第十一章BJT的静态特性

（3） 从理论上讲，VEC继续增大，特性曲线还将继续右移， 但当VEC>1V,只要VEB一定，则从发射区注入基区的空穴数一 定，集电极上的反偏电压已足以将发射区注入基区的空穴全 部收集到集电极，因此即使VEC继续增大，IB也不会明显减少， 特性曲线几乎与VCE=1V时重叠在一起。所以输入特性曲线一 般只用两条来描述。
• 在功率BJT中，流过BJT的电流较大，电流集边和 因此导致的局部过热特别有害，所以在功率BJT 中，发射极和基极采用如下图所示的梳状结构
考虑串联电阻效应后BJT的等效电路
• 理想BJT看作本征晶体 管，串联电阻包括体电 阻和接触电阻之和，实 际的E-B结和C-B结的电 压为：
VEB ’ VEBIErEIBrB VEC ' VECIErEICrc
p B ( x) A1 A2 x
pB 0
B
代入边界条 件求解
A 1pB(0) A2[pB(W )pB(0)/]W
基区的少子分布规律
qE VB
pB(0)pB0(eKT1)
qC VB
pB(W )pB 0(eKT 1)
少子在基区的分布近似满足直线分布
此时三极管的基区输运系数：
注入载流子在通过基区的过 程中没有通过复合而损失。
共基极的输入和输出特性曲线
共基极输出特性曲线特点
理论和实验曲线之间具有很好的一致性。 区别：理论曲线对加在晶体管的电压没有限制
实际器件存在击穿电压VCBO
实
理
验
论
曲
曲
线
线
共发射极的输入和输出特性曲线
共发射极输入特性曲线的特点 理论和实验曲线符合的很好
共发射极输出特性曲线的特点
实验和理论曲线的主要区别： 1. IC随VEC的增加而逐渐增加 2. 2. 当VEC增大到一定值时，晶体管发生击穿
电场E
发射极开路 时流过CB结 的饱和电流
基极开路时 流过CB结的 饱和电流
4。 雪崩倍增和击穿
• 共基极：
放大模式下，加在C-B结的电压增加，穿过CB耗尽 区的载流子增加，获得的动能增加，碰 撞晶格离子产生更多载流子，发生雪崩击穿。
倍增系数
M 1 1[ VA ]m VB R
m=3-6
非对称掺杂结
1. 理想BJT的基本假设
（1）E-B结和C-B结都是均匀突变结 （2）小注入 （3）耗尽层近似 （4）忽略耗尽层中的产生-复合效应 （5）发射区和集电区的准中性宽度远大于少子的
扩散长度 （6）忽略串联电阻效应 （7）晶体管在稳态条件下工作
坐标系和材料参数符号说明
2. 各区的少子分布函数
• 方法步骤： （1）扩散方程 （2）边界条件 （3）求解方程得到少子分布函数表达式 （4）由少子分布函数求出流过E-B结和C-B
2.基区宽度调制效应
• 基区准中性宽度随外加电压VEB和VCB的变化而变化的现象 叫基区宽度调制效应或厄利效应（Early效应）
基区宽度调制效应对BJT特性参数的影响
基区宽度调制效应对共基输入和共发射极输出的影响大
• 基区宽度调制效应对共基输入特性曲线的影响大
exp(qVCB/kT)0 W/LB<<1，展开
p np
C
B C
B
11.2 理论和实验的偏差
1。理想特性曲线和实验的比较
理论曲线：IE与VCB无关
基区宽度调制效应
实验曲线：VEB一定时， IE随VCB 的增加而增大。 这是因为晶体管的基区很
薄，VCB增大时集电结耗 尽层变宽，有效基区宽度 变窄，导致基区中注入空 穴浓度梯度变大，所以同 样的VEB，IE随VCB增加而 增加。
热平衡时，扩散流=漂移流
WB 2m
N（B x)降低2个数量级 T 300 K , xdiff 4.34 10 5 cm
600V / cm
8 BJT的品质因素
借助图形显示的“品质因素”，可以迅速地了解实验结果与理想结 果的偏差程度 Gummel图-同时记录IB和IC随输入电压VEB变化的半对数图 理想情况：IC，IB都是一条直线，斜率为q/KT
ICEO是基极开路时，集电极发射极的电流，此时集电结 强反偏，发射结弱正偏，发 射结有微弱的空穴注入，所
IC dcIE ICBO dc(IC IB) ICBO
IC
dc 1dc
IB
ICBO
1dc
共发射极
dc
dc 1dc
与共发射极的公式对比
ICEO
ICBO
1dc
以ICEO>>ICBO
5. 几何效应
方程的解（少 子分布规律）
从B区扩散过E-B 结的电子电流
集电区的扩散方程和边界条件
扩散方程
边界条件
少子分布规律 从C区扩散过CB结的电子电流
基区的扩散方程和边界条件
扩散方程
边界条件 少子的分布
基区的少子分布规律
基区的空穴分布
从E区扩散过EB结的空穴电流
从B区扩散过CB结的空穴电流
sinh() e e
3.穿通
• 基区宽度调制效应最终导 致的W0的物理状态。穿 通发生，E-B结和C-B结就 静电联结在一起，导致大 量的载流子从发射区直接 注入集电区，击穿电压和 穿通电压先发生者决定了 BJT的VCBO和VCEO VEBO:集电极开路，发射极-基极击穿电压。 VCEO:基极开路，集电极-发射极的击穿电压。 VCBO：发射极开路，集电极-基极的击穿电压
• 在理想BJT模型中，电流 被假定为是“一维”的， 即从发射区注入到基区 的载流子是直线移动到 集电区的，而实际BJT中 并非如此，因而使理想 结构给出的结果与实际 情况有一些偏差。
基区扩展电阻和发射极电流集边效应
发射区面积集电区面积
串联电阻：它使E-B结的 电压降低IBrB,虽然其值很 小，但对发射区电流影响 很大，因电流是结电压的 指数函数。
基区扩展电阻和发射极电流集边效应
在晶体管工作时，基极电流在基区中平行于结 面流动，基极电流是一股漂移电流，因此，在 基极电流流动的方向产生电压降，使发射－基 极结面的不同位置处于不同的正向偏压下，在 发射极条边缘位置的结偏压最高，中心结偏压 最低，因而在整个发射结面的注入是不均匀的， 大部分注入电流通过发射极的边缘，这种注入 电流向发射结边缘集中的现象称为发射极电流 集边效应。
W LB
sinh(W ) W LB LB
cosh(W ) 1 1 ( W )2
LB
2 LB
作业题6
BJT处于放大工作偏置下各区的少子分布
作业题7pnp
四种偏置模式下少子分布图
正 向 放 大 模 式
作业题7 npn
npn饱和模式
npn截止模式
Npn反向放大模式
双极型晶体管的Ebers-Moll（E-M）模型
考虑C-B耗尽区内的载流子倍增 ICP=MTIEP M T代替T，M dc代替dc，根据公式10.15
M1/ dc,时IC
设VBR=VCBO VA=VCEO
利用 M 1 1[ VA ]m VB R
ICBO与ICEO的关系 共基极
ICBO是流过集电极的反向饱 和电流，主要是集电结附近 热产生的电子被扫入基区形 成的电流
实际情况：VEB较小时，复合-产生流使实际的基极电流明显增大。
VEB较大时，集电极电流开始向水平方向倾斜并趋于饱 和，主要是由于大注入效应，串联电阻效应和电流集 边效应引起的
8 BJT的品质因素
BJT的Gummel曲线
共发射极直流电流增 益与输出电流的关系
11.3 现代BJT结构
1. 多晶硅发射极 (应用于集成电路中） 2. 异质结三极管（HBT）(高频高速应用）
共发射极输入特性曲线的特点
（1）VCE=0V，即集电极与发射极相接，相当于集电结与发 射结两个p-n结并联，所以此时的输入特性应为两个二极管并 联后的特性。
（2） VEC>0V, 发射结正偏，集电结反偏，三极管处于放大状 态，发射区注入的空穴只有极小部分在基区复合，大部分被 集电极收集。因此对应于相同的VEB，当VEC>0V时，流向基 极的电流比VEC=0V时小了，特性曲线右移。
1 多晶硅发射极
多晶硅发射极的BJT的理想横截面图
• 采用多晶硅发射极的优势：
1 适合制作现代IC所需的浅发射区/基区结 2 它的共发射极电流放大系数大
原因
• 现代IC中，为提高工作速度， 采用薄发射区，即WE/LE<<1， 在发射区的复合可忽略，此 时发射区少子分布成为位置 的线性函数，在放大模式偏 置下，从基区注入发射区的 电流会有一个显著的增加， 从而使发射效率下降，电流 增益也减小。
IF0
IR0 qA
F IF 0R IR 0qD A B p B 0
埃伯斯-莫尔方程
E-M模型把晶体管看作具有公
共区域的两只背靠背连接的二 E
极管，对于pnp晶体管，n型
基区就是背靠背连接的二极管 E 的公共区域。
BJT正偏，流过发射结 电流IF，在放大工作状 态，从发射结注入基区 的少子大部分到达集电 极，这部分电流由电流 源FIF表示， F共基极 放大系数。反向工作状 态.......
结的电流IEp，IEn, ICp, ICn （5）根据，T，dc, dc的定义求出特性参数
+
扩散方程和边界条件
由pn结定律得耗尽层的边界条件
P区
n区
发射区的扩散方程和边界条件
晶体管处于稳态条件， nE 0, 且GL=0
t
扩散方程
边界条件
发射区的少子分布规律和电流
方程的通解
x``
x``
nE(x`)`A 1eL EA 2eL E
第十一章BJT的静态特性
第11章 BJT的静态特性
11.1 理想晶体管模型 （作业2，7，8） 11.2 理论和实验的偏差（作业） 11.3 现代BJT结构（作业）(11.17)
11.1 理想晶体管模型
• 1. 理想BJT的基本假设 • 2. 各区的少子分布函数 • 3. 流过E-B结和C-B结的电子、空穴电流 • 4. 特性参数
但是， 对于BJT，在大多数情况下，输入和输出电流都主要
以发射区注入的电流为主。
IEP
IEPIENIRG
7.缓变基区
• 基区内的杂质分布不是常数， 而是从E-B结处的最大值“缓 变”到C-B结处的最小值。
• 基区杂质分布的浓度梯度，使 基区存在内建电场，电场帮助 少子以更快的速度穿过基区， 即减少了基区渡越时间，减少 了基区内的复合，增加了基区 输运系数和电流放大系数，同 时也改善了高频响应速度。
VBR
1 N低掺杂边
共发射极击穿
共发射极击穿电压VCEO<VCBO 0-注入基区的空穴 1-扩散到C-B结边界 2空穴碰撞C-B耗散区内的晶格，产生电
子空穴 3电子被扫回基区，多余电子导致基区
多子失去平衡 共基极，多余电子流出基极
共发射极，多余电子注入发射区，从而 导致附加的空穴注入基区，随着附加 空穴的注入，在C-B耗尽区会有附加 的载流子倍增，导致更大的集电区电 流，IC时的VEC远小于CB结的击 穿电压
2
cosh() e e
sinh() e e
2
cosh() e e
2
简化关系式
• 因为基区宽度远小于少子的扩散长度，即W<<LB， 0xW
sinh() e e
2
cosh() e e
2
基区少子分布的简化求解方法
基和通解
0 d 2pB dx 2
T
Icp qAD BddpxB IEP qAD BddpxB
x0 xW
1
作业题5：基区宽度对基区少子分布的影响
3 流过发射区、集电区和基区的电流
发射极电流 集电极电流
基极电流 IBIEIC
4 特性参数
1
sinhW( )
1（DE LB NB ） LB
DB LE NE coshW( )
LB
4 特性参数
W的变化对dc的影响 非常小，ICBO也与W的 变化几乎无关，所以 基区宽度调制效应对 共基输出特性影响较 小
• 晶体管的掺杂和偏置模式对基区宽度调制效应的 灵敏度：NE>>NB>NC,E-B 结耗尽区主要在B区， VEB很小，对基区宽度调制影响小，C-B结的耗尽 层宽度大部分位于C区，使对基区宽度调制的影 响减小到最小。但是若在倒置模式下工作，基区 宽度调制效应将会很明显。
小量忽略
展开去一级小量
VEB一定，VCB增加，W减小，IE增加
•基区宽度调制效应对共发射极输出的影响大
IC IC pICE O IB ICE
C-B结反向电压增加，W 减小，随VEC的增加而增 加，IB给定后，IC随VEC的 增加而略有增加
基区宽度调制效应对共基输出和共发射极输 入影响小。
IC dIcEICBO
6。复合-产生电流
在理想BJT中，忽略了E-B结和C-B结耗尽区内的热复合-产生 电流。实际BJT中，如SiBJT在室温下就发现有显著的复合-产 生电流。
在放大模式下，E-B结中的复合-产生流成为基区电流的主要 成分，使发射效率和电流放大系数变小。
输入端开路时，C-B结的复合-产生流会使ICBO和ICEO增加