半導(dǎo)體物理-第十章

第十章雙極型晶體管

本章學(xué)習(xí)要點：

1.了解雙極型晶體管的基本工作原理，并建立其電流電壓關(guān)系；

2.分析并推導(dǎo)出雙極型晶體管內(nèi)部少數(shù)載流子的分布情況；

3.分析決定雙極型晶體管共基極電流增益的影響因子并推導(dǎo)出

其數(shù)學(xué)表達(dá)式；

4.了解雙極型晶體管中的幾個非理想效應(yīng)；

5.建立雙極型晶體管的小信號等效電路模型；

6.掌握分析雙極型晶體管頻率限制因素的方法；

7.掌握分析雙極型晶體管大信號開關(guān)特性的方法。

雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunction

Transistor，BJT），有時也簡稱為雙極型晶體管或雙極晶體管，之所以稱為雙極型器件，是因為其工作過程中包含了電子和空穴兩種載流子的運動.

雙極型晶體管包含3個獨立的摻雜區(qū)域（NPN或PNP），由此構(gòu)成兩個靠得很近且二者之間具有相互作用PN結(jié)，雙極型晶體管的工作原理與這兩個PN結(jié)的特性密切相關(guān)?！?0.1雙極型晶體管的基本工作原理

組成情況：三個摻雜區(qū)，兩個PN結(jié)兩種結(jié)構(gòu)：

NPN型BJT：兩個N型區(qū)中間夾著一個薄的P型區(qū)；

PNP型BJT：兩個P型區(qū)中間夾著一個薄的N型區(qū)；

BJT中通常發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高(1019/cm3)，基區(qū)次之(1017，1018)，而收集區(qū)的摻雜濃度（1015）則最低。實際BJT的結(jié)構(gòu)示意圖

例1：傳統(tǒng)雙極型集成電路中的BJT結(jié)構(gòu)

埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用PN結(jié)；

實際BJT的結(jié)構(gòu)示意圖

例2：先進(jìn)的雙層多晶硅BJT結(jié)構(gòu)

埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用絕緣介質(zhì)；

1.基本的工作原理

NPN型BJT與PNP型BJT是完全互補(bǔ)的兩種雙極型晶體管，將以NPN型器件為例來進(jìn)行討論分析。理想情況下，一個均勻摻雜的NPN型BJT的摻雜分布如下圖所示：正常工作時，BJT器件的發(fā)射結(jié)（E-B結(jié)）處于正向偏置狀態(tài)，而其收集結(jié)（B-C結(jié)）則處于反向偏置狀態(tài)，這種情況通常稱為正向放大模式。A.發(fā)射結(jié)正偏，電子由N型發(fā)射區(qū)越過發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入基區(qū)，并在基區(qū)中形成非平衡過剩少子電子的濃度分布，基區(qū)中少子電子的濃度分布是發(fā)射結(jié)上外加正偏電壓的函數(shù)，發(fā)射區(qū)中的電子電流是流過發(fā)射極電流的一個組成部分。首先來討論發(fā)生在正向放大模式BJT中的主要物理過程：B.收集結(jié)反偏，因此基區(qū)中靠近收集結(jié)邊界處少子電子的濃度為零。C.基區(qū)中的少子電子存在著比較大的濃度梯度，因此電子可以通過擴(kuò)散流過基區(qū)，和正偏的PN結(jié)二極管類似，少子電子在通過中性基區(qū)的過程中也會與其中的多子空穴發(fā)生一定的復(fù)合。

D.電子擴(kuò)散通過基區(qū)之后，將進(jìn)入反偏的收集結(jié)空間電荷區(qū)中，收集結(jié)中的電場將把擴(kuò)散過來的電子拉向收集區(qū)，能夠被拉向收集區(qū)的電子數(shù)目取決于由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子數(shù)目。E.流入到收集區(qū)中的電子數(shù)量（構(gòu)成收集極電流）取決于發(fā)射結(jié)上的偏置電壓，此即雙極型晶體管的放大作用，即：BJT中流過一個端點的電流取決于另外兩個端點上的外加電壓。

發(fā)生在正向放大模式BJT中的其它次要的物理過程還有：

F.基區(qū)中的少子電子將與基區(qū)中的多子空穴相復(fù)合，因此基區(qū)中的多子空穴必須得到補(bǔ)充，這個過程構(gòu)成了基極空穴電流的一個組成部分G.由于發(fā)射結(jié)正偏，因此基區(qū)中的空穴也會越過發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但是由于基區(qū)摻雜濃度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，因此空穴由基區(qū)擴(kuò)散至發(fā)射區(qū)所引起的空穴電流也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子由發(fā)射區(qū)擴(kuò)散至基區(qū)所引起的電子電流，這個空穴電流也構(gòu)成了基極電流和發(fā)射極電流的一個組成部分。

H.反偏的收集區(qū)中也存在著一個反向漏電流，這個反向漏電流通常很小。

BJT器件的一個主要工作目標(biāo)就是要使得由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子能夠盡量多地被收集區(qū)收集到。為此，基區(qū)中少子電子與多子空穴之間的復(fù)合應(yīng)該盡可能地減少，基區(qū)寬度也必須小于少子的擴(kuò)散長度，從而使兩個PN結(jié)之間能夠產(chǎn)生相互作用。2.工作模式

BJT器件可以有四種工作模式：

（1）當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正偏，而收集結(jié)處于反偏時，這也就是所謂的正向放大模式；

（2）當(dāng)發(fā)射結(jié)處于零偏或反偏，收集結(jié)也處于反偏時，BJT器件發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子電子不會向基區(qū)中注入，因此器件發(fā)射極電流和收集極電流均為零，此時稱為截止模式；

（3）隨著發(fā)射結(jié)正

向偏置電壓的不斷增

加，收集結(jié)由反偏變

為零偏甚至正偏，此

時BJT即進(jìn)入飽和工

作模式。

發(fā)射結(jié)正偏，收集結(jié)

正偏。BJT器件四種不同的工作模式所對應(yīng)的PN結(jié)偏置情況如下頁圖所示。（4）當(dāng)BJT器件的發(fā)射結(jié)處于反偏，而收集結(jié)處于正偏時，則BJT處于反向放大模式。由于BJT器件結(jié)構(gòu)上的非對稱性，其反向放大特性與正向放大特性有很大差別。BJT器件四種不同的工作模式及其對應(yīng)的PN結(jié)偏置條件示意圖§10.2少數(shù)載流子分布情況

我們主要感興趣的是雙極型晶體管的各個電流表達(dá)式，和理想PN結(jié)情況類似，這些電流都是BJT中各個區(qū)域少數(shù)載流子濃度分布的函數(shù)，因此首先確定在不同工作模式下，雙極型晶體管中穩(wěn)態(tài)條件下各個不同區(qū)域的少數(shù)載流子濃度分布。

1.正向放大模式

考慮如下結(jié)構(gòu)的一個均勻摻雜的BJT器件。正向放大模式下BJT中各區(qū)少子濃度分布示意圖

下圖所示為工作在截止?fàn)顟B(tài)時BJT中不同區(qū)域的少數(shù)載流子濃度分布。由于發(fā)射結(jié)和收集結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)，又因為基區(qū)寬度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度，因此在這兩個結(jié)的空間電荷區(qū)邊界處的少數(shù)載流子濃度均為零。

下圖所示為工作在截止?fàn)顟B(tài)時BJT中各區(qū)的能帶情況示意圖。

下圖所示為工作在飽和狀態(tài)時BJT中不同區(qū)域的少數(shù)載流子濃度分布。器件發(fā)射結(jié)和收集結(jié)均處于正偏狀態(tài)，但是發(fā)射結(jié)上的正偏電壓還是略高于收集結(jié)上的正偏電壓，因此在基區(qū)內(nèi)部仍然存在著過剩少子電子的濃度梯度，由此形成BJT器件的收集極電流。下圖所示為工作在飽和狀態(tài)時BJT器件中各區(qū)的能帶情況示意圖

最后，我們再給出BJT處于反向放大狀態(tài)時不同區(qū)域的少數(shù)載流子濃度分布。由于器件發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，而收集結(jié)處于正偏狀態(tài)，電子由收集區(qū)注入到基區(qū)，最后擴(kuò)散到發(fā)射結(jié)附近并被發(fā)射結(jié)電場拉向發(fā)射區(qū)，基區(qū)中的過剩少子電子的濃度梯度也與正向放大狀態(tài)正好相反。下圖所示為工作在反向放大模式時BJT器件中各區(qū)的能帶情況示意圖，這也與正向放大模式時BJT器件中各區(qū)的能帶情況呈對稱狀態(tài)。

但是由于BJT中三個區(qū)域摻雜濃度的不同以及幾何結(jié)構(gòu)上發(fā)射區(qū)與收集區(qū)的非對稱性，反向放大模式下BJT的電流增益將大大下降。如下圖所示，由于發(fā)射極的面積遠(yuǎn)小于收集結(jié)的面積，因此由收集區(qū)注入到基區(qū)的電子只有很少一部分能夠被發(fā)射區(qū)所收集。2.簡化的晶體管電流關(guān)系

首先我們將通過簡化的分析來獲得NPN型BJT中各個端點電流與端點電壓之間的關(guān)系，從而得到BJT基本放大作用原理的物理圖像，然后我們再給出詳細(xì)的推導(dǎo)過程。

一個處于正向放大模式BJT器件內(nèi)部各區(qū)域中的少數(shù)載流子濃度分布如下頁圖所示。由發(fā)射區(qū)注入過來的電子擴(kuò)散通過基區(qū)，然后被收集結(jié)空間電荷區(qū)中的電場拉向收集區(qū)，因此BJT器件的收集極電流可表示為：

其中ABE為發(fā)射結(jié)面積，nB0為熱平衡條件下基區(qū)中的電子濃度，電子沿著+x方向流動，因此電流沿著-x方向，則有：

由上式可見，BJT器件的收集極電流受發(fā)射結(jié)上外加電壓的控制，即：BJT中流過一個端點的電流取決于另外兩個端點上的外加電壓，此即雙極型晶體管的放大作用。理想情況下，由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流與收集極電流相等。

而由基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流則為：

由此可見，BJT中收集極電流與發(fā)射極電流之比為一個常數(shù)，即：

上式中α稱為BJT器件共基極電流增益，由上述分析可知，iC<iE，即α<1，由于iE2與晶體管的放大作用無關(guān)，因此我們總是希望這個電流成分越小越好，也就是希望BJT的共基極電流增益盡可能接近1。

由上述分析可見，發(fā)射極電流成分iE2實際上也是基極電流的一個組成部分，基極電流的另一個組成部分則是基區(qū)中的多子空穴與電子的復(fù)合電流iBb，這二者都與exp(vBE/Vt)成正比，因此BJT器件的收集極電流與基極電流之比也為常數(shù)，即：

上式中β稱為BJT器件的共發(fā)射極電流增益，大約為100左右。3.雙極型晶體管的放大作用雙極型晶體管的電流放大作用和電壓放大作用示意圖§10.3低頻信號下的共基極電流增益

前面我們已經(jīng)介紹過，BJT器件的基本工作原理就是收集極電流受到發(fā)射結(jié)電壓的控制作用。而共基極電流增益也就是定義為BJT器件的收集極電流與發(fā)射極電流之比。1.影響共基極電流增益的因素其中JnE為基區(qū)中x=0處由于少子電子的擴(kuò)散所引起的電流；JnC為基區(qū)中x=xB處由于少子電子的擴(kuò)散所引起的電流；JRB則為JnE與JnC之差，它是由基區(qū)中過剩少子電子與多子空穴的復(fù)合所引起的，必須由基極提供的空穴電流；JpE為發(fā)射區(qū)中x’=0處由于少子空穴的擴(kuò)散所引起的電流；JR為正偏發(fā)射結(jié)中的載流子復(fù)合電流；Jpc0為器件收集區(qū)中x’’=0處由于少子空穴的擴(kuò)散所引起的電流；JG為反偏收集結(jié)中的載流子產(chǎn)生電流。

其中JRB、JpE和JR這三個電流僅僅流過發(fā)射結(jié)，并沒有流過收集結(jié)，而Jpc0和JG這兩個電流則僅僅流過收集結(jié)，并沒有流過發(fā)射結(jié)。因此這些電流成分對晶體管作用或電流增益并沒有任何貢獻(xiàn)。直流情況下BJT器件的共基極電流增益定義為：

我們真正感興趣的實際上是器件的收集極電流如何隨著發(fā)射極電流的改變而變化，即在正弦小信號情況下，BJT器件的共基極電流增益可定義為：上述幾個因子的定義對于PNP型BJT器件來說，也是完全類似的，只是公式中的電子電流和空穴電流要互相對調(diào)一下。在理想情況下我們總是希望α=1，但實際的α總是小于1的。2.影響電流增益因素的數(shù)學(xué)推導(dǎo)

發(fā)射極注入效率因子：考慮理想情況下的發(fā)射極注入效率因子，則有：

利用已經(jīng)求得的正向放大模式下BJT中各區(qū)的少數(shù)載流子濃度分布，上述兩個電流密度表示為：

另外，復(fù)合因子中通常還必須考慮表面復(fù)合效應(yīng)的影響，如下圖所示，當(dāng)電子由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)之后，由于基區(qū)表面復(fù)合效應(yīng)的影響，有一部分電子還將會向基區(qū)表面擴(kuò)散。3.小結(jié)

以上對NPN型BJT器件的少數(shù)載流子濃度分布以及電流增益做了分析，上述分析對PNP型BJT器件也是完全適用的，只是電子和空穴的濃度必須對調(diào)，同時外加電壓的極性和電流的方向也必須反轉(zhuǎn)。對于共基極放大，BJT的直流電流增益為：§10.4BJT中的幾個非理想效應(yīng)

在前面的討論中，我們實際上假設(shè)了BJT器件是均勻摻雜的、滿足小注入條件、發(fā)射區(qū)和基區(qū)寬度恒定、禁帶寬度恒定、結(jié)電流密度均勻且未進(jìn)入擊穿狀態(tài)。若上述任意一條不滿足，則器件特性就會偏離理想狀態(tài)下的情況。1.基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)：

在前面的討論中，我們一直默認(rèn)為BJT器件的中性基區(qū)寬度xB是恒定的，然而事實上xB是收集結(jié)上反向偏置電壓的函數(shù)，當(dāng)收集結(jié)上反偏電壓增大，則其勢壘區(qū)寬度增加，并向中性基區(qū)中擴(kuò)展，從而使中性基區(qū)寬度變窄，由此導(dǎo)致基區(qū)中少數(shù)載流子濃度梯度的增大，最終引起擴(kuò)散電流的增加，這個效應(yīng)通常稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，或稱為厄立（Early）效應(yīng)。

隨著收集結(jié)反偏電壓的增加，收集結(jié)空間電荷區(qū)展寬，并向基區(qū)中擴(kuò)展，從而導(dǎo)致基區(qū)寬度變窄、基區(qū)中少數(shù)載流子濃度梯度增加的情況如下圖所示。

厄立效應(yīng)在BJT輸出特性曲線上的反映如下圖所示。理想情況下器件收集極電流與收集結(jié)上的反偏電壓無關(guān)，即輸出電導(dǎo)為零；然而由于基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，器件的輸出電導(dǎo)不為零，輸出特性曲線變斜，斜線交點處的電壓值稱為厄立電壓，通常在100-300V之間?？梢?，考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)之后，BJT器件的收集極電流與收集結(jié)上的外加反向電壓相關(guān)。2.大注入效應(yīng)：

我們在前面用來求解少數(shù)載流子濃度分布的雙極輸運方程是在小注入條件下得到的，而當(dāng)VBE不斷增大之后，注入的少數(shù)載流子濃度有可能接近甚至超過多數(shù)載流子的濃度。

此時如下圖所示，在大注入情況下，為了滿足電中性條件，在基區(qū)中x=0處多數(shù)載流子空穴的濃度也將會有所增加。

大注入條件下基區(qū)多數(shù)載流子濃度的增加將帶來兩方面的影響：一是引起基區(qū)向發(fā)射區(qū)反向注入空穴電流的增大，從而導(dǎo)致器件發(fā)射結(jié)注入效率的下降，最終使得電流增益在大注入情況下出現(xiàn)下降的趨勢.當(dāng)器件的收集極電流增大到一定程度之后，電流增益將開始下降，這是因為基區(qū)中多數(shù)載流子濃度增加導(dǎo)致器件發(fā)射結(jié)注入效率下降的結(jié)果

在小電流情況下，

器件的電流增益也有

很大下降，這是由于

小電流條件下發(fā)射結(jié)

空間電荷區(qū)中的載流

子復(fù)合效應(yīng)而引起的大注入條件下基區(qū)多數(shù)載流子濃度增加帶來的另一方面的影響：在小注入條件下，NPN型BJT器件基區(qū)中x=0處多數(shù)載流子空穴的濃度為：

因此在大注入條件下np(0)隨VBE增大的速率將逐漸逼近下述關(guān)系：由上式可見，在發(fā)射結(jié)由小注入逐步進(jìn)入到大注入的過程中，收集極電流隨著VBE增大的速率也將逐漸減慢，如右圖所示，可見大注入效

應(yīng)非常類似于PN結(jié)中串聯(lián)電阻的影響。3.發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄效應(yīng)

在前面做了這樣的假設(shè)，即隨著發(fā)射區(qū)摻雜濃度的增加，BJT器件發(fā)射結(jié)的注入效率將會持續(xù)增大。事實上，隨著發(fā)射區(qū)摻雜濃度的增加，雜質(zhì)原子之間的間距將不斷減小，由此導(dǎo)致雜質(zhì)原子產(chǎn)生相互作用，引起雜質(zhì)能級的分裂，形成雜質(zhì)能帶，摻雜濃度進(jìn)一步增加，雜質(zhì)能帶也將進(jìn)一步展寬，最終將與導(dǎo)帶底相連，從而導(dǎo)致有效的發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄。下頁圖所示為通過理論計算和實驗測得的硅BJT器件中發(fā)射區(qū)禁帶寬度隨著摻雜濃度的變化關(guān)系。禁帶寬度變窄將導(dǎo)致本征載流子濃度增加，因為：

當(dāng)發(fā)射區(qū)摻雜濃度增加到使得其禁帶寬度開始出現(xiàn)變窄效應(yīng)時，pE0就會開始增大，此時發(fā)射結(jié)的注入效率就會出現(xiàn)下降的趨勢，因此在發(fā)射區(qū)為重?fù)诫s的情況下，BJT器件的電流增益也會有所下降。4.發(fā)射極電流集邊效應(yīng)

對于一個典型的平面集成化BJT器件來說，其基區(qū)寬度通常不會超過一個微米，因此位于發(fā)射區(qū)下方的內(nèi)基區(qū)電阻就會比較大，這樣基極電流在這個電阻上就會產(chǎn)生比較大的壓降.而器件的發(fā)射區(qū)通常為重?fù)诫s，因此整個發(fā)射區(qū)可以看作是一個等勢體。由于BJT器件的發(fā)射極電流與其發(fā)射結(jié)上的壓降成指數(shù)關(guān)系，因此流過整個發(fā)射結(jié)的電流就會出現(xiàn)集邊效應(yīng)。

由于BJT器件的發(fā)射極電流與其發(fā)射結(jié)上的壓降成指數(shù)關(guān)系，因此流過整個發(fā)射結(jié)的電流就會出現(xiàn)集邊效應(yīng)。

如下圖所示，對于實際的平面集成化BJT器件來說，基區(qū)可分為本征基區(qū)（位于發(fā)射結(jié)下方）和非本征基區(qū)（位于發(fā)射結(jié)下方以外）兩部分。

本征基區(qū)電阻的影響如下圖所示，當(dāng)基極電流流過本征基區(qū)電阻時將產(chǎn)生壓降，由此導(dǎo)致BJT器件的發(fā)射結(jié)電流出現(xiàn)集邊效應(yīng)。

當(dāng)BJT器件中出現(xiàn)發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)時,靠近發(fā)射結(jié)邊緣處的電流密度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射結(jié)中心處的電流密度，因此整個發(fā)射結(jié)流過的總電流將不隨發(fā)射結(jié)面積的增加而線性增大，而只隨著發(fā)射結(jié)周長的增加而線性增大。

對于大電流的功率型BJT器件采用多發(fā)射極長條和多基極長條交錯排列的插指狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)，以避免發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)，并充分利用BJT有效的發(fā)射結(jié)面積，同時減小基極電阻。5.非均勻基區(qū)摻雜效應(yīng)

在前面一直假設(shè)BJT的基區(qū)摻雜濃度是均勻的，實際情況卻并非完全如此，例如在雙擴(kuò)散型BJT中，器件基區(qū)的摻雜濃度就是非均勻的。

圖中的BJT器件采用均勻摻雜的N型硅襯底材料，然后由表面向襯底體內(nèi)擴(kuò)散受主雜質(zhì)，形成補(bǔ)償?shù)腜型基區(qū)，最后再采用同樣的方法形成二次補(bǔ)償?shù)腘型發(fā)射區(qū)。

在第四章中我們已經(jīng)介紹過，器件內(nèi)部緩變的雜質(zhì)分布將引起內(nèi)建電場，BJT器件中非均勻的基區(qū)摻雜濃度也會在基區(qū)中形成一個內(nèi)建電場。對于P型基區(qū)來說，在熱平衡狀態(tài)下，多數(shù)載流子空穴的電流應(yīng)該為零，即：

由上頁圖中可見，基區(qū)摻雜濃度的梯度為負(fù)值，因此內(nèi)建電場的方向沿著x軸的負(fù)方向。當(dāng)電子由N型發(fā)射區(qū)注入到P型基區(qū)中之后，將通過擴(kuò)散運動流向收集區(qū)，此時內(nèi)建電場將對這些電子的擴(kuò)散運動起到加速作用，因此這個內(nèi)建電場也稱為加速場。6.BJT器件的擊穿電壓：

在BJT器件中，通常存在著兩種截然不同的擊穿機(jī)理。第一種是所謂的基區(qū)穿通擊穿機(jī)理。當(dāng)收集結(jié)上外加反偏電壓時，收集結(jié)空間電荷區(qū)寬度將逐漸擴(kuò)展。隨著收集結(jié)上反偏電壓的不斷增加，收集結(jié)空間電荷區(qū)有可能擴(kuò)展至整個基區(qū)

當(dāng)收集結(jié)反偏電壓為VR2時，收集結(jié)空間電荷區(qū)則已經(jīng)擴(kuò)展至整個基區(qū)，發(fā)射結(jié)勢壘高度降低，此時收集結(jié)反偏電壓的微小增加就會引起晶體管中電流的急劇增大，此即所謂的基區(qū)穿通擊穿。

根據(jù)下圖所示的基區(qū)穿通擊穿模型，忽略發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度的影響，我們可以計算出發(fā)生基區(qū)穿通擊穿時器件收集結(jié)上外加的反偏電壓，即：

BJT器件中常見的另一種擊穿機(jī)理則是所謂的雪崩擊穿，只不過此時需要考慮晶體管電流放大作用的影響?！?0.5混合π型等效電路模型(H-P模型)

要對雙極型晶體管的電路進(jìn)行分析和計算，就必須要用到BJT器件的等效電路模型。目前已經(jīng)有多種不同類型的BJT器件模型，包括Ebers-moll模型和Gummel-Poon模型，前者主要用于開關(guān)電路的分析和計算，后者則主要用于線性放大電路的模擬和分析。我們將要介紹的混合π型等效電路模型也是一種主要用于線性放大電路模擬分析的BJT器件模型。

如下頁圖所示，左邊為一個用于小信號放大的共發(fā)射極BJT器件，右邊則為BJT器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中C、B、E為晶體管的外部電極引線端，而C’、B’、E’點則為理想BJT器件內(nèi)部的收集區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)。首先我們可以分別構(gòu)造出BJT器件不同端點電極之間的等效電路。

按照上圖所示結(jié)構(gòu)，我們可以構(gòu)造出BJT器件外部輸入電極B、E之間的等效電路。電阻rb是基極電極B與內(nèi)基區(qū)B’之間的基區(qū)串聯(lián)電阻，器件發(fā)射結(jié)E’-B’處于正偏狀態(tài)，因此Cπ和rπ分別是器件發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電阻，這與PN結(jié)的小信號等效電路模型是完全相同的。

另外從下圖中我們可以看到，擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電阻都是與發(fā)射結(jié)勢壘電容Cje相并聯(lián)的，最后rex是發(fā)射極外部引線電極與發(fā)射區(qū)之間的串聯(lián)電阻，該電阻通常很小，一般在1-2個歐姆之間。

也可以構(gòu)造出共發(fā)射極狀態(tài)下BJT器件外部輸出電極C與E’之間的等效電路，其中電阻rc是收集極電極C與內(nèi)部收集區(qū)C’之間的串聯(lián)電阻，CS是收集區(qū)與襯底之間反偏PN結(jié)之間的勢壘電容，受控電流源gmVb’e’反映的是BJT器件收集極電流受發(fā)射結(jié)電壓的控制關(guān)系，電阻r0則是器件輸出電導(dǎo)g0的倒數(shù)，它主要由厄立效應(yīng)決定。

最后構(gòu)造出反偏C’-B’結(jié)之間的等效電路，其中Cμ是反偏C’-B’結(jié)的勢壘電容，而電阻rμ則是反偏C’-B’結(jié)的擴(kuò)散電阻。一般情況下rμ在兆歐姆的數(shù)量級，往往可以忽略不計，電容Cμ通常也比Cπ要小，但是由于負(fù)反饋作用引起的密勒效應(yīng)，Cμ的影響通常不能忽略。將上述三部分等效電路組合起來，就形成了一個BJT器件完整的混合π型等效電路模型，具體的等效電路結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。

在實際的電路分析過程中，由于上述完整的混合π型等效電路模型中包含較多的電路元件，因此往往采用計算機(jī)來進(jìn)行計算求解。另外，在某些特定條件下，我們也可以對上述完整的混合π型等效電路模型進(jìn)行簡化處理?！?0.6BJT的頻率限制因素

這一節(jié)中將討論限制BJT器件頻率特性的幾個主要因素。

雙極型晶體管實際上是一種渡越時間器件，當(dāng)輸入信號的頻率增大，渡越時間與輸入信號的周期相比擬時，此時輸出響應(yīng)就會跟不上輸入信號的變化，因而電流增益也會出現(xiàn)下降的趨勢。

1.時間延遲因子：可以將載流子由發(fā)射區(qū)渡越到收集區(qū)總的延遲時間劃分為以下四個獨立的部分。re’為發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電阻，Cp為發(fā)射結(jié)的寄生電容。

上式中第二項，BJT器件基區(qū)渡越時間為少數(shù)載流子擴(kuò)散通過中性基區(qū)所需的時間，對NPN型BJT晶體管，基區(qū)中的電子電流密度可表示為：第三項為收集結(jié)耗盡區(qū)渡越時間，假設(shè)電子以飽和漂