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCCSRBEESE消去消去VBE ，得：，得： 當(dāng)當(dāng)VBC = 0 時(shí)

7、，時(shí)，在放大區(qū)，在放大區(qū)， VBC 0 ，且當(dāng)，且當(dāng) 時(shí)，時(shí)，ECIIqkTVBC|CBOECIII ICBO 代表發(fā)射極開路代表發(fā)射極開路( IE = 0 )、集電結(jié)反偏、集電結(jié)反偏 ( VBC 0 ) 時(shí)的時(shí)的集電極電流，稱為共基極反向截止電流。集電極電流，稱為共基極反向截止電流。1exp1exp)1(kTqVIIkTqVIIIBCCBOEBCCSREC 上式中，上式中，CSRCBOII)1( 共基極輸出特性曲線：共基極輸出特性曲線： 5、共發(fā)射極輸出特性、共發(fā)射極輸出特性 以輸入端的以輸入端的IB 為參變量，輸出端的為參變量，輸出端的 IC 與與VCE 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 由共發(fā)射

8、極電流電壓方程：由共發(fā)射極電流電壓方程：ECBPNIBICNEVCE1exp1exp1exp)1 (1exp)1 (kTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCCSRBEESB1)(exp1exp11kTVVqIIkTqVIIICEBECEOBBCCBOBC上式中：上式中：或：或：CBOCBOCBOCEOIIII)1 (1CSRCEOII11消去消去VBE ，得：，得： 當(dāng)當(dāng) VBC = 0，或，或VBE = VCE 時(shí)，時(shí)， 在放大區(qū)，在放大區(qū)，VBC 0 ，或，或VBE VCE ，BCIICEOBCIII ICEO 代表基極開路代表基極開路 ( IB = 0 ) 、集

9、電結(jié)反偏、集電結(jié)反偏 ( VBC 0 ) 時(shí)從發(fā)時(shí)從發(fā)射極穿透到集電極的電流，稱為共發(fā)射極反向截止電流，或共射極穿透到集電極的電流，稱為共發(fā)射極反向截止電流，或共發(fā)射極穿透電流。發(fā)射極穿透電流。1)(expkTVVqIIICEBECEOBC 共發(fā)射極輸出特性曲線：共發(fā)射極輸出特性曲線： 圖中，虛線表示圖中，虛線表示VBC = 0 ，或，或VCE = VBE ，即放大區(qū)與飽和區(qū)，即放大區(qū)與飽和區(qū)的分界線。在虛線右側(cè)，的分界線。在虛線右側(cè)，VBC VBE ，為放大區(qū)；在，為放大區(qū)；在虛線左側(cè)，虛線左側(cè)，VBC 0 ，或，或VCE VBE ，為飽和區(qū)。，為飽和區(qū)。 幾種反向電流的小結(jié)：幾種反向電流的

10、小結(jié)： (1) IES ：VBE 0 、VBC = 0 時(shí)的時(shí)的 IE ，相當(dāng)于單個(gè)發(fā)射結(jié)的，相當(dāng)于單個(gè)發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。反向飽和電流。 (2) ICS ：VBC 0 、VBE = 0 時(shí)的時(shí)的 IC ，相當(dāng)于單個(gè)集電結(jié)的，相當(dāng)于單個(gè)集電結(jié)的反向飽和電流。反向飽和電流。 (4) ICEO ：VBC 0 、IB = 0 時(shí)的時(shí)的 IC ，在共發(fā)射極電路放大區(qū)中，在共發(fā)射極電路放大區(qū)中，CBOCBOCEOIII1CEOBCIII (3) ICBO ：VBC 0 、IE = 0 時(shí)的時(shí)的 IC ，在共基極電路放大區(qū)中，在共基極電路放大區(qū)中，CSRCBOII)1(CBOECIII (5) IEBO

11、 ：VBE 0 、IC = 0 時(shí)的時(shí)的 IE ，ESREBOII)1 ( 6、基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)、基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)厄爾利效應(yīng)厄爾利效應(yīng) 在共發(fā)射極放大區(qū)，由前面的公式，在共發(fā)射極放大區(qū)，由前面的公式，IC =IB + ICEO , IC 與與VCE 無關(guān)。但在實(shí)際的晶體管中，無關(guān)。但在實(shí)際的晶體管中，IC 隨隨VCE 的增大會(huì)略有增大。的增大會(huì)略有增大。 原因：原因：當(dāng)當(dāng)VCE 增大時(shí)，集電結(jié)反偏增大（增大時(shí)，集電結(jié)反偏增大（VBC = VBE - VCE），），集電結(jié)耗盡區(qū)增寬，使中性基區(qū)的寬度變窄，集電結(jié)耗盡區(qū)增寬，使中性基區(qū)的寬度變窄， 基區(qū)少子濃度分布基區(qū)少子濃度分布的梯度的梯度 增大

12、，從而使增大，從而使IC 增大。這種現(xiàn)象即稱為增大。這種現(xiàn)象即稱為 基區(qū)寬度調(diào)基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)變效應(yīng)，也稱為，也稱為 厄爾利效應(yīng)厄爾利效應(yīng)。|dxdn|WBWBWBWBxNNP00np（x） 當(dāng)忽略基區(qū)中的復(fù)合與當(dāng)忽略基區(qū)中的復(fù)合與 ICEO 時(shí)，時(shí)，1exp02kTqVdxNnqDAIIBEWBiBEnECBCEBBBWBBEiBEVCECdVdWWNdxNkTqVnqDAVIBBE)(11exp202CEBBBWBCdVdWWNdxNIB)(10oACrVI1中的部分，即中的部分，即 。上式中：上式中：稱為稱為 厄爾利電壓厄爾利電壓 。，稱為，稱為 共發(fā)射極增量輸出電阻共發(fā)射極增量輸出電阻。 ，為集電結(jié)耗盡區(qū)進(jìn)入基區(qū)，為集電結(jié)耗盡區(qū)進(jìn)入基區(qū)CACCEoIVIVrCEdBBBWBCEBBBWBAdVdxWNdxNdVdWWNdxNVBB)()(00px212CECBBCsdBVNNNNqx 對(duì)于均勻基區(qū)，對(duì)于均勻基區(qū)，或：或： 可見，為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度可見，為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度WB ， 減小集減小集電結(jié)耗盡區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度電結(jié)耗盡區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度 xdB ，即增大基區(qū)摻