第3章-雙極結(jié)型晶體管

1第3章雙極結(jié)型晶體管2晶體管的發(fā)展史1947.12.23日第一只點(diǎn)接觸晶體管誕生1949年提出PN結(jié)和雙極結(jié)型晶體管理論1951年制造出第一只鍺結(jié)型晶體管1956年制造出第一只硅結(jié)型晶體管1956年Bardeen、Shockley、Brattain獲諾貝爾獎(jiǎng)

1956年中國(guó)制造出第一只鍺結(jié)型晶體管-（吉林大學(xué)高鼎三）1970年硅平面工藝成熟，雙極結(jié)型晶體管大批量生產(chǎn)3晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極型器件；結(jié)型晶體管憑借功耗和性能方面的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于高速計(jì)算機(jī)、火箭、衛(wèi)星以及現(xiàn)代通信領(lǐng)域中。43.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)和制造工藝51、由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成，基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，分為：NPN和PNP兩種形式2、發(fā)射區(qū)為重?cái)v雜，發(fā)射結(jié)為P+N或者N+P，基區(qū)是兩個(gè)PN結(jié)的公共端3、雙極晶體管的主要作用是對(duì)電流或者電壓的放大。63.2雙極結(jié)型晶體管的基本工作原理

雙極晶體管有四種工作模式，相應(yīng)地稱為四個(gè)工作區(qū)令

（1）正向有源模式

（2）反向有源模式：（3）飽和模式：（4）截止模式73.2.1晶體管的放大作用

共基極連接晶體管的放大作用

發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏83.2.1晶體管的放大作用圖3-5NPN晶體管共基極能帶圖

9載流子的運(yùn)輸：（1）發(fā)射結(jié)正偏，由于正向注入，電子從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，空穴由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)。呈現(xiàn)正向偏置的少子注入（2）假設(shè)：基區(qū)很小。即少子在到達(dá)基區(qū)與集電區(qū)邊界時(shí)還沒有被完全復(fù)合掉。其中大部分能到達(dá)集電結(jié)，并被內(nèi)電場(chǎng)加速進(jìn)入集電結(jié)，稱為集電結(jié)電流。(3)從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，進(jìn)入集電區(qū)的電子電流遠(yuǎn)大于集電結(jié)反偏所提供的發(fā)祥飽和電流，是集電極電流的主要成分。(4)晶體管實(shí)現(xiàn)放大的必要條件之一：基區(qū)寬度很窄103.2.2電流分量113.2.2電流分量電流分量之間的關(guān)系12

為描述晶體管的增益特性引進(jìn)以下物理量發(fā)射極注射效率3.2.3電流增益的意義：從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流，在總的發(fā)射極電流中所占的比例。13基區(qū)輸運(yùn)因子

共基極直流電流增益

的意義：發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流中能到達(dá)集電極的電子電流比例。143.2.3電流增益

是基區(qū)運(yùn)輸因子和發(fā)射極注射效率的乘積。其意義是經(jīng)過發(fā)射結(jié)注入而到達(dá)集電極的電子電流在總的發(fā)射極電流中所占的百分比。應(yīng)盡量接近1。提高電流增益的途徑是提高和。3-2-7還可以寫成上式說明：以基極作為公共端時(shí)，輸出集電極電流與輸入發(fā)射極電流之間的關(guān)系。15當(dāng)集電結(jié)處于正向偏壓時(shí)：上式中，當(dāng)VC為負(fù)的很大時(shí)，將還原為反向向偏置的情況。16式中定義

共發(fā)射極直流電流增益

IB=0時(shí)，集電極－發(fā)射極漏電流，也稱為穿透電流。共發(fā)射極電流增益

17伏安特性曲線集電結(jié)電流電壓特性：（a）共基極情形，（b）共發(fā)射極情形

183.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸（1）各區(qū)雜質(zhì)都是均勻分布的，因此中性區(qū)不存在內(nèi)建電場(chǎng)；（2）結(jié)是理想的平面結(jié)，載流子作一維運(yùn)動(dòng)；（3）橫向尺寸遠(yuǎn)大于基區(qū)寬度，并且不考慮邊緣效應(yīng)，所以載流子運(yùn)動(dòng)是一維的；（4）基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度；（5）中性區(qū)的電導(dǎo)率足夠高，串聯(lián)電阻可以忽略，偏壓加在結(jié)空間電荷區(qū)上；（6）發(fā)射結(jié)面積和集電結(jié)面積相等；（7）小注入，等等理想晶體管假設(shè):19理想晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖：20中性基區(qū)（0xxB

）少子電子分布及其電流：

邊界條件為：3.3.1載流子分布與電流分量一、基區(qū)載流子分布及電流解為：21

22二、發(fā)射區(qū)少子空穴分布及其電流：

邊界條件：

中性發(fā)射區(qū)空穴穩(wěn)態(tài)方程23

若，（3-3-11）式可以寫作：

空穴電流為：24邊界條件：

三、集電區(qū)少子空穴分布及其電流25在的情況下，以及正向有源區(qū)的條件下3.3.2正向有源模式一、少數(shù)載流子分布簡(jiǎn)化為：26圖3-11正向有源模式下晶體管各區(qū)少數(shù)載流子分布二、電流分量在正向有源模式下有：28由上式可知：發(fā)射結(jié)電子電流隨基區(qū)寬度的減小而增加對(duì)于小的，運(yùn)輸因子接近于1，這意味著在越過基區(qū)的運(yùn)輸過程中，電子損失可以忽略。當(dāng)晶體管處于放大狀態(tài)30空穴電流正偏壓發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流：集電區(qū)空穴電流31忽略集電極反向飽和電流上式說明晶體管的輸出特性曲線圖取ICE0＝0，取以及則共發(fā)射極電流增益的倒數(shù)可以寫成：三、共發(fā)射極電流增益電流增益對(duì)集電結(jié)電流的依賴關(guān)系在高電流時(shí)，電流增益下降，這是因?yàn)樽⑷氲纳贁?shù)載流子濃度與基區(qū)的多子濃度可比擬，致使發(fā)射極效率降低，結(jié)果在整個(gè)發(fā)射結(jié)電流中由基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入的空穴電流增加，致使發(fā)射極效率降低，電流增益下降。35大電流下的增益計(jì)算式為3-3-28大電流下的增益：增益反比于發(fā)射極電流。363.4.2工作模式和少子分布四種模式下少子分布373.5緩變基區(qū)晶體管由于實(shí)際的工藝過程，導(dǎo)致基區(qū)的雜質(zhì)分布并不均勻，存在很大的濃度剃度。如圖。38在正向有源工作模式下，注入到基區(qū)的電子不僅有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，還有漂移運(yùn)動(dòng)。所以緩變基區(qū)晶體管又稱為漂移晶體管。內(nèi)建電場(chǎng)的主要作用是縮短了注入電子渡越基區(qū)所需要的時(shí)間，改善晶體管的高頻特性；進(jìn)一步的作用是改善基區(qū)的傳輸因子，減少電子在基區(qū)的復(fù)合。一、基區(qū)的緩變雜質(zhì)分布，引起內(nèi)建電場(chǎng)39二、基區(qū)少子分布三、電子電流四、基區(qū)輸運(yùn)因子

對(duì)于均勻基區(qū)練習(xí)1、畫出NPN型晶體管的正向有源模式的電流分量并寫出各極電流之間的關(guān)系。2、畫出晶體管各種工作狀態(tài)下各區(qū)少子分布圖P

區(qū)N

區(qū)0

PN結(jié)正向電流成分IRE

BJT正向有源工作區(qū)的電流成分433.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流聚集

1、基區(qū)電阻

基區(qū)電流（1）少子電流，發(fā)射區(qū)注入到集電區(qū)留在基區(qū)的少子電流

（2）基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的多子和基區(qū)被復(fù)合掉的空穴形成的電流（主要電流成分）

把基區(qū)小子

流過的區(qū)域成為

工作基區(qū)

，其余的P型去成稱為非工作基區(qū)

，非工作區(qū)的作用是把基極電流從工作區(qū)引到基極引線上去

45

把基極電流

IB

從

基極引線

經(jīng)

非工作基區(qū)

流到

工作基區(qū)

所產(chǎn)生的電壓降，當(dāng)作是由一個(gè)電阻產(chǎn)生的，稱這個(gè)電阻為基極電阻，用rbb’

表示。由于基區(qū)很薄，rbb’的截面積很小，使rbb’的數(shù)值相當(dāng)可觀，對(duì)晶體管的特性會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。

462、集電極電流集邊效應(yīng)基區(qū)中的歐姆電壓降，導(dǎo)致在發(fā)射結(jié)邊緣處有最大的正向偏壓，少子擴(kuò)散快，注入密度大于其他地方，導(dǎo)致沿著發(fā)射結(jié)出現(xiàn)非均勻的電流，這種現(xiàn)象稱為電流集邊效應(yīng)47圖3-18中功率雙極晶體管指狀交叉圖形的俯視圖

在共發(fā)射極放大區(qū)，理論上，即IC

與VCE

無關(guān)。但在實(shí)際的晶體管中，IC

隨VCE

的增大會(huì)略有增大。3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)

原因：當(dāng)

VCE增大時(shí)，集電結(jié)反偏(VBC=

VBE–VCE)增大，集電結(jié)耗盡區(qū)增寬，使中性基區(qū)的寬度變窄，基區(qū)少子濃度分布的梯度增大，從而使

IC

增大。這種現(xiàn)象稱為

基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)，也稱為

厄爾利效應(yīng)。W'BW'BWBWBxNNP00nB(x)

為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度

xB

；減小集電結(jié)耗盡區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度xdB

?；鶇^(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)是雙極晶體管的一種非理想效應(yīng)，它使雙極晶體管的輸出電流呈現(xiàn)非飽和特性513.8晶體管的頻率響應(yīng)在低頻時(shí)，電流增益與工作頻率無關(guān)；但隨著工作頻率的升高，在達(dá)到一定的臨界頻率之后，增益幅度下降，這種現(xiàn)象稱為器件的頻率響應(yīng)。小信號(hào)的共基極和共發(fā)射極電流增益定義為：電流增益與頻率的關(guān)系稱為晶體管的頻率響應(yīng)53描述晶體管頻率特性的物理量⑴共基極截止頻率：的大小下降為小低頻的0.707（下降3dB）時(shí)的頻率。⑵共發(fā)射極截止頻率：的大小下降為0.707（下降3dB）時(shí)的頻率。和也稱為3dB頻率截止頻率又稱為工作帶寬影響B(tài)JT頻率響應(yīng)的因素（1）發(fā)射結(jié)過渡電容充電時(shí)間（2）基區(qū)渡越時(shí)間（對(duì)晶體管頻率特性最嚴(yán)格的限制）假設(shè)基區(qū)少數(shù)載流子電子以有效速度渡越基區(qū)，則基區(qū)電子電流為55一個(gè)電子渡過基區(qū)所需要的時(shí)間對(duì)于均勻基區(qū)晶體管因此為了實(shí)現(xiàn)較好的頻率特性，應(yīng)把基區(qū)設(shè)計(jì)的很小。56(3)、集電結(jié)耗盡層渡越時(shí)間是集電結(jié)耗盡層的總厚度，是載流子越過集電結(jié)耗盡層的飽和速度。574、集電結(jié)電容充電時(shí)間集電結(jié)處在反向偏壓下使得與結(jié)電容并聯(lián)的電阻很大，結(jié)果是，充電時(shí)間常數(shù)由電容CTC和集電極串聯(lián)電阻rSC決定。58截止頻率等于從發(fā)射極到集電極的信號(hào)傳播中的全部時(shí)間延遲的倒數(shù)。因而有59Kirk效應(yīng)也稱為基區(qū)展寬效應(yīng)：由于外延N層的濃度低于基區(qū)，使得集電結(jié)耗盡層向外延層擴(kuò)展。當(dāng)發(fā)射極電流增加時(shí)，大量電子抵達(dá)集電結(jié)，中和了帶正電的離子，形成中性區(qū)。當(dāng)發(fā)射極電流很高時(shí)，有效基區(qū)的寬度將變寬，負(fù)電荷層在外延層形成，正電荷層在N+區(qū)內(nèi)形成，使集電結(jié)位置離開發(fā)射結(jié)很遠(yuǎn)，稱為Kirk效應(yīng)。

Kirk效應(yīng)會(huì)有效地增加基區(qū)寬度，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致在高電流下電流增益和頻率特性下降。60一、在小信號(hào)低頻的等效電路。3.9BJT等效電路當(dāng)發(fā)射極電壓增加時(shí)，基區(qū)存儲(chǔ)電荷增加，導(dǎo)致輸出電流——集電極電流增加。61rbb‘---基區(qū)的體電阻，b’是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。re---發(fā)射結(jié)電阻r

b‘c---集電結(jié)電阻62rbb'---基區(qū)的體電阻，b'是假想的基區(qū)內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。re---發(fā)射結(jié)電阻Cb′e---發(fā)射結(jié)電容，也用Cπ這一符號(hào)rb

′c---集電結(jié)電阻Cb

′c---集電結(jié)電容，也用Cμ這一符號(hào)二、π型等效電路（高頻）簡(jiǎn)化：643.11反向電流和擊穿電壓一、反向電流1、集電極方向飽和電流Ic0：發(fā)射極開路時(shí)集電極反向飽和電流2、發(fā)射極反向電流IE0：集電極開路時(shí)發(fā)射極反向電流3、穿透電流ICE0：基極開路時(shí)，集電極-發(fā)射極反向電流653.11反向電流和擊穿電壓晶體管中最高電壓的根本限制與在P-N結(jié)二極管中的相同，即雪崩擊穿或齊納擊穿。但是，擊穿電壓不僅依賴于所涉及的P-N結(jié)的性質(zhì)，它還依賴于外部的電路結(jié)構(gòu)。1、共基極接法中的雪崩擊穿電壓定義：發(fā)射極開路時(shí)，使I’CB0

→∞時(shí)的|VBC|稱為共基極集電結(jié)雪崩擊穿電壓，記為BVCB0

。

已知

PN

結(jié)的雪崩倍增因子

M

可以表示為

在工程實(shí)際中常用下面的經(jīng)驗(yàn)公式來表示當(dāng)

已知擊穿電壓時(shí)

M

與外加反向電壓之間的關(guān)系，當(dāng)|V|

=0時(shí)，M=1；當(dāng)|V|

→

VB

時(shí)，M→

∞。對(duì)于硅

PN

結(jié)，S=2(PN+

結(jié)

)S=4(P+N

結(jié))

對(duì)于晶體管，在共基極接法的放大區(qū)，，當(dāng)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)時(shí)，IC

成為

式中，，