半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
双极型晶体管介绍
IL---光电流或稳流二极管极限电流
ID---暗电流
IB2---单结晶体管中的基极调制电流
IEM---发射极峰值电流
IEB10---双基极单结晶体管中发射极与第一基极间反向电流
IEB20---双基极单结晶体管中发射极向电流
ICM---最大输出平均电流
IFMP---正向脉冲电流
温度每升高10时，增加约一倍。硅管的比锗管的小得多，硅管比锗管受温度的影响要小。
温度对输入特性的影响：温度升高，正向特性将左移。
温度对输出特性的影响：温度升高时增大。
光电三极管：依据光照的强度来控制集电极电流的大小。
暗电流ICEO：光照时的集电极电流称为暗电流ICEO，它比光电二极管的暗电流约大两倍；温度每升高25，ICEO上升约10倍。
Cjo---零偏压结电容
Cjo/Cjn---结电容变化
Cs---管壳电容或封装电容
Ct---总电容
CTV---电压温度系数。在测试电流下，稳定电压的相对变化与环境温度的绝对变化之比
CTC---电容温度系数
Cvn---标称电容
IF---正向直流电流（正向测试电流）。锗检波二极管在规定的正向电压VF下，通过极间的电流；硅整流管、硅堆在规定的使用条件下，在正弦半波中允许连续通过的最大工作电流（平均值），硅开关二极管在额定功率下允许通过的最大正向直流电流；测稳压二极管正向电参数时给定的电流
RE---外接发射极电阻（外电路参数）
RB---外接基极电阻（外电路参数）
Rc ---外接集电极电阻（外电路参数）
RBE---外接基极-发射极间电阻（外电路参数）
RL---负载电阻（外电路参数）
RG---信号源内阻
第4章双极型晶体管(new)
(4–7a)
(4–7b)
(4–7c)
第4章 双极型晶体管及其放大电路
由于 , 都是反映晶体管基区扩散与复合的 比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必
有内在联系。由 , 的定义可得
I CN I CN IE I EN I E I CN I E I E 1 I CN I CN I BN I EN I EN I CN I BN I BN 1
二、共发射极输出特性曲线 测量电路如图4–4所示。共射输出特性曲线是以 iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即
iC f (uCE ) iB 常数
典型的共射输出特性曲线如图4–6所示。由图可见，输
出特性可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。现分
别讨论如下。
第4章 双极型晶体管及其放大电路
(4–1a) (4–1b) (4–1c)
内部 条件 外部 条件
发射区掺杂浓度最高 基区薄且掺杂浓度最低 集电区面积大，且掺杂浓度低
发射结正偏 集电结反偏
第4章 双极型晶体管及其放大电路
式 (4–1) 表明，在 e 结正偏、 c 结反偏的条件下，晶 体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非 平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关 系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好 后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系， 就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为 定量分析晶体管电路提供方便。
(4–8)
(4–9)
第4章 双极型晶体管及其放大电路
4–1–3 晶体管的放大作用
IE +iE
e b c VEB +vEB vI
模电课件双极型晶体管
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。
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
双极型晶体管
4.2.2 双极晶体管的电流关系
（1）三种接法
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示; 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
(2)三极管的电流放大系数 共基极直流电流放大系数：α = IC/IE
半导体器件物理
© Dr. B. Li
三个极：发射极E(Emitter) ，集电极C(Collector)，基 极B(Base) 三个区：发射区，集电区，基区
半导体器件物理 两个结：发射结，集电结 © Dr. B. Li
intrinsic base (内基区) extrinsic base (外基区)
共发射极直流输出曲线
当VCE增加到使集电结反偏电压较大时(如VCE ≥1 V,VBE ≥0.7 V),运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后 VCE 再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与VCE轴基本平 行的区域 。
输出特性曲线可以分为三个区域: 饱和区——IC受VCE显著控制的区域，该区域内VCE的数值较
半导体器件物理 © Dr. B. Li
共发射极电流放大系数
β= IC/IB
= IC/IE-IC = α/1-α 因 α≈1, 所以 β >>1
β表示集电极无负载时，集电极电流与基极电流之比。 有时也用符号hFE表示。
基极电流具有非常重要的控制作用。在共基极电路中 是通过IE控制IC，而在共发射极电路中却是通过IB控制 IC 。为使β足够大，这两种电路都希望在同样的IE时， IB越小越好，但IB不能为零。
半导体器件物理 © Dr. B. Li
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管工作原理双极型晶体管是一种广泛应用于电子电路中的半导体器件，它具有放大、开关和稳压等功能，是现代电子技术中不可或缺的元器件之一。
那么，双极型晶体管是如何工作的呢？本文将从双极型晶体管的结构、工作原理和特性等方面进行详细介绍。
首先，我们来看一下双极型晶体管的结构。
双极型晶体管由两个PN结组成，其中一个是P型半导体，另一个是N型半导体。
P型半导体中的载流子主要是空穴，而N型半导体中的载流子主要是电子。
当P型半导体和N型半导体通过扩散结合在一起时，形成PN结。
在PN结的两侧分别连接上金属电极，就形成了双极型晶体管的结构。
接下来，我们来介绍双极型晶体管的工作原理。
在正常工作状态下，双极型晶体管可以分为放大区和截止区两种状态。
当双极型晶体管处于放大状态时，通过向基极施加一个正向偏压，使得PN结处于正向偏置状态，此时电流可以从发射极流向集电极，从而实现对信号的放大。
而当双极型晶体管处于截止状态时，基极施加的电压小于开启电压，PN结处于反向偏置状态，此时电流无法从发射极流向集电极，双极型晶体管处于截止状态，不对信号进行放大。
双极型晶体管的工作原理可以用以下几个关键参数来描述，放大倍数、输入电阻、输出电阻和最大耗散功率等。
其中，放大倍数是指双极型晶体管对输入信号进行放大的能力，输入电阻是指双极型晶体管对输入信号的阻抗，输出电阻是指双极型晶体管对输出信号的阻抗，最大耗散功率是指双极型晶体管能够承受的最大功率。
双极型晶体管具有许多优点，如体积小、重量轻、功耗低、寿命长等，因此在电子电路中得到了广泛的应用。
它可以用于放大电路、振荡电路、开关电路、稳压电路等各种电路中，为电子设备的正常工作提供了重要支持。
总的来说，双极型晶体管是一种重要的半导体器件，它通过合理的结构和工作原理，实现了对信号的放大、开关和稳压等功能。
在现代电子技术中，双极型晶体管发挥着重要的作用，为各种电子设备的正常工作提供了有力支持。
希望本文对大家对双极型晶体管的工作原理有所了解，谢谢阅读！。
半导体器件物理ppt 共62页
N
A
WE
显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射
区的掺杂浓度远比集电区大，基区的
浓度比发射区低，但高于集电区浓度
。图4.3(c)表示耗尽区的电场强度分
E
布情况。图(d)是晶体管的能带图，
它只是将热平衡状态下的p-n结能带
直接延伸，应用到两个相邻的耦合p
＋-n结与n-p结。各区域中EF保持水平 。
EC EF
如 图 为 一 p-n-p 双 极 型 晶 体 管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。
天津工业大学
现代半导体器件物理
双极型晶体管及相关器件 3
双极型晶体管工作在放大模式
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
图 (a) 为 工 作 在 放 大 模 式 下 的 共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下空间电荷密度与电场
强度分布的情形，与热平衡状态下比
较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集 基结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工 作在放大模式下的能带图，射基结为 正向偏压，因此空穴由p＋发射区注 入基区，而电子由基区注入发射区。
流往基区的电子电流。
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
}
IB
空穴电流 和空穴流
图 4.5
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
半导体器件物理-双极型晶体管功率特性PPT35页
45、自己的饭量自己知道。——苏联
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
半导体器件物理-双极型晶体管功率特性
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
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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