半导体物理与器件第十章双极晶体管

负载线
VCEVCCICRC
1/R
饱和模式
BE结正偏、BC结正偏，集电极电流反向（相对于 放大模式）并不受BE结电压控制
反向有源模式
和正向有源模式相对的一种模式状态，但是由于晶 体管本身结构的非对称性，因而其特性和正向有源 模式有着很大的不同，在应用中一般会避免出现这 种状态
四种不同的工作模式及其对应的PN结偏置条 件示意图
双极晶体管放大电路
EB结上附加的正弦 信号电压；
相应的基极电流和 集电极电流
负载RC上输出的放 大后的信号电压
§10.2 少子的分布
晶体管为少数载流子工作器件，少数载流子的分布决 定着器件内部各处的电流成分
在各种工作模式下对晶体管各区的少子分布进行计算 ，在此基础上分析电流增益和器件结构之间的关系
路功能也不同
V C C IC R C V C B V B E V R V CE
截止模式 两个结均反偏，发射极、集电极电流均为零
正向有源模式 EB结正偏，BC结反偏； 集电极电流受BE结电压控制； 电流放大作用
VCEVCCICRC
共发射极应用时，C-E电压和集电极电流IC之间存在 着线性关系，这种线性关系称为负载线
实际器件结构图
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；
注意：npn和pnp的双极晶体管不是对称结构， 从实际器件结构图和各区的掺杂浓度的不同都 可以反映出这一点。
E n++ P+
C n
B
基本工作原理
npn型BJT与pnp型BJT是完全互补的两种双极型晶 体管，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。
双极的意义在于：在这种器件中存在着两种极性相反 的载流子和电流
两个耦合的PN结有多种偏置状态组合，即不同的工作 模式
§10.1双极晶体管的工作原理
基本结构 三个掺杂区，两个PN结
++代表重掺杂，+代 表较重的掺杂
E n++ P+
CE
n
p++ n+
C p
B C
B E
B C
B E
实际器件结构图
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；
发射极电流
iE2
Is2
exp
vBE Vt
IS2是饱和空穴电流，为少数载流子空穴的参数
iEiE1iE2iCiciE2IsE exvV p Bt E
iE
共基极电流增益
1
共基极电流增益
集电极电流与集电极电压无关， 双极晶体管如同一个恒流源
基极电流
发射极电流成分iE2（空穴扩散电流）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
典型杂质浓度：E：1e19；B：1e17~1e18；C：1e15
B
n++ P+ E
n C
(Nd-Na)
E BC
定性分析 热平衡和偏置状态
注意这里没有反映出各 个区杂质浓度的区别
正向有源区，电子的输 运过程
B-E结正偏；B-C 结反偏；正向有 源模式
注意基区宽度 回忆：短二极管
发射结正偏，电子扩散注入基区
定义
E、B和C区中的掺杂浓度 （下标代表区域） 电中性E、B和C区的宽度 E、B和C区中的少子扩散系数 E、B和C区中的少子扩散长度 E、B和C区中的少子寿命
E、B和C区中的热平衡少子浓度 E、B和C区中总的少子浓度 E、B和C区中的过剩少子浓度
的正偏电流 三个区掺杂不同，E重掺，B较高掺，C轻掺 短基区、大集电区
在后边的分析中我们还会逐渐了解到，BJT的 这种结构特点是因为只有这样才能获得较大的
电流增益，具有良好的放大作用。
晶体管电流的简化表达形式
•有用电流和 无用电流
•电子电流和 空穴电流
•扩散电流、 漂移电流、复 合电流、产生 电流
部分则是基区中的多子空穴与电子的复合电流iBb， 它与电子浓度相关，因而这二者都与exp(vBE/Vt)成 正比从而集电极电流和基极电流之比为一个定值：
iC iB
共射极电流增益
1
iEiBiC iiC EiiC B1 111
工作模式
截止模式 正向有源模式 饱和模式 反向有源模式
不同的工作模式下， EB结和BC结处于不 同的偏置状态，其电
集电极电流
线性假设
ic en A D Bd E d (x ) n x en A D B n E B 0 0 x B 0 ex n B A D Bn E B 0 e x v V B t p E
BE结面积
基区宽度：注 意实际为基区
Leabharlann Baidu中性区宽度
ic
Is
exp
vBE Vt
iC由BE结电压所控制
符号
npn和pnp晶体管 NE，NB，NC xE，xB，xC DE，DB，DC LE，LB，LC τE，τ B，τC npn晶体管 pE0，nB0，pC0
pE(x’)，nB(x)，pC(x’’) δpE(x’)， δ nB(x)， δ pC(x’’)
pnp晶体管
nE0，pB0，nC0 nE(x’)，pB(x)，nC(x’’) δnE(x’)， δ pB(x)， δ nC(x’’)
B-C结反偏，基区中靠近B-C结边界处电子浓度为零。
基区中电子存在着较大的浓度梯度，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。
电子扩散通过基区后，进入反偏的B-C结空间电荷区， 被B-C结电场抽取进入搜集区，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（复 合掉的电子数目）。
第十章 双极晶体管 双极晶体管的工作原理
基本工作原理 工作模式
少子分布 电流增益 非理想效应 频率特性 开关特性
双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor， BJT），简称为双极型晶体管或双极晶体管。
晶体管可以用来放大电流、电压、或功率，是一种有 源器件。
三端器件，通过控制两端之间的电压来控制另外一端 的电流。（电压控制电流源）
流入到收集区中的电子数量（构成收集极电流）取决 于发射结上的偏置电压，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。
其他因素：发射 极空穴电流，基 区复合电流，集 电极反向漏电流
通过前边的分析，简单结论：
BJT中两个PN结不是独立无关的PN结 正向有源状态下，反偏BC结的电流大部分来源于EB结