第3章晶體管直流特性

電子器件基礎(chǔ)湖南大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)1第3章晶體管直流特性

第1節(jié)晶體管基本結(jié)構(gòu)與放大機(jī)理第2節(jié)晶體管直流電流電壓方程第3節(jié)晶體管電流放大系數(shù)與特性曲線第4節(jié)晶體管反向電流與擊穿電壓第5節(jié)晶體管基極電阻電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性2掌握雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布，放大機(jī)理和電流放大系數(shù)，直流電流——電壓方程，反向電流和反向擊穿特性，基區(qū)電阻和寄生參數(shù)，直流特性的影響因素及其關(guān)系。本章要求：電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性3電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性第1節(jié)晶體管基本結(jié)構(gòu)與放大機(jī)理C(N)B(P)E(N)C(P)B(N)E(P)B(基極)C(集電極)E(發(fā)射極)P(N)P+(N+)N(P)集電結(jié)集電區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)1晶體管結(jié)構(gòu)晶體管又稱為晶體三極管兩種類型：P+NP、N+PN3區(qū)：集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)3極：集電極、基極、發(fā)射極兩個PN結(jié)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)（背靠背，有機(jī)結(jié)合）4電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性晶體管的分類5電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性6電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性7電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性合金管WbxjexjcN-GeECBInIn+Ga

PPxjexjcPPNWb1019cm-31018cm-31015cm-3NA-NDx0N-Ge為襯底，雜質(zhì)濃度最低；發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均為突變結(jié)；均勻基區(qū)晶體管：基區(qū)雜質(zhì)均勻分布（3個區(qū)）8電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性合金擴(kuò)散管PN+NP-GeEBCIn+Ga+SbZn+SbP

PNxjexjcNA-NDx0NSWB=xjc-xje發(fā)射結(jié)(合金結(jié))為突變結(jié)；集電結(jié)(擴(kuò)散結(jié))為緩變結(jié)；緩變基區(qū)晶體管：基區(qū)雜質(zhì)濃度變化。9電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性外延平面晶體管EBCNPN+N+-SiN-Si襯底N+發(fā)射區(qū)集電區(qū)絕緣層(SiO2)P基區(qū)金屬層(Al

)N+

PNxjexjcNA-NDx0NSWB=xjc-xjeN+N-Si為外延層濃度最低；發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均為緩變結(jié)；臺面管：采用磨角使集電結(jié)形成臺面結(jié)構(gòu)10電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性PN結(jié)二極管的重要作用是具有單向?qū)щ娦裕痪w管的重要作用是具有放大能力；以均勻基區(qū)晶體管為例，分析晶體管內(nèi)部載流子傳輸，定性說明晶體管的放大作用。對N+PN晶體管分析，P+NP管類似。2晶體管的放大機(jī)理11電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性無外加電壓作用統(tǒng)一費(fèi)米能級EF多子：nne

>

ppb

>

nnc雜質(zhì)濃度：NE>NB>NC少子：pne

<

npb

<

pnc發(fā)射結(jié)自建電場Ee集電結(jié)自建電場Ec勢壘高度：qVDE>qVDC勢壘寬度：xme

<xmc平衡態(tài)WeWbWcxmexmcEBCN+PNqVDCqVDEEcEFEVpncnncnpbppbnnepnenpxx1x2x3x40Ee

Ec

12電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性晶體管放大工作發(fā)射結(jié)：外加正偏電壓：VE>0勢壘高度減小為q(VDE－VE)發(fā)射區(qū)電子注入基區(qū)nb(x)基區(qū)空穴注入發(fā)射區(qū)pe(x)集電結(jié)：外加反偏電壓：VC<0勢壘高度增加為q(VDC－VC)結(jié)附近的少子被反向抽取VEEBCN+PNVCq(VDE－VE)q(VDC－VC)pncpc(x)npbnb(x)pnepe(x)npxx1x2x3x40LpeLpc13電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性晶體管共基極連接VEEBCN+PNVCICIEIBIVB發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子電流InE基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流IpE基區(qū)電子與空穴的復(fù)合電流IVB集電結(jié)收集到的電子電流InC通過集電結(jié)的反向電流ICBO電流關(guān)系：IE=InE+IpEIC=InC+ICBOInC=InE－IVBIB=IpE+IVB－ICBO

IE=IC+IB

如nne>>ppb：

IE=InE+IpE≈InE如WB<<LnB：

InC=InE－IVB≈InE14電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性載流子傳輸ECBPNN+IVBIEICIBInEInCIpEICBO15電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性第2節(jié)晶體管直流電流電壓方程

1均勻基區(qū)晶體管假設(shè)：(1)理想突變結(jié)近似，雜質(zhì)都是均勻分布；(2)一維晶體管，平行平面結(jié)；(3)電壓降在勢壘區(qū)，勢壘區(qū)外無電場；

(4)勢壘區(qū)寬度比少子擴(kuò)散長度小得多，勢壘復(fù)合可以忽略；(5)小注入，注入基區(qū)的少子濃度比基區(qū)多子濃度少得多。16電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性載流子濃度分布且Wb<<Lnb，解得基區(qū)少子濃度線性分布：注入基區(qū)的少子濃度滿足連續(xù)性方程：利用基區(qū)的邊界條件：17電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性pncpc(x)npbnb(x)pnepe(x)npx-x1Wbx40LpeLpc同理可推出發(fā)射區(qū)少子分布：集電區(qū)少子分布：晶體管放大工作時發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，均遠(yuǎn)大于KT/q，則有：18電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性基區(qū)電子電流密度：

19電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性集電結(jié)反偏且時，有：

基區(qū)寬度很?。╓b<<Lnb）時，式中的雙曲函數(shù)展開，并只取一次冪，即x→0時，cosh(x)=0，sinh(x)=x，有：

基區(qū)內(nèi)載流子復(fù)合可忽略，沒有載流子損失，jnb為常數(shù)。20電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性發(fā)射區(qū)空穴電流密度:發(fā)射區(qū)內(nèi)無電場，只有空穴擴(kuò)散電流：x≤-x1We<LpeLpe<We21電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性集電區(qū)空穴電流密度:集電區(qū)內(nèi)無電場，只有空穴擴(kuò)散電流：x≥x4Wc<LpcLpc<Wc22電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性發(fā)射極電流與集電極電流23電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性則上面兩式可簡化為：當(dāng)Wb<<Lnb

時，24電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性2緩變基區(qū)晶體管緩變基區(qū)中的自建電場形成：

大多數(shù)晶體管是緩變基區(qū)，基區(qū)多子存在濃度梯度，引起空穴向濃度低的地方擴(kuò)散，空穴擴(kuò)散破壞基區(qū)電中性，在基區(qū)建立電場

Eb，方向?yàn)榧娊Y(jié)指向發(fā)射結(jié)。N+

PNxjexjcNA-NDx0NSWb=xjc-xjeEb25電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性阻礙多子空穴繼續(xù)擴(kuò)散，Eb

對空穴的漂移與空穴的擴(kuò)散方向相反，達(dá)到動態(tài)平衡時凈空穴電流為零；對發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的非平衡少子電子，Eb

起加速作用，使電子在基區(qū)運(yùn)動得更快，集電結(jié)收集的電子數(shù)增加，電流增加。基區(qū)自建電場的作用：N+

PNxjexjcNA-NDx0NSWb=xjc-xjeEb26電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性動態(tài)平衡時凈空穴電流密度為零：基區(qū)自建電場：由基區(qū)摻雜濃度NB(x)→Eb(x)；對均勻基區(qū)晶體管，NB(x)=NB，Eb(x)=0。27電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性如基區(qū)雜質(zhì)濃度為指數(shù)分布：NB(0)：基區(qū)靠發(fā)射結(jié)邊界處雜質(zhì)濃度，η：電場因子均勻基區(qū)：NB(Wb)=NB(0)=NB，η=0如NB(Wb)=5×1015cm-3，NB(0)==5×1017cm-3，η=4.6與x無關(guān)，為均勻電場取決于基區(qū)雜質(zhì)濃度差28電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性緩變基區(qū)中少子濃度分布及電流密度近似認(rèn)為基區(qū)復(fù)合可忽略：jnb(x)=jnB；電子在基區(qū)內(nèi)既有擴(kuò)散運(yùn)動，也有漂移運(yùn)動；移項(xiàng)后，從x到Wb積分，集電結(jié)反偏，且nb(Wb)=0，對于基區(qū)雜質(zhì)濃度為指數(shù)分布，推得：電子電流密度為：29電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性均勻基區(qū)晶體管η=0，可求得nb(x)線性分布（羅比塔法則）η越大，基區(qū)電場越強(qiáng)，nb(x)下降，尤其靠發(fā)射區(qū)附近，載流子濃度梯度減小，是電場的漂移加速載流子運(yùn)動的結(jié)果。30電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性從0到Wb積分有：jnb(x)=jnB=jnE，集電結(jié)反偏，nb(Wb)=0，且：同樣方法可推得

jpE，則IE=A(jnE+jpE)31電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性基區(qū)少子連續(xù)性方程：代入jnB得：基區(qū)雜質(zhì)濃度指數(shù)分布時，代入基區(qū)均勻電場得：解方程求出nb(x)，得到j(luò)nB，同樣方法推得jnE、

jpE、

jnC、jpC，得到IE和IC：嚴(yán)格推導(dǎo)思路（具體過程略）：32電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性其中：33電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性第3節(jié)晶體管電流放大系數(shù)與特性曲線電流放大系數(shù)是晶體管的主要直流參數(shù)之一；不同偏置電壓接法，有不同的電流放大系數(shù)；輸出端電壓對放大系數(shù)有影響，先討論輸出短路情況；討論緩變基區(qū)晶體管電流放大系數(shù)。34電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性1晶體管電流放大系數(shù)

VEEBCN+PNVCICIEIBICBOInCInEIpEIVB電子運(yùn)動三個過程：發(fā)射結(jié)發(fā)射電子；電子在基區(qū)輸運(yùn)；集電結(jié)收集電子。共基極電流放大系數(shù)

35電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性發(fā)射效率：注入基區(qū)的電子電流與發(fā)射極電流的比值

輸運(yùn)系數(shù)：到達(dá)集電極的電子電流與進(jìn)入基區(qū)的電子電流之比，其差別即基區(qū)復(fù)合的損失。

集電區(qū)倍增因子：反向飽和電流比電子(多子)電流小得多。反壓接近雪崩擊穿電壓時，考慮集電結(jié)空間電荷區(qū)雪崩倍增：

36電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性晶體管的放大作用輸入電流變化ΔIE，引起輸出端電流變化ΔIC，且ΔIC=αΔIE，因?yàn)棣?lt;1，所以ΔIC<ΔIE，無電流放大。電壓增益:功率增益:VEEBCN+PNVCICIEIBICBOInCInEIpEIVBRCRE37電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性·VBEBCN+PNVCICIEIBRCRB共發(fā)射極電流放大系數(shù)晶體管的放大作用輸入電流變化ΔIB，引起輸出端電流變化ΔIC，且ΔIC=βΔIB，因?yàn)棣?gt;>1，同時具有電流放大、電壓放大和功率放大。38電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性晶體管放大要求：IC～I(xiàn)E>>IB外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，有載流子注入，re??；集電結(jié)反偏，能夠收集載流子，rc大。內(nèi)部條件：

NE>>NB，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)載流子數(shù)多，發(fā)射效率高；

Wb<<Lnb，基區(qū)載流子復(fù)合損失少，集電結(jié)收集到的載流子數(shù)多，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)大。39電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性2晶體管的特性曲線反映各電極之間電流與電壓的關(guān)系輸入特性曲線共基極：（VCB一定時IE～VBE的關(guān)系）VCB=0時，集電結(jié)短路，輸入特性即發(fā)射結(jié)正向特性；VCB增加，

xmc增加，Wb減小，InE增加，

IE增加。40電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性共發(fā)射極（VCE一定時IB～VBE的關(guān)系）VCE=0時，集電極與發(fā)射極短路，集電結(jié)與發(fā)射結(jié)并聯(lián)，輸入特性即兩個并聯(lián)PN結(jié)的正向特性；VCE增加，

xmc增加，Wb減小，IB減??；VBE

=0時，基極與發(fā)射極短路，如VCE≠0，則VCB≠0，有集電結(jié)反向電流ICBO流過基極。ICBO41電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性輸出特性曲線

共基極：（IE一定時IC～VCB的關(guān)系）

IC=

αIE+ICBOIE

=0時，發(fā)射極開路，只有集電結(jié)反向電流ICBO流過；IE增加(VBE增加)，

IC增加；VCB

=0時，集電結(jié)短路，發(fā)射結(jié)正偏，仍有電流IC流過；VCB

<0時，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)仍正偏，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)向基區(qū)注入載流子方向相反，作用抵消，

IC下降。42電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性共發(fā)射極（IB一定時IC～VCE的關(guān)系）

IC=

βIB+ICEOIB

=0，基極開路，VCE使集電結(jié)反偏和發(fā)射結(jié)正偏，基區(qū)電流為ICBO，集電極電流(穿透電流)

ICEO=(1+β)ICBO；IB增加(VBE增加)，

IC增加；VCE=VCB+VBE，VCE=VBE時VCB

=0，集電結(jié)零偏，仍有電流IC流過，VCE

再下降，VCB<0時，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)仍正偏，IC下降。43電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性晶體管三個工作區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)ICVCE0IB=0IB↑ICEOVCE=VBE放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，IB與IC近似成線性關(guān)系IC=

βIB，IB微小的變化可引起IC

較大的變化，且IC幾乎與VCE無關(guān)，晶體管可看成受基極電流控制的恒流源。截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏，IC為穿透電流ICEO，晶體管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，相當(dāng)于開路。44電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，VCE=VBE為臨界飽和線(集電結(jié)零偏)，當(dāng)VCE<VBE時，IC≠

βIB，晶體管壓降為飽和壓降VCES；硅管VCES≈0.3V，鍺管VCES≈0.1V，晶體管呈現(xiàn)低電阻，相當(dāng)于短路。晶體管放大工作：放大區(qū)晶體管開關(guān)工作：飽和區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)ICVCE0IB=0IB↑ICEOVCE=VBE45電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性發(fā)射效率?。焊鶕?jù)愛因斯坦關(guān)系：由定義：3電流放大系數(shù)理論分析

46電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性(緩變基區(qū)與均勻基區(qū)注入效率有相同表達(dá)式)基區(qū)方塊電阻：發(fā)射區(qū)方塊電阻：發(fā)射區(qū)電阻率：基區(qū)電阻率：47電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)基區(qū)體內(nèi)復(fù)合電流：

0基區(qū)非平衡少子總數(shù)：

48電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性系數(shù)λ取決于電場因子η：均勻基區(qū)電場因子η→0，λ→2；η增加，λ增加，β*增加，緩變基區(qū)自建電場對載流子渡越基區(qū)起加速作用，基區(qū)復(fù)合減小。49電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性α↑(β↑)：NE↑，增加注入電流，提高發(fā)射效率；

Wb↓，減少基區(qū)載流子復(fù)合；

λ↑，即η↑，加速基區(qū)少數(shù)載流子運(yùn)動；

Lnb↑,即μnb↑,τnb

↑,減少載流子損失。電流放大系數(shù)

50、表達(dá)式1.表達(dá)式=**(3)*=12.表達(dá)式>>151

理想晶體管的輸入、輸出特性1.共基極IE

/mAVBE

/VVCB輸入特性輸出特性IeIbIcVbeVcb52理想晶體管的輸入、輸出特性2.共射極VCE輸入特性輸出特性IbIeIcVbeVce53電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性4影響電流放大系數(shù)的其他因素

對電流放大系數(shù)的影響除上述因素外，還有一些次要因素。發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合N+?????????????????????????????NPInEIpEIVEIEEBC發(fā)射結(jié)正偏，空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度高于平衡值，有凈復(fù)合產(chǎn)生，使從發(fā)射極進(jìn)入的電子流過發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)時要復(fù)合損失一部分，使發(fā)射效率降低。54電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性考慮IVE

的總發(fā)射極電流：發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合電流：發(fā)射效率：55Vbe

Ic

IvbIeIreIpeIne-x10增益

隨電流Ic變化56電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性發(fā)射區(qū)重?fù)诫s

NE增加使提高，但NE過高又使發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄、俄歇復(fù)合增強(qiáng)，從而使下降。（1）禁帶寬度變窄不考慮禁帶變窄時本征載流子濃度為：考慮禁帶寬度變窄，則本征載流子濃度為：57電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性發(fā)射區(qū)濃度分布不均勻，少子空穴分布不均勻產(chǎn)生自建電場，用少數(shù)載流子濃度表示：考慮禁帶變窄后的少子濃度：禁帶變窄附加電場與雜質(zhì)濃度梯度形成電場的方向相反，它加速基區(qū)向發(fā)射區(qū)流入空穴，使發(fā)射效率降低。58電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性考慮重?fù)诫s影響后的發(fā)射效率為：

有效雜質(zhì)濃度：重?fù)诫s時禁帶變窄?Eg使本征載流子濃度nie增加，附加電場加速基區(qū)向發(fā)射區(qū)流入空穴，發(fā)射區(qū)復(fù)合增加，有效雜質(zhì)濃度Neff降低，發(fā)射效率γ降低。59電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性同時考慮兩種復(fù)合，發(fā)射區(qū)空穴壽命為：

為SHR復(fù)合壽命，典型值。為俄歇復(fù)合壽命。（2）俄歇復(fù)合（Auger復(fù)合）一般載流子復(fù)合是通過復(fù)合中心的間接復(fù)合，其理論模型是Shocly、Hall和Read建立的，稱為SHR復(fù)合。實(shí)驗(yàn)證明重?fù)诫s硅中載流子復(fù)合主要是俄歇復(fù)合，是一種帶間復(fù)合，復(fù)合率與n2有關(guān)，復(fù)合時伴隨發(fā)射聲子，多余能量傳給晶格，加劇晶格振動。60電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性在重?fù)诫s（雜質(zhì)濃度在1019cm-3以上時）的發(fā)射區(qū)中，雜質(zhì)（多子）濃度高，俄歇復(fù)合增加，發(fā)射區(qū)載流子壽命縮短，載流子復(fù)合增加，使注入到發(fā)射區(qū)的空穴濃度增加，空穴電流增大，發(fā)射效率降低。實(shí)驗(yàn)得N型硅中：P型硅中：俄歇復(fù)合系數(shù)：61電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性表面復(fù)合在上節(jié)討論基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)時，我們只考慮基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)受體內(nèi)復(fù)合損失的影響，實(shí)際上注入基區(qū)少子一部分要流到基區(qū)表面，在基區(qū)表面復(fù)合，形成表面復(fù)合電流ISB，到達(dá)集電極的載流子減少，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)下降。考慮表面復(fù)合后，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為：

62電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性對緩變基區(qū)晶體管：表面復(fù)合主要取決于表面狀態(tài)，在半導(dǎo)體表面必須有良好的保護(hù)；由于Si-SiO2界面存在界面態(tài)，使表面復(fù)合速度加大；基區(qū)濃度大，基區(qū)寬度大，表面復(fù)合嚴(yán)重?；鶇^(qū)輸運(yùn)系數(shù)：63電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)（Early效應(yīng)）晶體管放大工作，發(fā)射結(jié)正偏，結(jié)電壓變化不大，近似認(rèn)為發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度xme不變。而集電結(jié)反向偏壓VCE增加時，集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度xmc增加，有一部分向基區(qū)擴(kuò)展，使有效基區(qū)寬度Wb減小，電流放大系數(shù)β增大。+NNPxmexmc64N+PNWb*WbVcb

Wb*

dnb/dx

IneIc

Early電壓對非均勻基區(qū)晶體管影響輸出電阻65電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性IB不變時，IC=βIB隨VCE增加而增大，輸出特性曲線傾斜，特性曲線延長線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)電壓VEA稱為厄爾利電壓。ICIC’VCE由三角形相似關(guān)系可得：66電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性電流放大系數(shù)為：VCE越大，基區(qū)寬變效應(yīng)越嚴(yán)重，輸出特性曲線越傾斜，VEA絕對值越小，電流放大系數(shù)β增加越大；由于β與VCE

有關(guān)，測量電流放大系數(shù)時，必須規(guī)定電壓的測試條件，如VCE=5V；

由于β與IC

有關(guān)，測量電流放大系數(shù)時，必須規(guī)定電流的測試條件，如ICE=5mA。67

晶體管的非理想現(xiàn)象5.大注入效應(yīng)之一Webster效應(yīng)Dnb2Dnb基區(qū)大注入條件：npb(0)~NbEx.：Sinpn晶體管：若Nb=1017cm-3,計(jì)算當(dāng)npb(0)=0.1Nb時所需的發(fā)射結(jié)偏壓Vbe.（答案：0.76V）qVbe/kTqVbe/2kT68Webster效應(yīng)

晶體管的非理想現(xiàn)象5.大注入效應(yīng)之一Webster效應(yīng)增益

隨電流Ic變化Ic發(fā)射結(jié)復(fù)合電流基區(qū)復(fù)合Webster效應(yīng)69

晶體管的非理想現(xiàn)象5.大注入效應(yīng)之二Kirk效應(yīng)（基區(qū)展寬效應(yīng)）pnxn+E集電區(qū)大注入：nc~Nc集電極電流Jc

ncq(Nb+nc)q(Ncnc)飽和漂移速度70

晶體管的非理想現(xiàn)象中性nc=Ncnc>Nc--------------Emax問題：計(jì)算Jc0,nc0

即Jc>Jc0WbWb+Wb

5.大注入效應(yīng)之二Kirk效應(yīng)Kirk效應(yīng)臨界Jc0nc=nc071

晶體管的非理想現(xiàn)象5.大注入效應(yīng)之三發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（基極電阻自偏壓效應(yīng)）Seff-發(fā)射極有效半寬SeJ(Seff)=J(0)/ezyx72

晶體管的非理想現(xiàn)象5.大注入效應(yīng)之三發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（基極電阻自偏壓效應(yīng)）發(fā)射極電流分布V(y)Je(y)Seff=?yyy+dy+dIBJCy……0EBrbb’73

晶體管的非理想現(xiàn)象6.發(fā)射結(jié)結(jié)面積對的影響n+pnAje*AjeoIne’Ine本征基區(qū)：Wb

<<Lnb非本征基區(qū)：Wb

>>Lnb要

則要Ajeo/Aje*

結(jié)面積大、結(jié)淺74實(shí)際晶體管的輸入、輸出特性Webster/Kirk效應(yīng)發(fā)射結(jié)復(fù)合電流影響Si晶體管發(fā)射結(jié)復(fù)合電流Webster/Kirkrbb’自偏壓Vbe(V)752.3.6實(shí)際晶體管的輸入、輸出特性2.3直流特性281.共基極輸入、輸出特性EBCEarly效應(yīng)輸入特性輸出特性N+PNWb*WbVcb

Wb*

dnb/dx

IneIc

dnb/dx

762.3.6實(shí)際晶體管的輸入、輸出特性2.3直流特性292.共射極輸入、輸出特性輸入特性輸出特性BECEarly效應(yīng)Early效應(yīng)問題：為什么Early效應(yīng)對共發(fā)射極輸出特性有明顯影響，而共基極輸出特性卻無明顯影響？基區(qū)復(fù)合減少77電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性第4節(jié)晶體管反向電流與擊穿電壓NPN+CEBVCBICBONPN+CEBVEBIEBOICBO：發(fā)射極開路，集電結(jié)的反向電流。IEBO：集電極開路，發(fā)射結(jié)的反向電流。ICEO：基極開路，集電極與發(fā)射結(jié)之間的反向電流——穿透電流。1晶體管反向電流特點(diǎn)：不受輸入電流控制，對放大無貢獻(xiàn)；消耗部分電源能量；影響穩(wěn)定工作。78電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性BNPN+CEVCEICEO基極開路由于：基極開路時，雖IB=0，但VCE同時使集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，晶體管具有放大作用，流過集電極和發(fā)射極的總電流ICEO是集電結(jié)反向電流ICBO的1+β倍。79電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性VCE使集電結(jié)反偏，有電流ICBO流入基區(qū)，相當(dāng)于基極電流IB=ICBO

；基極開路，有：發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)電流InE，基區(qū)輸運(yùn)過程復(fù)合損失電流IVB，集電結(jié)收集電流InC=

βIB，則：

80電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性NPN+CEBBVCBOICBONPN+CEBBVEBOIEBO晶體管擊穿電壓（決定了外加電壓的上限）BVCBO：發(fā)射極開路，集電結(jié)反向擊穿電壓。BVEBO：集電極開路，發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓。81電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性考慮集電結(jié)高反壓偏置，有載流子倍增因子：BNPN+CEBVCEOICEO當(dāng)αM→1時，IC→∞集電結(jié)擊穿，V=BVCEO基極開路，IB=0BVCEO：基極開路，集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。82電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性由于α≤1，只要M稍大于1，集電結(jié)只要發(fā)生小量倍增，就能滿足αM=1，就會引起IC劇增而發(fā)生擊穿；單獨(dú)集電結(jié)擊穿電壓BVCBO是雪崩倍增因子M→∞時集電結(jié)的反向偏壓；BVCEO<BVCBO，取決于電流放大系數(shù)；由于測試時，發(fā)射極正偏，集電極反偏，晶體管具有放大作用。擊穿條件：83電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性BVCEO的測試曲線：反偏電壓達(dá)到BVCEO時發(fā)生擊穿，擊穿后電壓降低，電流升高，出現(xiàn)負(fù)阻特性。谷值電壓Vsus稱維持電壓。電流放大系數(shù)α

與電流IC有關(guān)：在IC

較小時，空間電荷區(qū)的復(fù)合作用影響較大，α

較??；隨著IC增大，這種影響逐漸減弱，α

隨IC上升而增大；大電流時，由于發(fā)射區(qū)向基區(qū)大注入，產(chǎn)生大注入效應(yīng)使α

隨IC增大而降低。84電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性由對VCE微分，得CE間動態(tài)電阻：（i）當(dāng)VCE增加到接近于BVCEO時，M值明顯增大，但電流IC很小且?guī)缀醪蛔儯瑒tα不變，dα/dIC=0，而(1-αM)2減小，直到BVCEO時，αM=1，集電結(jié)發(fā)生擊穿，rCE=0，對應(yīng)于峰值，此時VCE=BVCEO；（ii）發(fā)生擊穿后，IC迅速增大，引起α

增大，dα/dIC>0，

rCE式中分子出現(xiàn)負(fù)值，rCE<0，出現(xiàn)負(fù)阻特性；85電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性（iii）隨著IC不斷增大，

α增大變緩，dα/dIC減小，再次使rCE式中分子為0，再次出現(xiàn)rCE=0，電壓出現(xiàn)谷值Vsus。（iv）當(dāng)IC到達(dá)谷值后再繼續(xù)增大時，大電流時α

減小，dα/dIC<0，rCE>0，故IC隨VCE增加而增大。86電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性峰值處：1-αM=0，集電結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，V=BVCEO，VB=BVCBO87電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性谷值處：集電結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，V=Vsus，集電結(jié)VB=BVCBO因ICBO很小，可以忽略時，Vsus=BVCEO

，負(fù)阻區(qū)很小，電壓下降很小。88電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性不同基極偏置條件的擊穿電壓○○VCEBVCEORLCEBrbRBRBVBBVCESBVCERBVCEXTBVCEZRBVB晶體管工作時，基極并不只是開路的，常在基極與發(fā)射極之間串接外電阻，或者電源，或者短路。晶體管的工作情況不同，C-E極間的擊穿電壓也不同。BVCEZ＜BVCEO＜

BVCER＜

BVCES＜

BVCEX≤BVCBO89電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性3穿通電壓發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)（外延層）耗盡層襯底CBEPN+NN+WcWb集成電路中外延平面晶體管正常工作時的結(jié)構(gòu)如圖，有正常擊穿特性；為減小晶體管集電區(qū)的電阻，采用高摻雜的N+襯底；為保證擊穿電壓的要求選擇集電區(qū)外延層的雜質(zhì)濃度。90電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性PN+NN+外延層穿通

Wc<xmc，集電結(jié)到達(dá)N+為PN+結(jié)，集電結(jié)兩邊雜質(zhì)濃度較高，集電結(jié)擊穿電壓降低，由外延層穿通使集電結(jié)擊穿。VB：集電結(jié)雪崩擊穿電壓，由NC決定；WC：外延層厚度；xmc：VB時集電結(jié)最大耗盡層寬度。外延層穿通電壓：91電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性PN+NN+基區(qū)穿通基區(qū)穿通使發(fā)射結(jié)電壓增加，當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓達(dá)到BVEBO時，發(fā)射結(jié)擊穿，同時誘發(fā)集電結(jié)擊穿，此時BVCBO遠(yuǎn)小于由NC決定的集電結(jié)雪崩擊穿電壓，為：Wb較小，集電結(jié)勢壘區(qū)與發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)在基區(qū)相連，基區(qū)消失，集電極與發(fā)射極之間直接導(dǎo)通，基區(qū)穿通電壓：VPB=BVCEO發(fā)生基區(qū)穿通必然滿足上述關(guān)系，但滿足上述關(guān)系不一定發(fā)生基區(qū)穿通。92電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性硅平面晶體管：NB>NC，集電結(jié)空間電荷