第05章-双极型晶体管及相关器件(二)

在截止模式下，晶体管的两个结皆为反向偏压，边界 条件变为pn(0)=pn(W)=0，截止模式下的晶体管可视为 开关断路(或是关闭)。
EB
C
np
pn np
VEB
E
B
C
np
pn
np
0W
放大
0W
饱和

0
VCB
E BC
np
pn
np
0W
截止

E
BC
np
pn
np
0W
反转
双极型晶体管的静态特性
在反转模式下，射基结是反向偏压，集基结是正向偏压；在 反转模式下晶体管的集电极用作发射极，而发射极用作集电 极，相当于晶体管被倒过来用，但是在反转模式下的电流增 益通常较放大模式小，这是因为集电区掺杂浓度较基区浓度 小，造成低的“发射效率”所致。

(0
1)ICBO
所以
ICEO (150.5 1)0.87106 A 1.32104 A
§5.3 双极型晶体管的频率响应与开关特性
频率响应
ic
前面讨论的是晶体管的静态特性(直流特性)，
p
没有涉及其交流特性，也就是当一小信号重
iB
n
叠在直流值上的情况。小信号意指交流电压
IC
0W
截止

E
BC
np
pn
np
0W
反转
如在放大模式下， 图4.7 四种晶体管工作模式下得结极性与少数载流子分布 射基结是正向偏压，集基结是反向偏压。
双极型晶体管的静态特性
在饱和模式下，晶体管中的两个结都是正向偏压，
导致两个结的耗尽区中少数载流子分布并非为零，
因此在x=W处的边界条件变为
pn (W
)

截止模式
反向偏压
反向偏压
反转模式
反向偏压
正向偏压
P+ N P
E
BC
双极型晶体管的静态特性
下图显示了一p-n-p晶体管的四种工作模式与VEB、VCB 的关系，每一种工作模式的少数载流子分布也显示在
图中。
EB
C
np
pn np
VEB
E
B
C
np
pn
np
0W
放大

0W
饱和
0
VCB
E BC
np
pn
np
p（n EWV ）VEB 0 决定。
x
(d)
(c)
双极型晶体管的静态特性
共基组态晶体管的电流-电压特性
共基组态晶体管的基极为输入端与输出端所共用，其电 流-电压特性仍可用下式描述，其中VEB和VBC分别是输 入与输出电压，而IE和IC分别为输入与输出电流。
IE

a11
exp

qVEB kT
半导体器件物 理与工艺
Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices
2019/8/3
双极型晶体管的静态特性
根据射基结与集基结上偏压的不同，双极型晶体管有 四种工作模式。
工作模式
射基结
集基结
放大模式
正向偏压
反向偏压
饱和模式
正向偏压
正向偏压

qVEB kT

1


a12
exp

qVCB kT

1

IC

a21
exp

qVEB kT


1
a22
exp

qVCB kT


1

上二式各结的偏压视晶体管的工作模式可为正或负。其中系数11、 12、21和22可各由以下各式分别得出。
下图(a)是此放大器的低频等效电路，ic 在更高
频率的状况下，必须在等效电路中加上适当
的电容。与正向偏压的p-n结类似，p 在正向偏
压
的
射
基
结
中
，
会
有
一
势
垒
电iB
容nCEB
和
B
一
扩
散电容Cd，而在反向偏压的集基结中只存在
势垒电容CCB，如图 (b)所V示~EB 。 p
V~EB
iE
VEB
VCCE
Ic/mA
pn0
exp

qVCB kT

EB
C
在饱和模式下，极 小的电压就产生了
np
pn np
极大的输出电流，
0W
放大
晶体管处于导通状
态，类似于开关短
路（亦即导通）的
E BC
状态。
np
pn
np
0W
截止
VEB
0

E BC
np
pn
np
0W
饱和
VCB
E
BC
np
pn
np
0W
反转
双极型晶体管的静态特性
压特性的测量结果并标示出不同工作模式的区域。集电极与发射
极电流几乎相同(0≈1)并几乎与VBC不相关，非常符合理想晶体管
的行为。
8
饱和
8
6 饱和
IE 6mA
IE E
E VEBp

E p
B
n
B
C
IC
n
C p IB
p
C
IC
C
VCB
IB
VCB

(a)p-n-p晶体管的共基状态
64
IE
图 4.9 p-n-p晶体管基极中的少数载流子分布
双极型晶体管的静态特性
共射组态晶体管的电流-电压特性
下图是一个共射组态下的p-n-p晶体管，将式IB=IE-IC代入
I C 0I E＋I CBO 可得出共射组态下的集电极电流
IC 0 (I B IC ) ICBO IC
ic
~ic IC
6 t
4
输出电流 2
1/RL的斜率与VCE轴相V交EB 于VCVCCC。
0
(a)连接成共射组态的双极晶体管
IB 25图A4.1
负载线
iB
IB
工作点
20
15 ~iB t
10
5 0
5
10 VEC /V
VCC 15
双极型晶体管的频率响应与开关特性
当一小信号附加在输入电压上时，基极电流iB将会随时间变动，而成为 一时间函数，如右图所示。基极电流的变动使得输出电流iC跟着变动， 而iC 的变动是iB变动的β0倍，因此晶体管放大器将输入信号放大了。
20
双极型晶体管的静态特性
在一共射组态的理想晶体管中，当IB固定且VEC>0时，集电极电 流与VEC不相关。当假设中性的基极区域(W)为定值时，上述特性 始终成立。然而延伸到基极中的空间电荷区域会随着集电极和基
极的电压改变，使得基区的宽度是集基偏压的函数，因此集电极
电流将与VEC相关。 IC
8
IC
x
pn(x) pn
其中 Lp 边界条件
C1
Dp
x
x
exp ( Lp ) C2 exp ( Lp )
WE
WB
WC
NB xE
(c)

xC
0W
p 为空穴的扩散长度，常数C1和ECC2可由放(大b)模式下的
VBC
ECx EF EV
pn (0)

pn0
exp(qVEB kT
)
和
E


1

a12
exp

qVCB kT


1

IC

a21
exp

qVEB kT


1

a22
exp

qVCB kT


1

双极型晶体管的静态特性
图(a)是一个共基组态下的p-n-p晶体管，图(b)则为其输出电流-电
IC
IB
VA
0
VEC
双极型晶体管的静态特性
例 3 ： 已 知 在 一 理 想 晶 体 管 中 ， 各 电 流 成 分 为 ： IEp=3mA 、 IEn=0.01mA 、
ICp=2.99mA、ICn=0.001mA。求出共射电流增益β0，并以β0和ICBO表示ICEO，
并求出ICEO的值。
解： 发射效率为
和电流的峰值小于直流的电压、电流值。
V~EB
p
iE
VEB
VCC
高频等效电路：图(a)是以共ic 射组态
Ic/mA
晶体管所构成的放大器电路，在固
10
定的直流输入电压VEB下，p 将会有直
8
流基极电流IB和直流集iB 电n极电流IC流 过晶体管，这些电流代表图(b)中的 工阻作RL点所，决由定供出应的电V~EB负压载VC线C以p i，E 及将负以载电一
BVCBO
BVCBO 20
20
双极型晶体管的静态特性
当集电极和基极间的反向偏压增加时，基区的宽度将会减少，导 致基区中的少数载流子浓度梯度增加，亦即使得扩散电流增加， 因此IC也会增加。下图显示出IC随着VEC的增加而增加，这种电流 变化称为厄雷效应，或称为基区宽度调制效应，将集电极电流往 左方延伸，与VEC轴相交，可得到交点，称为厄雷电压。
＝
I
I Ep Ep＋I
En
＝3＋30.01＝0.9967
基区输运系数为
T

I Cp I Ep

2.99 0.9967 3
共基电流增益为 0＝ T 0.9967 0.9967 0.9934
因此可得
0＝1－0.09.9939434＝150.5
I CEO

( 0 10
1)ICBO
图 4.9 p-n-p晶体管基极中的少数载流子分布
双极型晶体管的静态特性
若要将集电极电流降为零，必须加一电压在集基结上，使其 正向偏压(饱和模式)，对硅材料而言，约需加1V左右，如图 (b)所示，正向偏压造成x=W处的空穴浓度大增，与x=0处相 等[图(b)中的水平线]，此时在x=W处的空穴梯度也就是集电 极电流将会降为零。
定义β0为共射电流增益，是IC对IB的微分，且
1
0
0
0＝IICB

0 1 0
IB
ICBO
10
IC
C
定义
I CEO
I CBO
10
此电流是当IB=0时，集电极与发射极 间的漏电流。因此
IB B
pC n B VEC
VBC p E
IC 0 I B ICEO
无电场的稳态连续方程式表示：
Dp

d 2 pn dx2

pn
pn0 τp

0
IE
发射W区E NB P xE
WB
基区
n
0W
VEB
IB
W集C电区 xC P VBC
IC x
输出
(b)
其中Dp和τp分别表示少数载流子的 扩散系数和寿命。上式的一般解为
E
(a)
N
D

N
A
E
IE
E
8
6 Ic/mA
4
2
0
双极型晶体管的静态特性
因为0一般非常接近于1，使得β0远大于1，所以基极电流（IB）
的微小变化将造成集电极电流（IC）的剧烈变化。下图是不同的 基极电流下，输出电流-电压特性的测量结果。可见当IB=0时，集 电极和发射极间还存在一不为零的ICEO。
IC
IC
8
C
C
8
饱和 饱和
IB B
pC
IB
B n B
pC
VnEC B
VEC
6
Ic/mA 4
6
Ic/mA 4
VCB

0VCB 0
IB 25IBA
25A
20 20 15 15
VBC
p
VBC E
p E
2
2
E
E IE
IE

E
E
0
0
10
10
5
5
0
IC0EO
1截0止
IC1E0O
BVCBO
BVCBO 20
C 8
饱和
C
6
pC
6
p IB
BI B B
n
C n
B VEC
B VEC
Ic/mA
Ic/mA
4
4
VBC p E
2
VBC p E
2
E E
IE
IE


E
E
0
0
饱和 VCB 0
VCB 0
IB 25A
IB 25A 20
20 15
15
10
10
5
5
0
I0CEO
截止
ICE1O0
1截0止
EB
C
np
pn np
0W
放大

VEB
0
E BC
np
pn
np
0W
饱和
VCB
E BC
np
pn
np
0W
截止

E
BC
np
pn
np
0W
反转
双极型晶体管的静态特性
其他模式的电流、电压关系皆可以用类似放大模式下的步骤得出， 但要适当地更改边界条件，各模式下电流的一般表示式可写为
IE

a11
exp
a11

qA( Dp pn0 W

DE nEO LE
)
a12

qAD p W
pn0
a21

qAD p W
pn0
a22

qA( Dp pn0 W

DC nCO LC
)
双极型晶体管的静态特性
IE
P
VEB
IC
n
P
IB VBC
输出
一、基区区域：
(a)
图(c)显示结上的电场强度分布，在中性N区D 域 N中A 的少数载流子分布可由
8
饱和
6
IE 6mA 5
Pn (x)
WB Pn (0)
Pn (x)
WB IC 0
4
4
放大
3
VBC 0
IC 0
205 0源自10截止VBC2
1
I CBO
0
20 BVCBO
（b）其输出电流－电压特性
VBC 0
Pn0
Pn0
0
W
0
W
(a)放大模式 VBC 0 VBC 0
(b)饱和模式中两结皆为正向偏压
8
饱和
6
IE 6mA 5
Pn (x)
WB Pn (0)
Pn (x)
WB IC 0
4
4
放大
3
VBC 0
IC 0