半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)

4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
WC x jc xmB x
4.2 晶体管的直流特性 2. BUCEO
BUCEO是基极开路时，集电极与发射极间的击穿 电压，有下列关系式：
BV CEO
BV CBO
n

式中n为常数。集电结低掺杂区为N型时，硅管n=4， 锗管n=3。集电结低掺杂区为P型时，硅管n=2，锗管 n=6。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.4 晶体管的穿通电压
（4）晶体管的放大能力和具备放大能力的条件
P
N
IE
E
β0一般在20-200之间，所以IB的微小变化将引起IC的很大
变化，也就是说晶体管具有电流放大能力。
晶体管要具有放大能力，必须具有哪些条件？
4.1 晶体管结构与工作原理
1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，以保证发射效率γ0 很接近于1. 2）基区宽度Wb远小于LnB，保证基区输运系数很接近于1。 3）发射结正偏，使电子从发射区注入基区；集电极反偏，将电 子从基区收集到集电区。
4.3 晶体管的频率特性 4.3.1 晶体管的频率特性和高频等效电路 1.晶体管的频率特性和频率参数 , / dB
当晶体管工作频率高到一定程度 时，电流放大系数将随工作频率的 升高而下降，同时也发生了相移。 如图为幅频特性曲线的示意图，反 映了晶体管的放大倍数随频率变化 的大致情况。
40
3dB
4.1 晶体管结构与工作原理
2. 晶体管的载流子传输
I nE I nC
E
IE
IVR IC
C
x1 UE
x2
x3
x4
I pE
B
IB
I CBO
UC
1.发射区注入
2.基区输运
3.集电结收集
I E I pE I nE
I B I pE I VR I CBO I C I nC I CBO
交流基区输运系数β*的分析计算的方法和交流发射效率γ完全一样
1 1 j b
* * 0
b re C De
发射结扩散电容的充放电时间常数
τb也可称为基区渡越时间，意思就是电子穿越基区所用的时 间， τb和基区宽度以及电子在基区的扩散速度有关。
Wb2 b Dnb
4.3 晶体管的频率特性
B
为分析问题方便，常常用电阻、电容、恒流源构成的线性电路来 等效晶体管的放大与输入、输出特性。应当注意，用线性电路来表示 非线性的晶体管，只有在晶体管的输入、输出信号都比较小的条件下 才成立。
4.3 晶体管的频率特性 4.3.2 高频时晶体管电流放大系数下降的原因 1.发射结势垒电容充放电效应对电流放大系数的影响
4
2
0
2
4
6
4.2 晶体管的直流特性 4.2.2 晶体管的反向电流
1. ICBO和IEBO
I CBO
C
N
E
I EBO
N
P B
N
C
P
N
B
E
ICBO和IEBO与第二章讨论的PN结反向饱和电流没什么区别，理论上 由反向扩散电流和反向势垒产生电流两部分组成。但是，实际上晶体管 的反向扩散电流和反向势垒产生电流都很小，引起反向电流过大的原因 往往是表面漏电流太大。

微电子技术专业
4.1 晶体管结构与工作原理 4.1.1 晶体管的基本结构与杂质分布
晶体管的基本结构与符号
集电极
C
集电区
集电极
C
集电区
C
P B
C
B
N
B
基极
集电结 基区 发射结 发射区
集电结 基区 发射结 发射区
P
B
基极
N
P
N
发射极
E
发射极
E
E
E
4.1 晶体管结构与工作原理 1. 合金管
qWb nb 0 qVE Ae e 2 nb
kT
4.1 晶体管结构与工作原理
（3）缓变基区晶体管的发射效率 方块电阻的概念
a RS aW W
它的大小决定于单位面 积薄层中所含的杂质总量。 若薄层内杂质分布不均匀：
x
a a
I
W
RS W
发射效率
1 1 RSe eWb 1 1 RSb b x je
I B / μA VE 0V
80 60 5V
40
20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 U BE / V
I CBO
4.2 晶体管的直流特性
共发射极输出特性曲线
I C / mA
10
I B 50μA
I C I B I CEO
注意：基区宽变效应使 输出特性曲线微微上翘。
8 6
40μA 30μA 20μA 10μA 0μA 8 10 U CE / V
4.1 晶体管结构与工作原理 2.缓变基区晶体管的电流放大系数
（1）基区晶体管中存在的自建电场
P型

N ( x) 等 效 负 电 荷
区

Nb ( x)
E
等效正电荷 区

Pb ( x)
x
基区存在杂质浓度梯度，同时基区多数载流子空穴也存在浓 度梯度，因此就要往浓度低的方向扩散，其结果破坏了基区的电 中性条件，使基区靠近发射区的一侧带负电，靠近集电区的一侧 带正电，这样就形成一个自右向左的电场。 平衡时该电场作用下的空穴漂移电流和空穴扩散电流大小相 等、方向相反，相互抵消，这种平衡时的基区电场称为自建电场。
4.1 晶体管结构与工作原理
（4）缓变基区晶体管的基区输运系数
2 2 I W W b 0* 1 VR 1 1 b2 I nE 4 nb Dnb 4 Lnb
（5）缓变基区晶体管的电流放大系数
Wb2 1 0 0 (1 2 ) R 4 Lnb 1 Se RSb
4.1 晶体管结构与工作原理
发射效率γ0 基区输运系数
I nE IE
I nE 1 I nE I pE 1 I pE I nE
要提高发射效率，就是要使 发射区杂质浓度比基区杂质浓度 高得多，这样发射区注入到基区 的电子电流就远远大于基区注入 到发射区的空穴电流，发射效率 很接近于1。
B E B
当有些晶体管b、c之间加了太 高的反向电压，虽然还没有引起它 的击穿，但会引起势垒穿通现象， 这时电流IC也会突然增大，特性曲 线会显示出和击穿时差不多的图形。
N
P
N
N
C
随着集电结反向电压的升高，它的势垒向两边扩展，使基区有效宽 度减小。在一般双扩散型晶体管中，因为基区杂质浓度比集电区高，集 电结势垒区主要向集电区扩展，而向基区扩展的比较少，不容易和发射 结势垒区相连。但是，由于材料缺陷或者工艺不良等原因，发射结结面 会出现尖峰，该处的基区宽度较小，这样局部穿通就有可能发生。
I nC I nE I E
4.1 晶体管结构与工作原理 4.1.3 晶体管的直流电流放大系数 1.电流放大系数定义和电流放大能力
（1）共基极直流电流放大系数α0
IE
IC 0 IE
E
N

P
IB B
N
IC
C
α0反映出发射极输入电流IE中有多大比例传输到集电极成为输 出电流IC，或者说由发射极发射的电子有多大比例传输到集电极。由 于前面讲到的传输过程中的两次损失，α0总是小于1。
30 20 10 0
10
f
3dB
f T f
f
为了表示晶体管频率特性的这种区别，在生产和应用中采用了 一系列的“频率参数” ：α截止频率fα，β截止频率fβ，特征频 率fT，最高振荡频率fm。
4.3 晶体管的频率特性
2.共基极高频等效电路
re ie res
ie
rc
rcs
ic
E
Ce rb
C
ib Cc
3．集电结势垒区渡越过程对电流放大系数的影响