微电子概论第二章2-4节_双极晶体管
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微电子第二章 集成器件物理基础4
2. 输出特性 4 3 2 1 3 6 9 IC(mA ) 此区域中U 100µA 此区域中 CE<UBE, µ 集电结正偏， 集电结正偏， βIB>IC，UCE≈0.3V 80µA µ ， 称为饱和区。 称为饱和区。 60µA µ 40µA µ 20µA µ IB=0 12 UCE(V)
2. 输出特性 IC(mA ) 4 3 2 1 3 6 9 100µA µ 此区域中 : IB=0,IC=ICEO 80µ死区 µ ,UBE< A 电压， 电压，称为 60µA µ 截止区。 截止区。 40µA µ 20µA µ IB=0 12 UCE(V)
2．双极晶体管直流电流传输过程 ．
(1)双极晶体管电流传输过程 当然，反偏的集电结本身也有一个反向饱和电流流过， 但是与从发射结注入通过基区扩散到达的这部分电流相比， 反向饱和电流可以忽略不计。 根据上述分析，在发射结为正偏、集电结为反偏情况 下，可得如图所示的双极晶体管内部电流传输示意图。 由上分析可见，正是由于非平衡少子以扩散运动方式 通过基区到达集电结，构成了晶体管内部的电流传输。如 果基区很宽，基区宽度Wb比非平衡少子在基区的扩散长 度大得多，则注入到基区的少子还未到达集电结之前已在 基区全部被复合掉，即输入端的电流不可能传输到输出端， 这时晶体管的N-P-N结构相当于两个独立的PN结以背靠背 的方式串联．不具有晶体管放大作用。
共射极：电压电流放大能力，输入电阻比较高，输出电阻比共集电极的 要低，放大倍数一般比较大；输出电压相位与输入电压相位相反。 共集电极：输出电压相位与输入电压相位相同，只有电流放大能力，没 有电压放大能力，输出电压约等于输入电压，因此又称为射极跟随器或 者电压跟随器，输入阻抗高，输出阻抗地。 共基极：输出电压相位与输入电压相位相同，只有电压放大能力，没有 电流放大能力，频率特性好，处于放大区带宽较宽，动态性能好，输入 阻抗比较低，输出电阻和共射极电路相同
微电子概论第二章2-4节_双极晶体管
(2) 基区输运系数与晶体管结构参数的关系
(3) 直流电流放大系数与晶体管结构参数的关系 将上述注入效率和基区输运系数表达式代入电流放大系数表达式，得
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
4. 提高双极晶体管直流电流增益
(3) 直流电流放大系数与晶体管结构参数的关系
(4) 提高直流电流放大系数的途径
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
3. 双极晶体管直流电流增益
(4) 共射极直流电流增益β0 共射极连接，输入电流为IB，输出电流为IC 。 由 IC＝α0IE＋ICBO 代入IE=IC+IB，经简单数学变换，得
输出电流IC由两部分组成。其中β0IB是由输入电流IB对输出端电流的贡 献部分。这部分电流与输入电流IB之比为β0，称为共射极直流电流增益。 ICBO是输入端开路（IB=0）情况下输出电流，只流过输出端，对信号传 输没有贡献。而且由上式可见，ICEO是ICBO的(1+β0)倍，比ICBO大得多。 由前面表达式 一般晶体管中，α0通常都大于0.99，则β0比1大得多，通常在几十到几 百之间。对电流增益有特殊要求的超β晶体管，β0可能达到几千 。
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2. 双极晶体管直流电流传输过程
可得双极晶体管内部电流传输示意图
(2) 端电流组成 发射极电流 IE＝InE＋IpE InE是发射区通过eb结注入到基区的电子电流 IpE是基区通过eb结注入到发射区的空穴电流 集电极电流 IC＝InC＋ICBO InC是InE中通过基区到达集电结的电流 显然InC ＝(InE－IRB) ，其中IRB是在基区中复合的电流 ICBO是流过反偏bc结的反向饱和电流（从集电极流向基极） 由IB＝IE-IC可得
分析可得基区宽变效应导致β0随 VCE的变化关系为 VAF称为厄利电压（见图）。 厄利电压VAF越小，表示基区宽变效应越严重。 (3) 减小基区宽变效应（提高厄利电压）的途径 提高基区掺杂浓度、增大基区宽度 这些要求均与提高电流放大系数相冲突，需要统筹考虑。
(3) 直流电流放大系数与晶体管结构参数的关系 将上述注入效率和基区输运系数表达式代入电流放大系数表达式，得
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
4. 提高双极晶体管直流电流增益
(3) 直流电流放大系数与晶体管结构参数的关系
(4) 提高直流电流放大系数的途径
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
3. 双极晶体管直流电流增益
(4) 共射极直流电流增益β0 共射极连接，输入电流为IB，输出电流为IC 。 由 IC＝α0IE＋ICBO 代入IE=IC+IB，经简单数学变换，得
输出电流IC由两部分组成。其中β0IB是由输入电流IB对输出端电流的贡 献部分。这部分电流与输入电流IB之比为β0，称为共射极直流电流增益。 ICBO是输入端开路（IB=0）情况下输出电流，只流过输出端，对信号传 输没有贡献。而且由上式可见，ICEO是ICBO的(1+β0)倍，比ICBO大得多。 由前面表达式 一般晶体管中，α0通常都大于0.99，则β0比1大得多，通常在几十到几 百之间。对电流增益有特殊要求的超β晶体管，β0可能达到几千 。
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2. 双极晶体管直流电流传输过程
可得双极晶体管内部电流传输示意图
(2) 端电流组成 发射极电流 IE＝InE＋IpE InE是发射区通过eb结注入到基区的电子电流 IpE是基区通过eb结注入到发射区的空穴电流 集电极电流 IC＝InC＋ICBO InC是InE中通过基区到达集电结的电流 显然InC ＝(InE－IRB) ，其中IRB是在基区中复合的电流 ICBO是流过反偏bc结的反向饱和电流（从集电极流向基极） 由IB＝IE-IC可得
分析可得基区宽变效应导致β0随 VCE的变化关系为 VAF称为厄利电压（见图）。 厄利电压VAF越小，表示基区宽变效应越严重。 (3) 减小基区宽变效应（提高厄利电压）的途径 提高基区掺杂浓度、增大基区宽度 这些要求均与提高电流放大系数相冲突，需要统筹考虑。
微波晶体管
第二章 微波晶体管2.1 微波双极晶体管微波双极晶体管通常都是平面结构，几乎都是NPN 的。
微波双极晶体放大 器工作原理和传统双极晶体管一样，这里只简要说明一下微波双极型晶体管的 等效电路和性能参数。
微波晶体管中，为了提高发射极效率、减小结电容以适应微波频率上工作 的需要，一般采用交指型结构。
在低噪声放大电路中，共发射极电路用得较普 通，因为它有较高的功率增益、输入和输出阻抗比较接近于通常的传输线特性 阴抗、稳定性也好。
微波双极晶体管管芯共基极、共发射极小信号等效电路如图2.1所示。
图 中， B r 表示基极扩散电阻，C C 表示集电极耗尽层电容, e r 表示发射极结电阻； e C 表示发射极耗子层电容， c r 表示集电极结电阻。
图 2-1 微波双极型晶体管管芯等效电路（1）特征频率 T f晶体管中载流子从发射极渡越到集电极的时间的称为延迟时间，用г表示。
当工作频率比较高时，延迟时间与信号周期相比已显得相当长，这时输出电流和输入电流之间出现了相位差。
当工作频率进一步提高时，载流子在基区中运动而尚未到达集电极构成输出电流时，加在输入端的交流传号的大小和方向已经改变了，因而造成了载流子运动韵混乱现象，使电流放大系数下降。
频率越高，电流流放大系数下降越厉害。
由此可见，电流放大系数具有一定的频率特性。
通常用特征频率T f 表示微波晶体管的高频放大性能，它定义为共发极短路电流增益12h =l 时的频率。
特征频率T f 与晶体管的结构参数密切相关。
微波双极晶体管受到管予结构和工艺水平的影响，特征频率不可能很高。
当要求频率更高时，一般使用微波场效应晶体管。
其特征频率可表示为：()sB C PB B c p c e T v W X D W qI C C C kT f 22-++++=η(2)噪声 在微波晶体管中，闪烁噪声不起主要作用，因此微波晶体管的噪声主要有 两类：热噪声和散弹噪声。
热噪声是晶体管中载流子的不规则热运动引起的， 它的大小与晶体管本身的欧姆电阻有关。
模电课件双极型晶体管
进行仿真验证
使用仿真软件对设计好的晶体 管进行性能仿真，验证其是否
满足设计要求。
设计流程
确定应用需求
明确晶体管的应用场景和性能要求。
制作样品并进行测试
根据仿真结果调整设计参数，制作样品并 进行测试，最终确定满足设计要求的晶体 管结构。
进行性能仿真
使用仿真软件对设计好的晶体管进行性能 仿真，验证其是否满足设计要求。
结构与类型
结构
双极型晶体管由三个半导体区域（发射区、基区和集区）和三个电极（发射极、 基极和集电极）组成。
类型
根据结构特点和应用需求，双极型晶体管可分为NPN型和PNP型两类。NPN型晶体 管的电流方向为“发射极→基极→集电极”，而PNP型晶体管的电流方向则相反。
02
双极型晶体管的特性
电流-电压特性
总结词
双极型晶体管的电流-电压特性曲线表现出非线性特征，是晶体管在基极输入信号作用下，集电极电流随基极-发 射极电压变化而变化的特性。
详细描述
双极型晶体管的电流-电压特性曲线呈现出非线性的特点。当基极输入信号变化时，集电极电流会随着基极-发射 极电压的变化而发生变化。在正向放大区，集电极电流与基极电流成正比，而在反向截止区，集电极电流几乎为 零。
模电课件双极型晶体管
• 双极型晶体管概述 • 双极型晶体管的特性 • 双极型晶体管的应用 • 双极型晶体管的参数选择与设计 • 双极型晶体管的制作与测试 • 双极型晶体管的发展趋势与展望
01
双极型晶体管概述
定义与特性
定义
双极型晶体管是一种电子器件，具有 三个电极（集电极、基极和发射极） ，通过控制电流在三个电极之间的流 动来实现信号放大或开关功能。
基区制作
通过扩散或外延技术形成基区，控制其电阻 率和厚度。
使用仿真软件对设计好的晶体 管进行性能仿真，验证其是否
满足设计要求。
设计流程
确定应用需求
明确晶体管的应用场景和性能要求。
制作样品并进行测试
根据仿真结果调整设计参数，制作样品并 进行测试，最终确定满足设计要求的晶体 管结构。
进行性能仿真
使用仿真软件对设计好的晶体管进行性能 仿真，验证其是否满足设计要求。
结构与类型
结构
双极型晶体管由三个半导体区域（发射区、基区和集区）和三个电极（发射极、 基极和集电极）组成。
类型
根据结构特点和应用需求，双极型晶体管可分为NPN型和PNP型两类。NPN型晶体 管的电流方向为“发射极→基极→集电极”，而PNP型晶体管的电流方向则相反。
02
双极型晶体管的特性
电流-电压特性
总结词
双极型晶体管的电流-电压特性曲线表现出非线性特征，是晶体管在基极输入信号作用下，集电极电流随基极-发 射极电压变化而变化的特性。
详细描述
双极型晶体管的电流-电压特性曲线呈现出非线性的特点。当基极输入信号变化时，集电极电流会随着基极-发射 极电压的变化而发生变化。在正向放大区，集电极电流与基极电流成正比，而在反向截止区，集电极电流几乎为 零。
模电课件双极型晶体管
• 双极型晶体管概述 • 双极型晶体管的特性 • 双极型晶体管的应用 • 双极型晶体管的参数选择与设计 • 双极型晶体管的制作与测试 • 双极型晶体管的发展趋势与展望
01
双极型晶体管概述
定义与特性
定义
双极型晶体管是一种电子器件，具有 三个电极（集电极、基极和发射极） ，通过控制电流在三个电极之间的流 动来实现信号放大或开关功能。
基区制作
通过扩散或外延技术形成基区，控制其电阻 率和厚度。
第2章双极型晶体管及其特性
(2)当uCE =0时，晶体管相当于两个并联的二极管， 所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线明显左移， 见图2–6。
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(3)当uCE在0~1V之间时，随着uCE的增加，曲线右 移。特别在0< uCE ≤UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区 时，移动量会更大些。
确定了 值之后，由式(2–1)、(2–2)可得
ICIB(1)ICBO IBICEO
(2–3a)
IE(1)IB(1)ICBO (1)IBICEO(2–3b)
IBIEIC
(2–3c)
式中：
ICEO(1)ICBO
(2–4)
称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有
IC IB IE (1 )IB 式(2–5)是今后电路分析中常用的关系式。
现在你正浏览到当前第八页，共一百九十九页。
2–1–2 由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部
载流子传输形成的电流之间有如下关系：
IE IEN IBN ICN IB ICN ICBO IC ICN ICBO
(2–1a) (2–1b)
(2–1c)
现在你正浏览到当前第九页，共一百九十九页。
IC
IE
uB常数
(2–11)
现在你正浏览到当前第三十页，共一百九十九页。
由于ICBO、ICEO都很小，在数值上β≈ ,α≈
应当指出，β值与测量条件有关。一般来说，在iC 很大或很小时，β值较小。只有在iC不大、不小的中间 值范围内，β值才比较大，且基本不随iC而变化。因此， 在查手册时应ห้องสมุดไป่ตู้意β值的测试条件。尤其是大功率管更
。
现在你正浏览到当前第二十三页，共一百九十九页。
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(3)当uCE在0~1V之间时，随着uCE的增加，曲线右 移。特别在0< uCE ≤UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区 时，移动量会更大些。
确定了 值之后，由式(2–1)、(2–2)可得
ICIB(1)ICBO IBICEO
(2–3a)
IE(1)IB(1)ICBO (1)IBICEO(2–3b)
IBIEIC
(2–3c)
式中：
ICEO(1)ICBO
(2–4)
称为穿透电流。因ICBO很小，在忽略其影响时，则有
IC IB IE (1 )IB 式(2–5)是今后电路分析中常用的关系式。
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2–1–2 由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部
载流子传输形成的电流之间有如下关系：
IE IEN IBN ICN IB ICN ICBO IC ICN ICBO
(2–1a) (2–1b)
(2–1c)
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IC
IE
uB常数
(2–11)
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由于ICBO、ICEO都很小，在数值上β≈ ,α≈
应当指出，β值与测量条件有关。一般来说，在iC 很大或很小时，β值较小。只有在iC不大、不小的中间 值范围内，β值才比较大，且基本不随iC而变化。因此， 在查手册时应ห้องสมุดไป่ตู้意β值的测试条件。尤其是大功率管更
。
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微电子概论第二章微电子概论 第三节 双极型晶体管
1
1
iCBO ic
说明 > ，由于接近1，所以达
1
几十乃至上百。主要是由于输入端
由微弱的复合电流控制，而输出端
有大的漂移电流增强
➢穿透电流、注入效率与输运系数 (1) 穿透电流
iB
iCBO iCn
令 IC EO (1 ) IC B O
则 iC iB ICEO
当 iB=0 时， iC=ICEO
(2)注入效率
Rb
iB
iE
VBB
iE
称ICEO为穿透电流
发射区向基区注入电流的效率： = iEn/ie
(3)输运系数
基区向集电区电子输运的效率： = iCn/iEn 显然， = iCn/ie ≈
iC Rc
VCC
➢电压放大原理
N
共基极电压放大倍数GV及功率放大倍数GP
GV
iC RC iere
RC re
作业2
1. 已知：一只NPN型双极型晶体管共发射极 连接，测得其电压放大倍数为15，功率放 大倍数为930，基极电流Ib = 50 A，求解 以下问题：（1）画出电路图，并标出发射 极电流Ie、集电极电流Ic和基极电流Ib方向；
（2）求电流放大倍数；（3）求发射极电
流Ie、集电极电流Ic。
2. 能否将BJT的e、c两个电极交换使用，为什 么？
iB′ ic iE iB
共发射极 大
大 大
共基极 大
大
iCn iCBO
iB iE
iE
iC Rc VCC
iC Rc
VCC iB VBB
➢电流增益关系
iE iC iB iE iB iCn iC iCn ICBO iB iB ICBO
《双极晶体管》课件
2 NPN型和PNP型晶体
管的区别
NPN型和PNP型晶体管的 区别在于掺杂和电流流动 方向的差异，每种类型在 电路中有其独特的应用。
3 双极晶体管的放大和
开关特性
双极晶体管可用作信号放 大器，在线性区域工作时 放大弱信号；在饱和和截 断状态下可用作开关。
双极晶体管的使用建议
选择适合的双极晶体 管参数
双极晶体管可以用于放大弱信号、调整电路增益和频率响应，并具有小尺寸、可靠性和高效 能的特点。
双极晶体管的种类和应用领域
双极晶体管根据结构和材料的不同分为多种类型，广泛应用于电子设备、通信系统、功放等 领域。
双极晶体管的原理
1 双极晶体管的结构和
工作原理
双极晶体管由P型和N型半 导体材料构成，基于PN结 的正向和反向偏置来控制 电流流动。
《双极晶体管》PPT课件
在这个《双极晶体管》PPT课件中，我们将介绍双极晶体管的基本知识，包括 其作用、结构、工作原理、种类和应用领域等。让我们一起探索这一引人入 胜的电子元器件！
产品介绍
什么是双极晶体管
双极晶体管是一种常见的电子元器件，通过控制电流来实现信号的放大和开关功能。
双极晶体管的作用和特点
根据电路需求选择合适的电流 增益、频率响应和功率特性等 参数的双极晶体管。
双极晶体管的使用注 意事项
遵循正确的极性、电压和电流 要求，确保双极晶体管正常工 作且不受损。
如何正确布局和布线 双极晶体管电路
合理安排双极晶体管的位置和 连接，避免干扰和不Байду номын сангаас要的电 路耦合。
双极晶体管的发展趋势
集成电路
无线通信
双极晶体管的集成电路已经成为 现代电子产品中的重要组成部分， 实现更小型化、高性能和多功能。
4-双极晶体管-精品文档230页
However, BJT’s refuse to step down because of their high current drive capability and superior analog performance (also useful in power applications)
life time of minority carriers, respectively. The general solution is
p nx p n C 1 e xL p C 2 e xL p
Where Lp Dpp is the diffusion length of holes.
When IE=0, the device is cutoff, IC is the reverse leakage current of the CBJ. Note that IC≠0 for VCB=0. The current is contributed by IE if the BEJ is forward biased.
forward reverse forward reverse
C-B reverse forward
forward reverse
Mode
active inverted saturation cutoff
An idealized p-n-p transistor in thermal equilibrium, that is ,where all there leads are connected together or all are ground.
1. The device has uniform doping in each region.
life time of minority carriers, respectively. The general solution is
p nx p n C 1 e xL p C 2 e xL p
Where Lp Dpp is the diffusion length of holes.
When IE=0, the device is cutoff, IC is the reverse leakage current of the CBJ. Note that IC≠0 for VCB=0. The current is contributed by IE if the BEJ is forward biased.
forward reverse forward reverse
C-B reverse forward
forward reverse
Mode
active inverted saturation cutoff
An idealized p-n-p transistor in thermal equilibrium, that is ,where all there leads are connected together or all are ground.
1. The device has uniform doping in each region.
第二章 双极型晶体管
B.晶体管共基极电流放大系数α 0（可以）接近于１;
C.共射极电流放大系数β 0一般远大于１； D.输入阻抗低，输出阻抗高，有足够大的电压和功率放大能力。 ex: 1. 试讲述晶体管具有放大能力的结构与偏置条件及其机理？ 2. 画出不同偏置下晶体管载流子分布，简述饱和态
β0△IB > △ IC 机理。
二、发射区少子浓度及电流分布 1. pe(x)
边界条件
pe (x) x0 pe (o) pne e
qVE KT
pe(x)∣x=∞ = pe(∞) = pne
d 2 p e ( x) p e ( x) p ne 0 2 2 dx L pe
qV x p e ( x) p ne p ne (1 )(e KT 1) L pe
a.发射结反偏，集电结反偏 --- 称晶体 管处于截止状态。 b.发射结反偏，集电结正偏---称晶体管 处反向放大状态。若晶体管纵、横向结 构参数完全对称，其放大能力与正常放 大偏置相同。否则，放大系数会很 小。？？ c.发射结正偏，集电极正偏---称晶体管 处于饱和状态（电流方向 ?）。 β 0△IB > △ IC (IB=IpE+IVB+ IpC)
则：IC=β 0IB +（1+β 0）ICBO=β 0IB +ICEO
当IB=0(即共射极基极开路)，有 IC= （1+β0）ICBO = ICEO---？？
即，在基极开路时，C--E间电流（称反向电流）是集电结 反向电流的（1+β 0）倍。此时的电流放大系数β 0是小电流 时的放大系数。
三、晶体管其它工作状态
2.载流子输运过程 n a.发射区电子注入基 区， 边扩散边复合-IVB； b.基区空穴注入发射区， 边扩散边复合-IpE； c.发射区注入基 区的电子 扩散至集电结空间电荷区 边界被反偏电场抽至集电 区，形成电流-InC；
《双极型晶体管》课件
双极型晶体管的种类
种类
根据结构和工作原理的不同，双极型晶体管可分为NPN型和 PNP型两大类，每种类型又有多种不同的器件结构和用途。
应用领域
双极型晶体管广泛应用于电子设备、通信、计算机、家电等 领域，作为信号放大、开关、稳压、震荡等电路的核心元件 。
02
双极型晶体管的特性
电流-电压特性
基极电流（Ib）
封装与测试
封装形式
双极型晶体管有多种封装形式，如TO-92 、TO-220等，根据应用需求选择合适的 封装形式。
VS
测试方法
对双极型晶体管进行电气性能测试，如电 流放大倍数、集电极电阻等，以确保其性 能符合要求。
05
双极型晶体管的展望
新材料的应用
硅基材料
继续优化硅基双极型晶体管性能，探索更高 频率、更高功率密度和更低噪声的晶体管。
01
导通状态
当基极输入足够大的电流时，晶体 管进入饱和导通状态。
开关速度
晶体管在导通和关断状态之间切换 的速度。
03
02
关断状态
当基极输入负偏置电压或无电流时 ，晶体管处于截止状态。
延迟时间
从基极输入信号到晶体管完全导通 所需的时间。
04
03
双极型晶体管的应用
放大器
总结词
双极型晶体管具有电流放大作用，是放大器中的核心元件。
工作原理
双极型晶体管利用电子和空穴两种载 流子参与导电，通过控制基极电流来 调节集电极和发射极之间的电流，实 现信号放大、开关等作用。
双极型晶体管的结构
结构
双极型晶体管由半导体材料制成，通 常采用NPN或PNP结构，由三个区域 （基区、集电区和发射区）和三个电 极组成。
集成电路——双极型晶体管
基极金属 和硅的接触电阻以及 基极接触孔下的基区电阻
B
E
发射区 扩散层下的
基区电阻
发射区扩散层 边缘到基极接触孔边缘的
外基区电阻
rB3 rB2 rB1
2021/4/22
集成双极晶体管的无源寄生效32 应
§2.5 MOSFET的单管结构及工作原理 • 单极器件：只有一种载流子参与导电
源极
n+
栅极
绝缘层（SiO2）
2021/4/22
理想本征集成双极晶体管的EM1模7 型
§2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应
双极晶体管的四种工作状态
S
IS
E(n+)
VBC
p I3 n I2
IB p n I1
V3 B(p)
IC C pnp
V2
npn C(n)
V1
S(p)
反向工作区
(反偏)
截止区
(正偏)
饱和区 VBE
(正偏)
正向工作区
大部分被集电极反偏结收集：I
( 接近于1）
c
Ie
I c bo
Ie
I • 具有电流放大作用： c
Ib
2021/4/22
5
E
N
P
C N
B
当发射结正偏（VBE>0)，集电结也正偏（VBC>0)时(但注意，VCE仍
大于0)，为饱和工作区。
1. 发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电 子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在
E C
rC3
L T
bL
rC 3
T
WL
ln( a b ) ab
双极型晶体管课件
晶体管用于放大时，集电结反偏，
集电结在基区一侧边界处电子浓
度基本为
0
，基区中非平衡少子呈线性分布，
界基区时电，子立扩即散被到反边偏集的强电场扫
至集电区，成为集电极电流。
基区非平衡少子分布
9
根据上述分析，在发射结正偏、集电结反偏时， 晶体管内部的电流传输如图所示：
10
3 双极晶体管直流电流增益
（1）发射效率与基区输运系数： 发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 基区宽度尽量小，基区中非平衡少子的寿命尽量大。 注入效率 基区输运系数β*
35
2 JFET中沟道电流的特点
–就在有漏电（流D）IS极流和过源沟（道S.）极之间加一个电压VDS, –如果在栅（G）和源（S）极之间加一个反向pn
结 距电 离压 逐V步GS变，小将,使由沟于道栅区区中为的P+空,杂间质电浓荷度区比之沟间道的 区高得多，故PN结空间电荷区向沟道区扩展,使 沟道区变窄.从而实现电压控制源漏电流的目的。
24
(2) 截止频率f α 和f β ：使电流增益下降为低频
值的
(1/2)时的频率。
(3) 特征频率：共射极电流增益β下降为1 时的 频率，记为fT.
(4) 最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率
25
3. 频率特性和结构参数的关系
提高fT的途径 减小基区宽度，以减小基区的渡越时间τb 减小发射结面积Ae和集电结面积Ac，可以减小发射 结和集电结势垒电容，从而减小时间常数τe和τc 减小集电区串联电阻Rc，也可以减小τc 兼顾功率和频率特性的外延晶体管结构。
（1）电流增益β0与电流的关系（图）
18
（2）大注入效应：
注入到基区的非平衡少数载流子浓度超过平衡多 数载流子的浓度。 1 形成基区自建场，起着加速少子的作用， 导致电流放大系数增大。 2 基区电导调制，由于少子增加，导致多 子增加，以保持电中性，使电导增加，导致发 射效率γ减小，从而使电流增益β0 减小。
双极型晶体管电路
晶体管中载流子的运动
+
版权：孙文生
晶体管电流分配规律： 发射区每向基区提供一个复合用的载流子，就要向集电区提
供个载流子，因此到达集电区的载流子数等于在基区复合的倍。
版权：孙文生
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版权：孙文生
晶体管的电流传输关系
1. 三种组态
晶体管为三端器件，根据输入、输出、公共端子的不同，晶体 管有三种连接方式，也称三种组态.
流称为集电极最大允许电流ICM。 可见，当IC＞ICM时，并不表示 晶体管会损坏。
版权：孙文生
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版权：孙文生
2.1.4 晶体管的主要参数－极限参数
2. 反向击穿电压
(a) V(BR)CBO——发射极开路时的集电 结击穿电压，通常为几十伏。
(b) V(BR) EBO——集电极开路时发射 结的击穿电压，通常为几伏。
孙文生214晶体管的主要参数极限参数集电极最大允许电流icm当集电极电流增加时就要下降当值下降到线性放大区值的23时对应的电流称为集电极最大允许电流icmcm时并不表示晶体管会损坏
电子电路基础
Electronic and Circuit Foundation
第二章 双极型晶体管电路
版权：孙文生
2.1 双极型晶体管
共发射极电路，发射极作为公共电极，用CE表示； 共基极电路，基极作为公共电极，用CB表示; 共集电极电路，集电极作为公共电极，用CC表示.
版权：孙文生
晶体管的三种组态
版权：孙文生
版权：孙文生
2. 共基极组态的电流传输关系
为表明发射极电流iE 对集电极电流iC 的控制作用, 引入定义:
iCn
iE
当vCE一定，即 vCE ＝0时
+
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晶体管电流分配规律： 发射区每向基区提供一个复合用的载流子，就要向集电区提
供个载流子，因此到达集电区的载流子数等于在基区复合的倍。
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晶体管的电流传输关系
1. 三种组态
晶体管为三端器件，根据输入、输出、公共端子的不同，晶体 管有三种连接方式，也称三种组态.
流称为集电极最大允许电流ICM。 可见，当IC＞ICM时，并不表示 晶体管会损坏。
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2.1.4 晶体管的主要参数－极限参数
2. 反向击穿电压
(a) V(BR)CBO——发射极开路时的集电 结击穿电压，通常为几十伏。
(b) V(BR) EBO——集电极开路时发射 结的击穿电压，通常为几伏。
孙文生214晶体管的主要参数极限参数集电极最大允许电流icm当集电极电流增加时就要下降当值下降到线性放大区值的23时对应的电流称为集电极最大允许电流icmcm时并不表示晶体管会损坏
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第二章 双极型晶体管电路
版权：孙文生
2.1 双极型晶体管
共发射极电路，发射极作为公共电极，用CE表示； 共基极电路，基极作为公共电极，用CB表示; 共集电极电路，集电极作为公共电极，用CC表示.
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晶体管的三种组态
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2. 共基极组态的电流传输关系
为表明发射极电流iE 对集电极电流iC 的控制作用, 引入定义:
iCn
iE
当vCE一定，即 vCE ＝0时
电子科技大微电子器件(2-4)
IB
M ICBO
1 M
BI B
IC EO
上式中，
B M 1 M
A 1 A
,
IC EO
M ICBO
1 M
IC BO 1 A
分别为计入雪崩倍增效应后的放大系数与穿透电流。
例2 ：与例1中的晶体管相同， 0.97, 32.5, S 4。
当VBC
0.4VB
时,M
1.0263,A
M
显然，当｜VBC｜ → VB 时，M → ∞, I’CBO → ∞ ，所以 BVCBO = VB 。
雪崩击穿对共基极输出特性曲线的影响：
3、共发射极接法中的雪崩倍增效应和击穿电压
在共发射极接法的放大区中，有：
IC
IB
ICEO
1-
IB
ICBO
1
当发生雪崩倍增效应时，IC 成为：
IC
M 1-M
S = 3 (P+N)
S = 4 (P+N)
对于晶体管，在共基极接法的放大区中，IC I E ICBO ，
当发生雪崩倍增效应时，IC 成为： IC M I E M ICBO AI E ICBO
上式中，A M ，ICBO M ICBO ，分别为计入雪崩倍增
效应后的放大系数与反向截止电流。
已知 NPN 管的共基极电流-电压方程为：
IE
I
ES
exp
qVBE kT
-
1
-
R
I
CS
exp
qVBC kT
-
1
(1)
IC
I
ES
exp
qVBE kT
-
1
-
I
CS
exp
双极型晶体管及其放大电路1.ppt
第2章 双极型晶体管 及其放大电路
1
双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体 三极管，简称晶体管。是电子电路主要的有源 器件，可用来放大、振荡、调制等。
2
2-1 双极型晶体管的工作原理
发射结(Je)
e
N
P
发射极 发射区 基区
集电结(Jc)
b
N
c
集电区 集电极
b
b
基极
(a) NPN管的原理结构示意图
c
二、极间反向电流 1. ICBO
发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集 电极反向饱和电流。
2. ICEO
基极开路时，集电极—发射极间的反向电流，称为集
3. IEBO
集电极开路时，发射极—基极间的反向电流。
25
2-2 晶体管伏安特性曲线及参数
2-2-4 晶体管的主要参数
三、 结电容 包括发射结电容Ce 和集电结电容Cc 四、晶体管的极限参数
23
2-2 晶体管伏安特性曲线及参数
2-2-4 晶体管的主要参数
一、电流放大系数 3. 共基直流放大系数 4. 共基交流放大系数
IC
I E
uB const .
由于ICBO、ICEO 很小，因此 在以后的计算中，不必区分。
24
2-2 晶体管伏安特性曲线及参数
2-2-4 晶体管的主要参数
用交流电流放大倍数来描述：
IC
I B
uCE const .
在数值上近似等于β
（2）uCE 变化对 IC 的影响很小（恒流特性） 即IC主要由IB决定
14
基区宽度调制效应(厄尔利效应)
iC/mA uCE＝uBE
4
IB＝40μ A
1
双极型晶体管又称为半导体三极管、晶体 三极管，简称晶体管。是电子电路主要的有源 器件，可用来放大、振荡、调制等。
2
2-1 双极型晶体管的工作原理
发射结(Je)
e
N
P
发射极 发射区 基区
集电结(Jc)
b
N
c
集电区 集电极
b
b
基极
(a) NPN管的原理结构示意图
c
二、极间反向电流 1. ICBO
发射极开路时，集电极—基极间的反向电流，称为集 电极反向饱和电流。
2. ICEO
基极开路时，集电极—发射极间的反向电流，称为集
3. IEBO
集电极开路时，发射极—基极间的反向电流。
25
2-2 晶体管伏安特性曲线及参数
2-2-4 晶体管的主要参数
三、 结电容 包括发射结电容Ce 和集电结电容Cc 四、晶体管的极限参数
23
2-2 晶体管伏安特性曲线及参数
2-2-4 晶体管的主要参数
一、电流放大系数 3. 共基直流放大系数 4. 共基交流放大系数
IC
I E
uB const .
由于ICBO、ICEO 很小，因此 在以后的计算中，不必区分。
24
2-2 晶体管伏安特性曲线及参数
2-2-4 晶体管的主要参数
用交流电流放大倍数来描述：
IC
I B
uCE const .
在数值上近似等于β
（2）uCE 变化对 IC 的影响很小（恒流特性） 即IC主要由IB决定
14
基区宽度调制效应(厄尔利效应)
iC/mA uCE＝uBE
4
IB＝40μ A
第二章晶体管-PPT课件
例题
1、由电极电位判断三极管的工作状态。
在电路中，测得下述6组三极管三个极的电位： c 1）NPN管：(1) 1V (2) 0.3V (3) 2V (2) e~0.3V (3) e~2V c~0.7V c~5V 0.3V 0.7V 5V 3V 1V 1V
b e
解： (1) b~1V;e~ 0.3V ;c~ 3V (硅管，放大）
特点
6
9
iC(mA )
4
3 2 1 3 6 9
此区域中 : 100A IB=0, IC=ICEO, 80A UBE< 死区 60A 电压，称为 截止区。 40A
20A iB=0 12 vCE(V)
特点
输出特性三个工作区域的特点:
（1）放大区：发射结正偏，集电结反偏。
iC i B , 且 IC = IB 即：
(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：VCEVBE ， IB>IC，VCE0.3V (3) 截止区： VBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0
输出特性
V V V A C E Q A r c e IC IC Q Q
2.1.3 温度对晶体管特性曲线的影响
T (C )
RC VC
VB
输出特性
vCE =0.5V
vCE=0V
iB(A)
80
60 40 死区电 20 压，硅管 0.5V，锗 管0.2V。
vCE 1V 工作压降： 硅管 UBE0.6~0.7V,锗管 UBE0.2~0.3V。
0.4
0.8
vBE(V)
输入特性
二、共射输出特性曲线
i (mA ) iC f (v )| C i = 常数 C E
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2.4 双极晶体管
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
2.4.3 晶体管的击穿电压 2.4.4 晶体管的频率特性 2.4.5 晶体管的功率特性 2.4.6 晶体管模型和模型参数
2.4.4 晶体管的频率特性
1. 双极晶体管交流小信号电流增益
频率特性：随着信号频率的增大，晶体管交流信号放大能力减弱。 晶体管放大交流信号时，信号一般很小采用交流小信号电流增益描述 。 (1)共基极交流小信号电流放大倍数α ：
2.4 双极晶体管
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2.4.2 影响晶体管直流特性的他因素
2.4.3 晶体管的击穿电压 2.4.4 晶体管的频率特性 2.4.5 晶体管的功率特性 2.4.6 晶体管模型和模型参数
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
本节从器件工作物理过程分析实际晶体管的特性相对于理想结果发生偏离 的原因 。
2.4 双极晶体管
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
2.4.3 晶体管的击穿电压 2.4.4 晶体管的频率特性 2.4.5 晶体管的功率特性 2.4.6 晶体管模型和模型参数
2.4.3 晶体管的击穿电压
双极晶体管除了存在与pn结有关的击穿电压外，还存在一种特殊的“击穿 现象”：基区穿通 。
IB＝IpE＋IRB－ICBO
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
3. 双极晶体管直流电流增益
(1) 共基极直流电流增益α0 为了表示晶体管将输入电流IE变为输出电流InC的能力，引入共基极直 流电流增益
α0 =InC/IE
(2) 注入效率γ与基区输运系数β*
将α0定义式适当变换，并引入两个参数γ和β*
1. 双极晶体管结构
(3)双极晶体管实际结构和杂质分布
下面针对正向放大状态下的均匀杂质分布的npn晶体管（共基极连接） 分析晶体管放大原理以及其放大特性与晶体管结构参数的关系。
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
pn结隔离双极集成电路中的双极晶体管结构示意图
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2. 双极晶体管直流电流传输过程
BVCEO是基极开路时发射极和集电极之间 的击穿电压，这时集电极和发射极之间是由 正偏EB结和反偏BC结的串联 。分析可得 显然，BVCEO小于BVCBO β0越大，BVCEO越小 。
2.4.3 晶体管的击穿电压
3. 基区穿通
(1) 基区穿通现象： VCE增加bc结反偏电压绝对值增大 bc耗尽层宽度 随之变宽晶体管有效基区宽度Wb减小。若 VCE增加到使得基区宽度Wb减 小到趋于0，则称为基区穿通。 (2) 基区穿通的影响： Wb趋于0 基区少子分布斜率趋于无穷大IC急剧 增大，其效果与击穿相同。 (3) 基区穿通电压：发生基区穿通现象时集电结上施加的电压称为基区穿 通电压，记为VPT。 基区穿通电压与击穿电压都是限制工作电压的因素。 (4) 提高基区穿通电压的途径：由于基区穿通是基区宽变效应致使基区宽 度趋于0的极端情况，因此提高基区穿通电压与减小基区宽变效应的途径相 同，即要求提高基区掺杂浓度、增大基区宽度。 这些要求均与提高电流放大系数相冲突，需要统筹考虑。
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
3. 双极晶体管直流电流增益
(4) 共射极直流电流增益β0 共射极连接，输入电流为IB，输出电流为IC 。 由 IC＝α0IE＋ICBO 代入IE=IC+IB，经简单数学变换，得
输出电流IC由两部分组成。其中β0IB是由输入电流IB对输出端电流的贡 献部分。这部分电流与输入电流IB之比为β0，称为共射极直流电流增益。 ICBO是输入端开路（IB=0）情况下输出电流，只流过输出端，对信号传 输没有贡献。而且由上式可见，ICEO是ICBO的(1+β0)倍，比ICBO大得多。 由前面表达式 一般晶体管中，α0通常都大于0.99，则β0比1大得多，通常在几十到几 百之间。对电流增益有特殊要求的超β晶体管，β0可能达到几千 。
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
2.4.3 晶体管的击穿电压 2.4.4 晶体管的频率特性 2.4.5 晶体管的功率特性 2.4.6 晶体管模型和模型参数
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
1. 双极晶体管结构
(1) 双极晶体管基本结构
(2) 双极晶体管偏置模式和在电路中的基本连接方式
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
(2) 基区输运系数与晶体管结构参数的关系
(3) 直流电流放大系数与晶体管结构参数的关系 将上述注入效率和基区输运系数表达式代入电流放大系数表达式，得
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
4. 提高双极晶体管直流电流增益
(3) 直流电流放大系数与晶体管结构参数的关系
(4) 提高直流电流放大系数的途径
1. 单结击穿电压
BVEBO和BVCBO分别为EB结和CB结的击穿电压。其击穿机理以及击穿电 压与器件结构参数的关系与单个pn结的情况基本相同。 EB结两侧的杂质浓度比BC结两侧的杂质浓度高， 因此BVCBO 比BVEBO大 得多。对于硅器件，BVEBO一般为5～7V；而BVCBO结通常为几十伏。
2. 与两个结有关的击穿电压 BVCEO
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2. 双极晶体管直流电流传输过程
可得双极晶体管内部电流传输示意图
(2) 端电流组成 发射极电流 IE＝InE＋IpE InE是发射区通过eb结注入到基区的电子电流 IpE是基区通过eb结注入到发射区的空穴电流 集电极电流 IC＝InC＋ICBO InC是InE中通过基区到达集电结的电流 显然InC ＝(InE－IRB) ，其中IRB是在基区中复合的电流 ICBO是流过反偏bc结的反向饱和电流（从集电极流向基极） 由IB＝IE-IC可得
(2)共射极交流小信号电流放大倍数β ：
上述定义中，相应输出端偏置电压保持为常数，相当于交流短路，因此又 称为交流短路电流放大系数 用分贝(dB)数表示
γ＝InE/IE＝InE/(InE＋IpE) 表示注入到基区的电流InE在发射极总电流IE中 所占的比例，反映了发射区向基区注入电流的效率，称为注入效率。 β*＝InC/InE=（InE－IRB）/ InE=1-(IRB/InE)表示注入基区的电流中能够通 过基区的电流在注入电流中所占的比例，称为基区输运系数。
3. β0随IC变化的物理原因分析
(1) β0与工作电流IC关系的描述
半对数坐标中，IC和IB之间的间距就 对应β0
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
3. β0随IC变化的物理原因分析
(1) β0与工作电流IC关系的描述 (2) 大注入导致大电流下β0下降 IC增大基区出现大注入IC随VBE 增大趋势减缓，而IB增大趋势不变 β0 下降。 理想模型适用范围的IC电流曲线与大 注入情况下IC电流曲线延长线的交点的 纵坐标称为膝点电流，记为IKF IKF是表征晶体管在大电流下β0开始下 降的一个重要参数 。IKF越大，表示该 晶体管可以工作在比较大的电流下。 (3) 大注入导致大电流下β0下降 发射结空间电荷区存在复合 IB比理 想模型IB增大一个势垒复合电流分量 小电流情况下影响明显 β0下降
分析可得基区宽变效应导致β0随 VCE的变化关系为 VAF称为厄利电压（见图）。 厄利电压VAF越小，表示基区宽变效应越严重。 (3) 减小基区宽变效应（提高厄利电压）的途径 提高基区掺杂浓度、增大基区宽度 这些要求均与提高电流放大系数相冲突，需要统筹考虑。
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
3. 双极晶体管直流电流增益
(5) 晶体管放大电路工作原理
对共基极连接，输入端，Vi＝IEre，其中re是 发射结正向电阻。在输出端，Vo＝ICRL。因此共 基极晶体管的电压放大倍数GV和功率放大倍数 GP分别为
在正向放大偏置状态下，发射结正偏，其正向电阻re很小。而集电结反偏， 结电阻很大，因此在实际电路应用中，输出端集电极可以接比re大得多的负 载电阻RL。虽然上述表达式中α0略小于1，但是晶体管电路的电压放大倍数 GV和功率放大倍数GP均远大于1，具有电压和功率放大能力。 对共射极连接，电流放大倍数β0已大于1，其电压放大倍数GV和功率放大 倍数GP更比1大得多。
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
4. 提高双极晶体管直流电流增益
(1) 注入效率与晶体管结构参数的关系： 定量分析可得
方块电阻反映掺杂浓度的高低（见第三章）。掺杂越高，则方块电阻 越小。因此提高发射区掺杂浓度是提高注入效率的有效途径。 (2) 基区输运系数与晶体管结构参数的关系： 定量分析可得
(a) 减小发射区方块电阻，即提高发射区的掺杂浓度。 (b) 适当增大基区方块电阻，即减少基区的掺杂浓度。但是如果基区掺 杂浓度过低，将会影响晶体管的其他特性。 (c) 减少基区宽度Wb，这是提高电流放大系数的有效手段。 (d) 增大Lnb，即要求加强工艺控制，提高基区非平衡少子的寿命。 (e) 增大λ，使基区杂质分布尽量陡峭 。
微电子概论
西安电子科技大学 董刚
(gdong@)
第2章 集成器件物理基础
2.1半导体及其能带模型 2.2半导体的导电性 2.3 pn结和晶体二极管
2.4 双极型晶体管
2.5 JFET和MESFET器件基础 2.6 MOS场效应晶体管
2.4 双极晶体管
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
1. 实际晶体管放大特性与理想情况的偏离
(1)理想晶体管输出特性曲线的特点 由电流放大系数表达式可见，晶体管的放大系数只 与晶体管结构参数有关，是一个常数，与工作偏置条 件无关。 因此输出特性曲线呈现水平状等间距。 (2)实际晶体管的特点 (a) 与同一个IB对应的特性曲线不再是一条水平线，而是随着VCE的增 大，IC也随之增大。这就意味着，随着VCE的增大β0也增大。 (b) 电流放大系数随着工作电流的变化，即β0不再是常数。只是在一定 的电流范围，βo基本不随集电极电流IC变化。在电流较大和电流较小的情况 下，β0均要下降 。