第三章双极晶体管直流特性

,
NB
1
q B B
， 代入
中，
得：
1
DEWBE E DBWEB B
再利用爱因斯坦关系： DE
B
DB
E
kT q
，得：
1
WB WE
E B
注意：DB 、DE 代表少子扩散系数，μB 、μE 代表多子迁移率。
利用 方块电阻 的概念， 可有更简单的表达式。方块电阻
表示一个正方形薄层材料的电阻，记为：R口 。
IE
J E J pE J nE 1 J nE
J pE
I pE
I pC
I pr
I nE
I nr
当 WB << LB 及 WE << LE 时，有：
J pE
qDB WB
pB 0
qDB WB
pBo
exp
qVEB kT
1
J nE
qDE WE
nE (0)
qDE WE
nEo
exp
qVEB kT
1
I pC
I pr
I nE
I nr
从 IE 到 IC ，发生了两部分亏损： InE 与 In r 。 要减小 InE ，就应使NE >> NB ； 要减小In r ，就应使WB << LB 。
根据
IB IE IC ，及
IC
IE
的关系，可得β与α之间有如
下关系：
IC IB
IC IE
IE IC
1
1 2
WB LB
2
2)利用电荷控制法来求β* 。
静态下的空穴电荷控制
方程为：
J pr
J pE
J pC
QB
B
q pB (0) WB
2 B
JpE
JpC
E
B
C
0
WB
另一方面，由薄基区二极管的 近似 公式：
J pE
qDB pB 0
WB
从上式可解出：
pB 0
J pEWB qDB
，代入 Jpr 中，得：
IE
1
1
对于一般的晶体管，α= 0.950～0.995，β = 20～200 。
2、电流放大系数中间参数的定义
定义：由发射结注入基区的少子电流 IpE 与总的发射极电流
IE 之比，称为 注入效率（或 发射效率），记为 ，即：
I pE J pE J pE 1
IE
J E J pE J nE 1 J nE
β＊的典型值：WB =1μm，LB =10 μm ，β＊= 0. 9950 。
3、基区渡越时间 b
定义：少子在基区内从发射结渡越到集电结所需要的平均
时间，称为少子的 基区渡越时间，记为 b 。
可以设想，在 b 期间，基区内的少子全部更新一遍，因此：
b
QB J pE
。将：QB
1 2
qpB (0)WB ,
3、少子分布与能带图 放大状态： 饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：
4、NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图： NPN 晶体管在平衡状态下的能带图：
N
P
N EC EF EV
NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图： 放大状态： 饱和状态： 截止状态：
倒向放大状态：
3-2 均匀基区晶体管的放大系数
求出基区渡越时间
b
QB J nE
，最后求出：
*
1
b B
1、内建电场的形成
0
N
P
x jE
N
x jC
杂质浓度分布图：
NE x
NB x
NC
0 x jE x jC
x
设基区杂质浓度分布为：
NB (x)
N B (0) exp
x
WB
式中 η 是表征基区内杂质
变化程度的一个参数：
NB 0
NB WB
0
NB x
WB
x
NB (WB ) NB (0) exp
ln N B (0)
N B (WB )
当 η = 0 时为均匀基区。
在实际的缓变基区晶体管中， η = 4 ~ 8 。
小注入时，基区中总的多子浓度即为平衡多子浓度：
pB (x) pBO(x) NB (x)
令基区多子电流为零：
Jp
qD p
dpB ( x) dx
pB 0
J pEWB qDB
J pE
J pC
q
pB (0) WB
2 B
J pEWB 2
2DB B
J pE 2
WB LB
2
J pC
J pE 1
1 2
WB LB
2
J pC J pE
2
1
1 2
WB LB
上式中，
1 WB
2
即代表了少子在基区中的复合引起的电
2 LB
流亏损所占的比例。要减少亏损，应使WB↓，LB↑。
1、晶体管的放大作用
均匀基区晶体管：基区掺杂为均匀分布。少子在基区中主 要作扩散运动，又称为 扩散晶体管。
缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，少子在基区 中主要作漂移运动，又称为 漂移晶体管。
要使晶体管区别于两个二极管的串联而具有放大作用，晶 体管在结构上必须满足两个基本条件：
（1） 基区必须很薄，即WB << LB ； （2） 发射区的杂质总量远大于基区，当WE 与WB 接近时， 即要求 NE >> NB 。
q p pB ( x)
0
得内建电场为：
Dp 1 dpB (x) Dn 1 dN B (x)
p pB ( x) dx
n N B (x) dx
由于 dN B 0 ， 0 ，故对电子起加速作用，称为
dx
加速场 。
2、基区少子分布与少子电流
将基区电场 代入电子电流方程中，可得注入基区的少子
第三章 双极型晶体管的直流特性
内容
3.1 双极晶体管基础 3.2 均匀基区晶体管的电流放大系数 3.3 缓变基区晶体管的电流放大系数 3.4 双极晶体管的直流电流电压方程 3.5双极晶体管的反向特性 3.6 基极电阻
1、双极型晶体管的结构
一侧称为发射区，电极称为发射另极一，侧称为集电区和集电极， 双极用型E或晶e体表管示的（结Em构it示ter意）图；如用图C或所c示表。示（Collector）。
N B dx
于是 JnE 可表示为：
J nE
q
2
p
R口B1
Dn
ni2
exp
qVBE kT
1
qkT p n R口B1ni2
exp
qVBE kT
1
下面求基区少子分布 nB (x) : 在前面的积分中将下限由 0 改为基区中任意位置 x ，得：
JnE
qDnnB (x)NB (x)
WB x
1
§3-3 缓变基区晶体管的放大系数
以NPN 管为例，结电压为 VBE 与 VBC 。 基区杂质分布的不均匀会在基区中产生一个内建电场，使 少子在基区内以漂移运动为主，故缓变基区晶体管又称为 漂移 晶体管。
本节主要思路：令基区多子电流为零，解出基区内建电场
，将其代入少子电流方程，求出 JnE , nB x 与 QB ，进而
J dp N区
xp
Jr
0
xn
V
忽略势垒区产生复合电流， 处于放大状态的晶体管内部的 各电流成分如下图所示：
I pE
I pC
I pr
I nE
I nr
I E I pE I nE , I B I nE I nr , IC I pC I pE I pr I E I nE I nr
I pEnnpVEECIFEV
VE
IF
0
VE
p
n
IR
VC VC 1 dIR rc dVC
VC 0 IR
n
p
n
IF VE
IR VC
n
pn
IF
VE IE E
rE
B
IR
VC IC
αIE C rC RL
B
为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下 PN 结中 的电流：
J
Jdp Jdn Jr
P区
J dn
NBdx
由上式可解出 nB (x) 为：
nB (x)
J nE qDn NB (x)
WB x
NB (x)dx
J nE
qDn NB (x)
WB x
NB
0
exp
x
WB
dx
JnEWB 1 exp 1 x WB
qDn
纵轴：
qDB J nEWB
nB x
nB (x)
J nEWB qDn
nB (WB
)
nB0
exp
qVBC kT
1
0
JnE
qDBnB 0 nB 0
WB 0
NB
x
dx
qDn ni2
WB 0
N Bdx
exp
qVBE kT
1
nB (0)
ni2 N B (0)
exp
qVBE kT
1
根据非均匀材料方块电阻表达式，缓变基区的方块电阻为：
R口B1
1
q p
WB 0
6、电流放大系数与亏损因子
IC
IE
JC JE
J pC J pE J pE J E
*
1
WB2 2L2B
1
R口E R口B1