半导体物理_第十章

从上页图中可见，虽然发射结和收集结均处于正 向偏臵状态，但是发射结上的正偏电压还是略高于收 集结上的正偏电压，因此在基区内部仍然存在着过剩 少子电子的浓度梯度，由此形成BJT器件的收集极电 流。下图所示为工作在饱和状态时BJT器件中各区的 能带情况示意图。
最后，我们再给出BJT处于反向放大状态时不同 区域的少数载流子浓度分布，如下图所示，从图中可 见，由于器件发射结处于反偏状态，而收集结处于正 偏状态，电子由收集区注入到基区，最后扩散到发射 结附近并被发射结电场拉向发射区，基区中的过剩少 子电子的浓度梯度也与正向放大状态正好相反。
如果BJT器件的发射区厚度xE与发射区中少数载 流子空穴的扩散长度LE相当或可以比拟的话，则发射 区中过剩少数载流子空穴的浓度为指数分布。 最后我们再来看BJT器件中收集区内部的少子浓 度分布。在BJT器件的收集区中，稳态条件下过剩少 子空穴的双极输运方程为：
由此即可得出BJT器件中收集区内部过剩少数载流子 空穴的浓度分布为：
C. 基区中的少子电子存在着比较大的浓度梯度，因 此电子可以通过扩散流过基区，和正偏的PN结二极管 类似，少子电子在通过中性基区的过程中也会与其中 的多子空穴发生一定的复合。
D. 电子扩散通过基区之后，将进入反偏的收集结空 间电荷区中，收集结中的电场将把扩散过来的电子拉 向收集区，能够被拉向收集区的电子数目取决于由发 射区注入到基区中的电子数目。 E. 流入到收集区中的电子数量（构成收集极电流） 取决于发射结上的偏臵电压，此即双极型晶体管的放 大作用，即：BJT中流过一个端点的电流取决于另外 两个端点上的外加电压。 发生在正向放大模式BJT中的其它次要的物理过程还有： F. 基区中的少子电子将与基区中的多子空穴相复 合，因此基区中的多子空穴必须不断地得到补充，这 个过程构成了基极空穴电流的一个组成部分。
下图所示为工作在反向放大模式时BJT器件中各 区的能带情况示意图，这也与正向放大模式时BJT器 件中各区的能带情况呈对称状态。
但是由于BJT中三个区域掺杂浓度的不同以及几 何结构上发射区与收集区的非对称性，反向放大模式 下BJT的电流增益将大大下降，如下图所示，由于发 射极的面积远小于收集结的面积，因此由收集区注入 到基区的电子只有很少一部分能够被发射区所收集。
正向放大模式下BJT中各区少子浓度分布示意图
1. 正向放大模式 考虑如下结构的一个均匀掺杂的BJT器件。基区中稳 态条件下过剩少子电子的双极输运方程为：
Hale Waihona Puke 即基区中的过剩少数载流子电子的浓度分布确实 可以近似为线性分布。这一点也可以从下面的双曲正 弦函数变化曲线看出。
双曲正弦、双曲余弦、双曲正切函数的台劳级数 近似展开形式。
由于中性发射区的宽度xE为有限值，故上述双极输运 方程解的一般形式中的两个指数项也都必须保留。 发射区中过剩少数载流子空穴的浓度在发射区的 两个边界处分别为如下两式所示：
而在发射区表面，复合速度为无穷大，因此在x’=xE处 边界条件为：
如果BJT器件的发射区厚度xE也足够薄的话，同样可 以得出发射区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为线 性分布的结论，即：
理想BJT器件在共基极模式下的电流－电压特性，从 图中可见，BJT器件相当于是一个恒流源。
由上述分析可见，发射极电流成分iE2实际上也是 基极电流的一个组成部分，基极电流的另一个组成部 分则是基区中的多子空穴与电子的复合电流iBb，这 二者都与exp(vBE/Vt)成正比，因此BJT器件的收集极 电流与基极电流之比也为常数，即：
第十章
双极型晶体管
本章学习要点： 1. 了解双极型晶体管的基本工作原理，并建立其电流 －电压关系； 2. 分析并推导出双极型晶体管内部少数载流子的分布 情况； 3. 分析决定双极型晶体管共基极电流增益的影响因子 并推导出其数学表达式； 4. 了解双极型晶体管中的几个非理想效应； 5. 建立双极型晶体管的小信号等效电路模型； 6. 掌握分析双极型晶体管频率限制因素的方法； 7. 掌握分析双极型晶体管大信号开关特性的方法。
上式中α称为BJT器件共基极电流增益，由上述分析 可知，iC<iE，即α<1，由于iE2与晶体管的放大作用 无关，因此我们总是希望这个电流成分越小越好，也 就是希望BJT的共基极电流增益尽可能接近1。 由上述分析可见，只要BJT的收集结反偏，其收 集极电流就基本上与收集结的外加电压无关，因此在 共基极模式下理想BJT器件的电流－电压特性如下页 图所示，可见，此时BJT相当于一个恒流源。
BJT器件的一个主要工作目标就是要使得由发 射区注入到基区的电子能够尽量多地被收集区收集 到。为此，基区中少子电子与多子空穴之间的复合 应该尽可能地减少，基区宽度也必须小于少子的扩 散长度，从而使两个PN结之间能够产生相互作用。
2. 简化的晶体管电流关系 首先我们将通过简化的分析来获得NPN型BJT中各个端 点电流与端点电压之间的关系，从而得到BJT基本放 大作用原理的物理图像，然后我们再给出详细的推导 过程。一个处于正向放大模式BJT器件内部各区域中 的少数载流子浓度分布如下页图所示。
BJT器件四种不同的工作模式及其对应的PN结偏臵条 件示意图
4. 双极型晶体管的放大作用
双极型晶体管的电流放大作用和电压放大作用示意图
双极型晶体管的电流放大作用和电压放大作用示意图
§10.2 少数载流子分布情况 我们主要感兴趣的是双极型晶体管的各个电流表 达式，和理想PN结情况类似，这些电流都是BJT中各 个区域少数载流子浓度分布的函数，因此我们首先确 定在不同工作模式下，双极型晶体管中稳态条件下各 个不同区域的少数载流子浓度分布。首先我们还是考 虑正向放大模式。在下面的分析中，所用到的各种常 用符号如下页表中所示。 1. 正向放大模式 考虑如下结构的一个均匀掺杂的BJT器件。
（3）随着发射结正 向偏臵电压的不断增 加，BJT器件的收集 极电流和VR也将不断 增加，这也就意味着 收集结上的反向偏臵 电压在不断地下降， 当收集极电流达到足 够大时，将会使得收 集结由反偏变为零偏 甚至正偏，此时BJT 即进入饱和工作模式。
另外，当BJT器件的发射结处于反偏，而收集结 处于正偏时，则BJT处于反向放大模式。由于BJT器 件结构上的非对称性，其反向放大特性与正向放大特 性有很大差别。通常也把这种情况称为BJT器件的第 四种工作模式。 BJT器件四种不同的工作模式所对应的PN结偏臵 情况如下页图所示。
这个结果与反偏PN结中的过剩少数载流子浓度分布 情况完全一样。 上面我们分析的是BJT器件处于正向放大模式情况 下，其内部各区中过剩少数载流子浓度的分布情况。 此时BJT中的少数载流子浓度分布以及能带图分别如 下页图所示。
除了正向放大模式之外，BJT器件还可以工作在 截止区、饱和区以及反向放大模式，相应地我们也可 以求解出这些工作状态下BJT器件内部少数载流子的 浓度分布和能带情况示意图。下图所示为工作在截止 状态时BJT中不同区域的少数载流子浓度分布。
实际BJT的结构示意图 例1：传统双极型集成电路中的BJT结构 埋层：减小串联电阻；隔离：采用PN结；
实际BJT的结构示意图 例2：先进的双层多晶硅BJT结构 埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；
1. 基本的工作原理 NPN型BJT与PNP型BJT是完全互补的两种双极型晶 体管，我们将以NPN型器件为例来进行讨论分析，其 结论对PNP型器件也完全适用。理想情况下，一个均 匀掺杂的NPN型BJT的掺杂分布如下图所示：
在普通的BJT器件中，发射区的掺杂浓度一般在 1E19cm-3以上，基区的掺杂浓度通常则在1E17cm-3和 1E18cm-3之间，收集区的掺杂浓度则在1E15cm-3左右 正常工作时，BJT器件的发射结（E-B结）处于 正向偏臵状态，而其收集结（B-C结）则处于反向偏 臵状态，这种情况通常称为正向放大模式（组态）。
从上页图中可见，理想情况下基区中少数载流子 电子的浓度分布为线性分布，即基区中没有载流子的 复合，由发射区注入过来的电子扩散通过基区，然后 被收集结空间电荷区中的电场拉向收集区，因此BJT 器件的收集极电流可表示为：
其中ABE为发射结面积，nB0为热平衡条件下基区中的电 子浓度，电子沿着+x方向流动，因此电流沿着-x方向， 如果只考虑电流大小，则有：
由上式可见，BJT器件的收集极电流受发射结上 外加电压的控制，即：BJT中流过一个端点的电流取 决于另外两个端点上的外加电压，此即双极型晶体管 的放大作用。 理想情况下，由发射区注入到基区的电子电流与 收集极电流相等。而由基区注入到发射区的空穴电流 则为（仅考虑大小）：
由此可见，BJT中收集极电流与发射极电流之比为一 个常数，即：
§10.1 双极型晶体管的基本工作原理 基本组成情况：三个掺杂区，两个PN结两种结构： NPN型BJT：两个N型区中间夹着一个薄的P型区； PNP型BJT：两个P型区中间夹着一个薄的N型区；
如图所示为两种BJT的器件结构和电路符号，其中加 号＋＋和＋分别代表各个区域掺杂浓度的相对大小。 可见BJT中通常发射区掺杂浓度最高，基区次之，而 收集区的掺杂浓度则最低。
上式中β称为BJT器件的共发射极电流增益，一般 情况下BJT器件的基极电流相对来说比较小，因此BJT 器件的共发射极电流增益通常比较大，大约为100左 右。
3. 工作模式 如下页图所示，BJT器件可以有三种工作模式： （1）当发射结处于零偏或反偏，收集结也处于反偏 时，BJT器件发射区中的多数载流子电子不会向基区 中注入，因此器件发射极电流和收集极电流均为零， 此时称为截止模式； （2）当发射结处于正偏，而收集结处于反偏时，就 会产生发射极电流，同时发射区向基区注入电子也会 形成收集极电流，因此有： 当VCC足够大，且VR足够低时，则有VCB>0，即BJT 的收集结处于反偏状态，这也就是所谓的正向放大模 式；
G. 由于发射结正偏，因此基区中的空穴也会越过发 射结空间电荷区向发射区扩散，但是由于基区掺杂浓 度通常远远低于发射区的掺杂浓度，因此空穴由基区 扩散至发射区所引起的空穴电流也将远远小于电子由 发射区扩散至基区所引起的电子电流，这个空穴电流 也构成了基极电流和发射极电流的一个组成部分。
H. 反偏的收集区中也存在着一个反向漏电流，这个 反向漏电流通常很小，我们在后面的讨论中还会对其 进行详细的分析。
工作模式如下页图所示bjt器件可以有三种工作模式1当发射结处于零偏或反偏收集结也处于反偏时bjt器件发射区中的多数载流子电子不会向基区中注入因此器件发射极电流和收集极电流均为零此时称为截止模式2当发射结处于正偏而收集结处于反偏时就会产生发射极电流同时发射区向基区注入电子也会形成收集极电流因此有当vcc足够大且vr足够低时则有vcb0即bjt的收集结处于反偏状态这也就是所谓的正向放大模式3随着发射结正向偏臵电压的不断增加bjt器件的收集极电流和vr也将不断增加这也就意味着收集结上的反向偏臵电压在不断地下降当收集极电流达到足够大时将会使得收集结由反偏变为零偏甚至正偏此时bjt即进入饱和工作模式
双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），有时也简称为双极型晶体管 或双极晶体管，与MOSFET一样，BJT与其它电路元件 组合在一起也可以实现电流放大、电压放大和功率 放大的功能，因此BJT也是一种有源器件。 双极型晶体管包含3个独立的掺杂区域（NPN或 PNP），由此构成两个靠得很近且二者之间具有相互 作用PN结，双极型晶体管的工作原理与这两个PN结 的特性密切相关。之所以称为双极型器件，是因为 其工作过程中包含了电子和空穴两种载流子的运动.
我们首先来讨论发生在正向放大模式BJT中的主要 物理过程： A. 发射结正偏，电子由N型发射区越过发射结空间电 荷区扩散进入基区，并在基区中形成非平衡过剩少子 电子的浓度分布，基区中少子电子的浓度分布是发射 结上外加正偏电压的函数，发射区中的电子电流是流 过发射极电流的一个组成部分。 B. 收集结反偏，因此基区中靠近收集结边界处少子 电子的浓度为零。
从上页图中可见，由于发射结和收集结均处于反向 偏臵状态，因此在这两个结的空间电荷区边界处的少 数载流子浓度均为零，又因为基区宽度通常远远小于 少子扩散长度，因此基区中的少子已经基本上被空间 电荷区的反向电场抽走，其浓度基本为零。下图所示 为工作在截止状态时BJT中各区的能带情况示意图。
下图所示为工作在饱和状态时BJT中不同区域的 少数载流子浓度分布。从图中可见，器件发射结和收 集结均处于正偏状态，但是对于共发射极应用来说， 器件中的电流仍然是由收集极流向发射极，即电子由 发射区注入到基区，最后通过扩散流向收集区。