半導(dǎo)體物理教材

雙極結(jié)型晶體管3.6-3.10呂媛媛賀琳3.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)3.8晶體管的頻率響應(yīng)

3.9混接型等效電路

3.10晶體管的開(kāi)關(guān)特性

目錄3.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚基區(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）3.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚把基區(qū)少子

流過(guò)的區(qū)域稱為工作基區(qū)，其余的P型區(qū)域稱為非工作基區(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3.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚把基極電流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。3.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚圖3-17基區(qū)中的橫向基極電流和歐姆電壓降，導(dǎo)致在發(fā)射結(jié)邊緣x=0

處有最大的正向偏壓3.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚基區(qū)電流：多數(shù)載流子電流，流動(dòng)方向垂直于由發(fā)射極注入的少數(shù)載流子電流。電流集聚效應(yīng)（基區(qū)電阻自偏壓效應(yīng)）：晶體管工作大的電流狀態(tài)時(shí)，基區(qū)電流流過(guò)基區(qū)電阻，將在基區(qū)中產(chǎn)生橫向的電位降，使發(fā)射結(jié)上的正向偏壓從基區(qū)邊緣到中心處逐漸減小，非平衡載流子的注入導(dǎo)致發(fā)射結(jié)出現(xiàn)了非均勻的電流分布，發(fā)射極的電流密度從中心到邊緣逐漸增大?；鶇^(qū)擴(kuò)展電阻：有源和無(wú)源基極電阻的總和3.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚圖3-18中功率雙極晶體管指狀交叉圖形的俯視圖電流集聚減少了晶體管有源區(qū)的有效面積，為了減少這種效應(yīng)，功率晶體管通常設(shè)計(jì)成具有高的周界面積比。3.6基區(qū)擴(kuò)展電阻和電流集聚條狀晶體管的基極擴(kuò)展電阻近似表示式若晶體管的幾何形狀已知，則可以計(jì)算出基極擴(kuò)散電阻，通常情況下，晶體管基區(qū)被劃分為若干部分。3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)根據(jù)式（3-12）（3-12）

在共發(fā)射極電路正向有源模式下，對(duì)于給定的基極電流，集電極電流應(yīng)當(dāng)與集電極電壓無(wú)關(guān)。圖2.38(a)中的曲線斜率為零。但圖2.38(b)中的電流卻隨集電極電壓的增加而增加。這種現(xiàn)象起因于晶體管的基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)，也稱為Early效應(yīng)。3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)可解釋如下：前面的討論中默認(rèn)有效基區(qū)寬度是不變的，實(shí)際上是集電結(jié)偏壓的函數(shù)。1.根據(jù)（3-8）、（3-13）和（3-32）（3-8）

（3-13）

（3-32）

3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)（3-60）

3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)的變化：可見(jiàn)也將隨增加而增加，呈現(xiàn)出不飽和特性，如圖3-21b所示。綜合1.，2.可見(jiàn)隨的增加而增加，呈現(xiàn)出不飽和特性。這就是Early效應(yīng)。3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)基區(qū)寬度減小使少子濃度梯度增加：

圖3-21晶體管中的少數(shù)載流子分布

(a)有源區(qū)工作，=常數(shù)，改變時(shí)有效基區(qū)寬度與少數(shù)載流子分布的變化

(b)和對(duì)應(yīng)的基區(qū)少數(shù)載流子分布3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)基區(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)非飽和特性即輸出電導(dǎo)不為零。

為減小厄爾利效應(yīng)，應(yīng)增大基區(qū)寬度；減小集電結(jié)耗盡區(qū)在基區(qū)內(nèi)的寬度xdB

。3.7基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)3.擴(kuò)展知識(shí)：討論圖3.21b

設(shè)NPN雙極結(jié)型晶體管有效基區(qū)邊界分別為0和。在下列三種邊界條件下解擴(kuò)散方程求少子分布和電流分布。討論三種邊界條件下電流的大小。根據(jù)所得結(jié)果得出結(jié)論：當(dāng)增加時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)展寬，使有效基區(qū)寬度減小，基區(qū)寬度減小,使少子濃度梯度增加因而增加。3.8晶體管的頻率響應(yīng)在低頻時(shí)，電流增益與工作頻率無(wú)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：3.8晶體管的頻率響應(yīng)電流增益與頻率的關(guān)系稱為晶體管的頻率響應(yīng)圖3-22電流增益作為頻率的函數(shù)3.8晶體管的頻率響應(yīng)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⑶增益

帶寬乘積，它是的模量變?yōu)?時(shí)的頻率，也叫做特征頻率。由于相對(duì)頻率的曲線的斜率為20dB/十進(jìn)位，它可用下式來(lái)描述（3-62）

3.8晶體管的頻率響應(yīng)可見(jiàn)在，的大小為0.707因此時(shí)的大小下降3dB，因而也稱為3dB頻率。利用和之間的關(guān)系求得式中（3-63）

由于是模量為1時(shí)的頻率，由（3-63）式取

有，（3-65）

3.8晶體管的頻率響應(yīng)是晶體管共射極接法工作的截止頻率即帶寬，故稱為增益帶寬乘積。再由（3-66）

<以上討論說(shuō)明共發(fā)射極截止頻率要比

低得多，但增益帶寬之積接近于3.8晶體管的頻率響應(yīng)影響B(tài)JT頻率響應(yīng)的四個(gè)重要因素，晶體管中的時(shí)間延遲一、基區(qū)渡越時(shí)間假設(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)電子電流為一個(gè)電子渡過(guò)基區(qū)所需要的時(shí)（3-67）

（3-68）

3.8晶體管的頻率響應(yīng)根據(jù)（3-55）式對(duì)于均勻基區(qū)晶體管（3-69）

（3-70）

小的意味著短的信號(hào)延遲或高的工作頻率。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3.8晶體管的頻率響應(yīng)二、發(fā)射結(jié)過(guò)渡電容充電時(shí)間正向偏置的發(fā)射結(jié)過(guò)渡電容CTE

與結(jié)電阻并聯(lián)，充電時(shí)間常數(shù)為由

正向偏置的發(fā)射結(jié)過(guò)渡電容粗略估計(jì)是（2-76）式中=0時(shí)給出的零偏壓電容值的4倍＝＝（3-71）

3.8晶體管的頻率響應(yīng)三、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(guò)集電結(jié)耗盡層的飽和速度。四、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所決定：（3-73）

3.8晶體管的頻率響應(yīng)由于重?fù)诫s的外延襯底，圖（3-1）中平面型外延晶體管的集電極電阻很小，因而可以忽略。但在集成晶體管中應(yīng)把它計(jì)算進(jìn)去。3.8晶體管的頻率響應(yīng)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（3-74）

截止頻率對(duì)工作電流的依賴關(guān)系：1.當(dāng)發(fā)射極電流增加時(shí)，發(fā)射結(jié)時(shí)間常數(shù)變得更小，因此式（3-74）中的增加。這說(shuō)明，頻率特性的改進(jìn)可以通過(guò)增加工作電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.科爾克（Kirk）效應(yīng)。3.8晶體管的頻率響應(yīng)Kirk效應(yīng)：也稱為基區(qū)展寬效應(yīng)：由于外延N