第三章 双极晶体管
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半导体物理与器件+第3章_双极型晶体管
NPN型晶体管的共发射极连接
3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数
3. 共集电极直流电流放大系数
I IB IE C β0 1 IB IB
共集电极电流放大系数 4.α 0与β 0的关系
β0 IC IC α 0 I B I E I C 1 α0
β0和α0的关系曲线
1. 合金晶体管 PNP型合金管结构与杂质分布如图所示
Байду номын сангаас
（a）管芯结构 （b）杂质分布 锗合金晶体管的结构与杂质分布
合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都 是均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电 结均是突变结。
3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布
2. 平面晶体管 平面晶体管结构与杂质分布如图所示
那么基区电子的扩散电流In(X2)则为
x )eqU E / kT Wb
I n ( X 2 ) AqDnb
可求出In(X2)近似为
I n ( X 2 ) AqDnb
dnb ( x) qD n A nb b 0 eqU E / kT dx Wb
dnb ( x) qDnb nb 0 qU E / kT A （e 1 ） dx Wb
3.2. 3 晶体管的直流电流方程式
5. IE、IC、IB直流电流方程式 因为IE由Ip(x1)和In(x2)组成，所以
I E I p ( X 1 ) I n ( X 2 ) [A
qDpe pe0 Lpe
qDnb nb0 qU E / kT A （ ]e 1 ） Wb
因为IC= In(x4)+ ICBO= In(x2)- IVB + ICBO，所以
3.2. 3 晶体管的直流电流方程式
第三章 BJT双极型晶体管
第三章 双极型晶体管
中国计量学院光电学院
晶体管——transistor 它是转换电阻transfer resistor的缩写 晶体管就是一个多重结的半导体器件 通常晶体管会与其他电路器件整合在一起， 以获得电压、电流或是信号功率增益
双极型晶体管（bipolar transistor）
IC 0 I E ICBO
(10)
理想BJT的静态特性
何谓静态？
静态电流 电压特性 各端点的电流方程式
五点假设
意味什么？
（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向 饱和电流可以忽略； （3）载流子注入属于小注入； （4）耗尽区中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。 用途：为推导理想晶体管电流、电压表达 式做准备！
从这个方程中可以看出，少数载流子分布趋近于一条直线。
那么整体PNP晶体管在放大模式下的少子分布究竟如何呢？
类似于基区的求解，可以求出发射区和集电区中的少子分布。
发射区和集电区中性区域的边界条件为：
nE ( x xE ) nE 0 e q VCB nC ( x xC ) nC 0 e
注意
载流子浓度 exp[(载流子能量) / kT ]
qVbi nn 0 n p 0 exp( ) kT qVbi p p 0 pn 0 exp( ) kT
热平衡时的PN结载流子浓度
基本上，假设在正向偏压的状况下，空穴由 发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的 方式穿过基区到达集基结，一旦我们确定了 少数载流子的分布（即N区中的空穴），就 可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。
基区输运 系数
发射效率
中国计量学院光电学院
晶体管——transistor 它是转换电阻transfer resistor的缩写 晶体管就是一个多重结的半导体器件 通常晶体管会与其他电路器件整合在一起， 以获得电压、电流或是信号功率增益
双极型晶体管（bipolar transistor）
IC 0 I E ICBO
(10)
理想BJT的静态特性
何谓静态？
静态电流 电压特性 各端点的电流方程式
五点假设
意味什么？
（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向 饱和电流可以忽略； （3）载流子注入属于小注入； （4）耗尽区中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。 用途：为推导理想晶体管电流、电压表达 式做准备！
从这个方程中可以看出，少数载流子分布趋近于一条直线。
那么整体PNP晶体管在放大模式下的少子分布究竟如何呢？
类似于基区的求解，可以求出发射区和集电区中的少子分布。
发射区和集电区中性区域的边界条件为：
nE ( x xE ) nE 0 e q VCB nC ( x xC ) nC 0 e
注意
载流子浓度 exp[(载流子能量) / kT ]
qVbi nn 0 n p 0 exp( ) kT qVbi p p 0 pn 0 exp( ) kT
热平衡时的PN结载流子浓度
基本上，假设在正向偏压的状况下，空穴由 发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的 方式穿过基区到达集基结，一旦我们确定了 少数载流子的分布（即N区中的空穴），就 可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。
基区输运 系数
发射效率
003双极晶体管1a1
下面请看其基本结构及杂质分布
2） 基本结构及杂质分布 不同的双极晶体管的具体结构有所差异， 但其管芯基本结构是一样的：由靠的很近的两 个PN结组成。其结构模型如图所示 看下面几个例子：
a、均匀基区晶体管---合金管 b、缓变基区晶体管---平面管
c、集成电路中的晶体管---平面管
两者 比较
BJT的结构简介
分析方法：通过对器件工作时载流子的运动规律 的分析，把器件的电学特性和器件内部结构、材 料、工艺参数联系起来，为我们设计、使用晶体 管提供相应的理论基础。
1、晶体管的分类、基本结构及杂质分布 2、双极晶体管的放大原理 3、双极晶体管的直流伏安特性
典型的三极管 偏置电路分析 三极管放大电路稳 定工作点的方法
半导体三极管的
结构示意图如图所示。
它有两种类型:NPN型
和PNP型。
(a) NPN型管结构示意图 (b) PNP型管结构示意图 (c) NPN管的电路符号 (d) PNP管的电路符号
a、均匀基区晶体管---合金管
铟、镓，加热到铟镓与锗的共溶温度
制作工艺
三个区的杂质分布
b、缓变基区晶体管---平面管
淡紫色 青色 橙色
1019cm-3
1015cm-3 浅青绿色 1017cm-3
顶视图
制作工艺？（对照 顶视图讲解）
三个区的杂质分布
淡紫色
水绿色
橙色
浅青绿色
掺 杂 过 程
两种管子的简单比较
a.工艺上对WB的控制 b.基区杂质的分布（均匀基区－扩
散型晶体管、缓变基区－ 漂移型晶
体管）
c、集成电路中的晶体管---平面管
符号：NPN、 PNP（画于黑板）
(a) 小功率管
2） 基本结构及杂质分布 不同的双极晶体管的具体结构有所差异， 但其管芯基本结构是一样的：由靠的很近的两 个PN结组成。其结构模型如图所示 看下面几个例子：
a、均匀基区晶体管---合金管 b、缓变基区晶体管---平面管
c、集成电路中的晶体管---平面管
两者 比较
BJT的结构简介
分析方法：通过对器件工作时载流子的运动规律 的分析，把器件的电学特性和器件内部结构、材 料、工艺参数联系起来，为我们设计、使用晶体 管提供相应的理论基础。
1、晶体管的分类、基本结构及杂质分布 2、双极晶体管的放大原理 3、双极晶体管的直流伏安特性
典型的三极管 偏置电路分析 三极管放大电路稳 定工作点的方法
半导体三极管的
结构示意图如图所示。
它有两种类型:NPN型
和PNP型。
(a) NPN型管结构示意图 (b) PNP型管结构示意图 (c) NPN管的电路符号 (d) PNP管的电路符号
a、均匀基区晶体管---合金管
铟、镓，加热到铟镓与锗的共溶温度
制作工艺
三个区的杂质分布
b、缓变基区晶体管---平面管
淡紫色 青色 橙色
1019cm-3
1015cm-3 浅青绿色 1017cm-3
顶视图
制作工艺？（对照 顶视图讲解）
三个区的杂质分布
淡紫色
水绿色
橙色
浅青绿色
掺 杂 过 程
两种管子的简单比较
a.工艺上对WB的控制 b.基区杂质的分布（均匀基区－扩
散型晶体管、缓变基区－ 漂移型晶
体管）
c、集成电路中的晶体管---平面管
符号：NPN、 PNP（画于黑板）
(a) 小功率管
第三章双极型晶体管
ICn
电子电流 电子流
上式等号右边第一项称为
发射效率，是入射空穴电
流与总发射极电流的比，
即：
I E•
I Ep IE
I Ep I Ep＋I En
第二项称为基区输运系数，
是到达集电极的空穴电流量
与由发射极入射的空穴电流
量的比，即
T
I Cp I Ep
所以 0＝T
发射区 (P )
}I EP
I En
基区 (n) I BB
(d)n-p-n双级型集体管的电路符号
图 4.2
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
-B-
VCB
(a)理想一维p-n-p双级型集体管
IE E
+
+ VEC - IC - C
VEB
VBC
- + IB
B
(b)p-n-p双级型集体管的电路符号
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++ B
I En I BB
I B I E IC I En (I EpICp ) ICn
晶体管中有一项重要的参数
，称为共基电流增益，定义
为
0
I Cp IE
IB
空穴电流 和空穴流
图4.5
因此，得到
＝
0
I
I Cp Ep＋I
En
＝
I Ep I Ep＋I En
I Cp I Ep
}
集电区(P)
第三章 双极晶体管
I CE 0
I CB 0
BVCE0 BVCB0 V
ICE0 1M MICB0
BV CE 0n1IC B 0InCB 0
3.5 等效电路模型 3.5.1 Ebers-Moll模型
（1）两个pn结的耦合电流
E
N
P
N
IF
F IF
C
I E RIR
IR
IC
VBE VBC
B IB
（2）E-M等效电路模型
E
iE RE
B
N++ P+
N
VBE VCB
C
iC RC
VBB
VCC
发射区 -n-
pn (x') pn0
基区 -pn p (x)
n p0
集电区 -n-
pn0 pn (x'')
E(n) B(p) C(n)
Ec
EF
EFi
Ev
平衡态
Ec e
E FE eV BE
EFB
Ev
eV BC
Ec E FC
Ev
正向有源
B
e
①
C
V CB
E ②
Ec
EF
B
e
①
Ev
C
V CE
EN
P
NC
I CB 0
B
EN
I CE 0
P
I CB 0 N C
ICE 0
B
VCB
VCE
3.4.6 晶体管的击穿
（2）雪崩击穿
I-V 特性曲线:
电流和电压增益:
IC
基极 发射极 悬空 悬空
IC0E IC0EIC0B
《模拟电子技术基础》第3章 双极型晶体管及其基本放大电路
3.2 双极型晶体管
3.2.4 晶体管的共射特性曲线
2.输出特性曲线—— iC=f(uCE) IB=const
以IB为参变量的一族特性曲线
(1)当UCE=0V时，因集电极无收集
作用，IC=0；
(2)随着uCE 的增大，集电区收集电
子的能力逐渐增强，iC 随着uCE 增加而
增加；
(3)当uCE 增加到使集电结反偏电压
电压，集电结应加反向偏置电压。
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
1. 晶体管内部载流子的传输
如何保证注入的载流
子尽可能地到达集电区？
P
N
IE=IEN + IEP
IEN >> IEP
IC= ICN +ICBO
ICN= IEN – IBN
IEN>> IBN
ICN>>IBN
N
IEP
IE
3. 晶体管的电流放大系数
(1) 共基极直流电流放大系数
通常把被集电区收集的电子所形成的电流ICN 与发射极电流
IE之比称为共基电极直流电流放大系数。
ത
I CN
IE
由于IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN，且ICN>> IBN，ICN>>IEP。通常ത
的值小于1，但≈1，一般
ത
为0.9-0.99。
ത
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
3. 晶体管的电流放大系数
(2) 共射极直流电流放大系数
I C I CN I CBO I E I CBO ( I C I B ) I CBO
ch3 双极型晶体管(BJT)PPT课件
10
第3章 双极型晶体管 3.1BJT的结构及内部载流子的传输 1.BJT的结构
放大状态下的三极管 （外部条件）
发射结正向偏置，集电结反向偏置。
11
第3章 双极型晶体管 3.1BJT的结构及内部载流子的传输 2.放大状态下内部载流子的运动
载流子有3个传输过程： 1）发射
IE＝IEN＋IEP IEN
12
第3章 双极型晶体管 3.1BJT的结构及内部载流子的传输
2.放大状态下内部载流子的运动
载流子有3个传输过程： 2）复合和扩散
IE＝IEN＋IEP IEN
IB＝IBN＋IEP
13
第3章 双极型晶体管 3.1BJT的结构及内部载流子的传输
2.放大状态下内部载流子的运动
载流子有3个传输过程： 3）收集
简单共射极电路
iB＝20A ＝50
vi 20mV
iCRC
对于NPN管而言，放大的外 部条件是，外电源的接法必 须保证：
VBE > 0,
VBC < 0, VE < VB <VC
17
第3章 双极型晶体管 3.1BJT的结构及内部载流子的传输
3. 三极管的放大作用
总结 ❖ 三极管的放大作用主要依靠它的发射极电流通过基区传输到集电
模拟电路基础
第3章 双极型晶体管（BJT）
内容
3.1 BJT的结构及内部载流子的传输 3.2 BJT共射电路的伏安特性 3.3 BJT的主要参数 3.4 BJT的直流模型和微变等效电路 3.5 BJT共射电路的工作原理 3.6 BJT放大电路的分析方法
1
整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
函数关系：
第3章_双极结型晶体管
20
InEqAnd D dpnxxx0
In
EqA Dn Ln np0c
th L xB n（ eVEVT
1） si
1
eVCVT
n L xh B n
1
InC qA nd D d p nxxxx BqADn Lnnp0sinh1(xB) Ln
eVEVT
1cthL xB neVCVT
25
pExpE0pE0eV EV T1 1xxE
p C x p C 0 p C 0 e V C V T 1 e x x C L pC
图3-11 正向有源模式下晶体2管6 各区少数载流子分布
二、电流分量
在正向有源模式下 有：
In
EqA Dn Ln np0cth L xB n（ eVEVT
19
3.3.1载流子分布与电流分量
一、基区载流子分布及电流 中性基区（ 0x x B ）少子电子分布及其电流：
Dn
d2np dx2
np np0
n
0
边界条件为：np0np0eVEV T npxBnp0eV CV T
解为： npxnp0np0 eVEVT 1sinsihnhxBL L x B n nxnp0 eVcVT 1ssiin nh hL L xxB n n
J dp N区
Jr
0 xn
BJT正向有源工作区的电流成分
IRE
3.6基区扩展电阻和电流聚集 1、基区电阻
基区电流（1）少子电流，发射区注入到集电区留在基 区的少子电流
（2）基区注入到发射区的多子和基区被复合掉的空穴形 成的电流（主要电流成分）
流子运动是一维的； （4）基区宽度远小于少子扩散长度； （5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结
第3章双极晶体管413页PPT
降低基极电阻？
rb1 n(R 1b L S 2 eeR 2 b L S eeb R 1b L S 2 ebS R bL ce)
（1）减小发射区宽度Se、基区宽度Sb、发射区与基 区之间距离Seb、增加条的长度Le，但受到工艺条 件的限制。
（2）增加发射极条的数目n，但受到面积限制，条数 越多，需要的基底面积越大。
3.4 晶体管的反向特性及基极电阻
反向截止电流：增加器件的空载功耗，对放大无贡 献，越小越好
击穿电压：反映晶体管耐压能力，越高越好 基极电阻：增加器件功耗，越小越好
3.4 晶体管的反向特性及基极电阻
3.4.1 晶体管反向电流 一、定义
晶体管某二个电极间加反向电压，另一电极开路时流过管中的电流称其 反向电流。 1、IEBO：集电极极开路，发射极与基极间反偏，流过发射结的电流。 2、ICBO：发射极开路，集电极和基极间反偏，流过集电结的电流。 3、ICEO：基极开路，发射极和集电极间反偏，流过发射极和集电极的电流。
20lg0 3dB f f
特征频率 fT
1 0 2
1
fT 0 f
3dB
dB
fβ
fT fα f
谢谢！
13
ic
ib
VCE
dIC dIB
VCE
3dB
6分贝/ 倍 频
1 0 2
3dB
dB
fβ
fT fα f
20lg
放大系数的分贝表示： 20lg
共基极截止频率
f
0 2
20lg0 3dB
f f
共射极截止频率
电β
流 放
3dB
大 系
0
数 （
2
rb1 n(R 1b L S 2 eeR 2 b L S eeb R 1b L S 2 ebS R bL ce)
（1）减小发射区宽度Se、基区宽度Sb、发射区与基 区之间距离Seb、增加条的长度Le，但受到工艺条 件的限制。
（2）增加发射极条的数目n，但受到面积限制，条数 越多，需要的基底面积越大。
3.4 晶体管的反向特性及基极电阻
反向截止电流：增加器件的空载功耗，对放大无贡 献，越小越好
击穿电压：反映晶体管耐压能力，越高越好 基极电阻：增加器件功耗，越小越好
3.4 晶体管的反向特性及基极电阻
3.4.1 晶体管反向电流 一、定义
晶体管某二个电极间加反向电压，另一电极开路时流过管中的电流称其 反向电流。 1、IEBO：集电极极开路，发射极与基极间反偏，流过发射结的电流。 2、ICBO：发射极开路，集电极和基极间反偏，流过集电结的电流。 3、ICEO：基极开路，发射极和集电极间反偏，流过发射极和集电极的电流。
20lg0 3dB f f
特征频率 fT
1 0 2
1
fT 0 f
3dB
dB
fβ
fT fα f
谢谢！
13
ic
ib
VCE
dIC dIB
VCE
3dB
6分贝/ 倍 频
1 0 2
3dB
dB
fβ
fT fα f
20lg
放大系数的分贝表示： 20lg
共基极截止频率
f
0 2
20lg0 3dB
f f
共射极截止频率
电β
流 放
3dB
大 系
0
数 （
2
【学习课件】第三章双极晶体管
(b)缓变基区晶体管。如各种扩散管。由于基区 中存在自建电场，以漂移为主，
18.11.2020
.
10
中国科学技术大学物理系微电子专业
(a)
(b)
(c)
NPN晶体管共基极(a)、共发射极（b）和共集电极 （c）的三种连接法
18.11.2020
.
11
中国科学技术大学物理系微电子专业
2、晶体管的放大原理
IC IB
IE
.
6
中国科学技术大学物理系微电子专业
§3.1 晶体管的基本原理
1、基本结构及其杂质分布 • 基本结构
由两个P-N结共用一个基区组成的。 在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电 结。中间区域就叫基区，而另两个区与结 相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子，分别称作发射极， 基极和集电极。
.
13
18.11.2020
中国科学技术大学物理系微电子专业
P-N-P均匀基区 晶体管正常偏 置条件下的的 物理结构、杂 质分布、电场 分布和平衡态 能带图
.
14
中国科学技术大学物理系微电子专业
3、晶体管端电流的组成
工作在放大状态下pnp晶体管的各个电流分量 为：
• IEP：从发射区注入的空穴电流， • IEN：从基区注入到发射区的电子电流， • ICN：集电区－基区结附近的热电子漂移到
• 从P-N结理论的讨论中已知电流输运是由电 子和空穴两种载流子组成的，故由P-N结组 成的晶体管又称作双极晶体管。双极晶体 管是最重要的半导体器件之一。
• 1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明。
18.11.2Βιβλιοθήκη 20.2中国科学技术大学物理系微电子专业
双极型晶体管
18.11.2020
.
10
中国科学技术大学物理系微电子专业
(a)
(b)
(c)
NPN晶体管共基极(a)、共发射极（b）和共集电极 （c）的三种连接法
18.11.2020
.
11
中国科学技术大学物理系微电子专业
2、晶体管的放大原理
IC IB
IE
.
6
中国科学技术大学物理系微电子专业
§3.1 晶体管的基本原理
1、基本结构及其杂质分布 • 基本结构
由两个P-N结共用一个基区组成的。 在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电 结。中间区域就叫基区，而另两个区与结 相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子，分别称作发射极， 基极和集电极。
.
13
18.11.2020
中国科学技术大学物理系微电子专业
P-N-P均匀基区 晶体管正常偏 置条件下的的 物理结构、杂 质分布、电场 分布和平衡态 能带图
.
14
中国科学技术大学物理系微电子专业
3、晶体管端电流的组成
工作在放大状态下pnp晶体管的各个电流分量 为：
• IEP：从发射区注入的空穴电流， • IEN：从基区注入到发射区的电子电流， • ICN：集电区－基区结附近的热电子漂移到
• 从P-N结理论的讨论中已知电流输运是由电 子和空穴两种载流子组成的，故由P-N结组 成的晶体管又称作双极晶体管。双极晶体 管是最重要的半导体器件之一。
• 1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明。
18.11.2Βιβλιοθήκη 20.2中国科学技术大学物理系微电子专业
双极型晶体管
第三章双极晶体管124164733535共121页
18.11.2019
半导体器件物理
15
中国科学技术大学物理系微电子专业
Current Gain
IE=IEp+IEn
IC=ICp+ICn
IB=IE-IC=IEn+(IEp-ICp)-ICn
18.11.2019
半导体器件物理
16
Current Flow中国科学技术大学物理系微电子专业
I
EB n
emitter
IC IB
IE
半导体器件物理
6
中国科学技术大学物理系微电子专业
§3.1 晶体管的基本原理
1、基本结构及其杂质分布 • 基本结构
由两个P-N结共用一个基区组成的。 在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电 结。中间区域就叫基区，而另两个区与结 相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子，分别称作发射极， 基极和集电极。
32
中国科学技术大学物理系微电子专业
理想晶体管的电流一电压方程
• 均匀基区P-N-P晶体管电流一电压方程：
21
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 提高电流增益的主要措施有： 1. 提高发射区掺杂浓度或杂质总量，增大正
向注入电流， 2. 减小基区宽度， 3. 提高基区杂质分布梯度， 4. 提高基区载流子寿命和迁移率，以增大载
流子的扩散长度。
18.11.2019
半导体器件物理
22
中国科学技术大学物理系微电子专业
x2
L2p
2np np np0 0
x2
L2n
18.11.2019
半导体器件物理
24
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 中性基区少子分布的表达式为
第3章双极晶体管
实际上，主要是通过减小Wb 和 e来提高 0或 0
的。
23
3. 缓变基区晶体管的电流放大系数 （1）缓变基区晶体管的自建电场
基区存在着杂质浓度梯度，这将导致空穴向 浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区中的电 中性将被破坏。为了维持基区的电中性，必然会 在基区中产生一个电场，使空穴做反方向的漂移 运动来抵消空穴的扩散运动。这个为了维持基区 的电中性，而产生的电场称为缓变基区的自建电 场。
对于NPN晶体管，发射效率是注入基区的电子电 流与发射极电流的比值，即有
0
In (X 2 ) IE
对于NPN晶体管，基区输运系数是指到达集电结 的电子电流与注入基区的电子电流的比值，即有
0
In(X3) In(X2)
IC In(X2)
20
因此，可得 0
，
0
和
0
的关系为
0
IC IE
In(X2) IE
In(X3) In(X2)
0
0
所以，可按下面的步骤求解晶体管的电流放大倍数：
第一步 求发射效率；
第二步 求基区输运系数；
第三步 求共基极直流电流放大系数；
第四步 求共射极直流电流放大系数。
21
(1)发射效率
0
1
1 eWb
b Lpe
(2) 基区输运系数
晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入 和输出的电流—电压关系曲线。晶体管的三个端， 共有四个参数：输入电流、输入电压、输出电流 和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用 曲线表示出来(以其余两个参数中的一个作为参 变数)得到一族曲线，最常用的是输入特性曲线 和输出特性曲线。
的。
23
3. 缓变基区晶体管的电流放大系数 （1）缓变基区晶体管的自建电场
基区存在着杂质浓度梯度，这将导致空穴向 浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区中的电 中性将被破坏。为了维持基区的电中性，必然会 在基区中产生一个电场，使空穴做反方向的漂移 运动来抵消空穴的扩散运动。这个为了维持基区 的电中性，而产生的电场称为缓变基区的自建电 场。
对于NPN晶体管，发射效率是注入基区的电子电 流与发射极电流的比值，即有
0
In (X 2 ) IE
对于NPN晶体管，基区输运系数是指到达集电结 的电子电流与注入基区的电子电流的比值，即有
0
In(X3) In(X2)
IC In(X2)
20
因此，可得 0
，
0
和
0
的关系为
0
IC IE
In(X2) IE
In(X3) In(X2)
0
0
所以，可按下面的步骤求解晶体管的电流放大倍数：
第一步 求发射效率；
第二步 求基区输运系数；
第三步 求共基极直流电流放大系数；
第四步 求共射极直流电流放大系数。
21
(1)发射效率
0
1
1 eWb
b Lpe
(2) 基区输运系数
晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入 和输出的电流—电压关系曲线。晶体管的三个端， 共有四个参数：输入电流、输入电压、输出电流 和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用 曲线表示出来(以其余两个参数中的一个作为参 变数)得到一族曲线，最常用的是输入特性曲线 和输出特性曲线。
第三章 双极型晶体管及其放大电路
集电极开路时，发射极-基极之间允许施加的最高反向电压， 一般为几十伏，有的甚至小于1伏。 ③集电极-发射极反向击穿电压U (BR)CEO
基极开路时，集电极-发射极之间允许施加的最高反向电压，
其值比U (BR)CBO要小一些。
由晶体管的三个极限参数 I CM、PCM 和 U (BR)CEO，可以画出管子 的安全工作区，如图3-8所示。使用中，不允许将工作点设在安 全工作区外。
图 3-7
15
（2）晶体管的极限参数
1) 集电极最大允许电流 I CM
在使用三极管时，I
C
超过
I
时并不一定会使三极管损坏，
CM
但值将逐渐降低。
2) 集电极最大允许功耗 PCM 其大小主要决定于允许的集电结结温。锗管最高允许结温
为 700 C ，硅管可达1500 C ，超过这个值，管子的性能变坏，甚至 烧毁管子。
•
三极管电流放大的实验电路
IB(mA) IC(mA) IE(mA)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
<0.001 0.70
1.50
2.30
3.10
3.95
<0.001 0.72
1.54
2.36
3.18
4.05
IB
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
IC
<0.001
0.70
1.50
2.30
第3章
双极型晶体管及其放大电路
3.1 双极型晶体管 3.2 基本放大电路的工作原理及其组成 3.3 静态工作点稳定及分压式射极偏置电路 3.4 共发射极电路 3.5 共集电极极放大电路和共基极极放大电路 3.6 多级放大电路 3.7 放大电路的频率响应和阶跃响应 3.8 电流源电路 3.9 应用电路介绍
基极开路时，集电极-发射极之间允许施加的最高反向电压，
其值比U (BR)CBO要小一些。
由晶体管的三个极限参数 I CM、PCM 和 U (BR)CEO，可以画出管子 的安全工作区，如图3-8所示。使用中，不允许将工作点设在安 全工作区外。
图 3-7
15
（2）晶体管的极限参数
1) 集电极最大允许电流 I CM
在使用三极管时，I
C
超过
I
时并不一定会使三极管损坏，
CM
但值将逐渐降低。
2) 集电极最大允许功耗 PCM 其大小主要决定于允许的集电结结温。锗管最高允许结温
为 700 C ，硅管可达1500 C ，超过这个值，管子的性能变坏，甚至 烧毁管子。
•
三极管电流放大的实验电路
IB(mA) IC(mA) IE(mA)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
<0.001 0.70
1.50
2.30
3.10
3.95
<0.001 0.72
1.54
2.36
3.18
4.05
IB
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
IC
<0.001
0.70
1.50
2.30
第3章
双极型晶体管及其放大电路
3.1 双极型晶体管 3.2 基本放大电路的工作原理及其组成 3.3 静态工作点稳定及分压式射极偏置电路 3.4 共发射极电路 3.5 共集电极极放大电路和共基极极放大电路 3.6 多级放大电路 3.7 放大电路的频率响应和阶跃响应 3.8 电流源电路 3.9 应用电路介绍
双极性晶体管讲义
eqVBE kT 1
xE x'
x' xe
•集电区空穴浓度分布
pc
x"
pc0
pc0Leabharlann e 1 e qVBC kT
x" Lpc
pc0ex" Lpc
其他工作模式的少子分布？ 截止区 饱和区 反向有源
3.2 少子分布
3.2.2 其他工作模式
3.1 双极型晶体管的工作原理
集成电路中的常规npn管
3.1 双极型晶体管的工作原理
氧化物隔离的npn管横截面图
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.1 基本工作原理
发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度为1019，1017，1015 cm-3 BJT是非对称器件
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.1 基本工作原理
ln N AB (0)
N AB (WB )
基区杂质指数分布BJT的基区漂移系数
3.2 少子分布
2.非平衡少子分布及电流密度 从输运方程开始求非平衡少子密度NPB(X) 利用边界条件求出jnB
3.2 少子分布
A.基区电子分布
nb (x)
J nb qDnb Nb (x)
Wb x
3.1 双极型晶体管的工作原理
VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE
当VCC足够大，VR较小时，VCB>0 此时正向有源。 IC增大， VR增大，VCB减小，C结零偏 准饱和，C结反偏饱和 饱和时集电极电流不受控于VBE！
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.3 双极晶体管放大电路
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第三章 双极晶体管
高频小功率晶体管，指特征频率大于 3MHz，功率小于1W的晶体管，主要用于高频振 荡电路、放大电路中。
低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较 多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放 管，各种大电流输出稳压电源中作为调整管，低 速开关电路中作开关管。
第三章 双极晶体管
共发射极输入特性：与正向PN结伏安
特性相似，随集电结电压增加而基极电流
减少 ；这是因为集电结电压增加使基区宽
度减小，基区复合电流减少，故基极电流
减少。
共发射极输出特性：当基极电流为0时，
流过晶体管的电流为
；ICE随O 着 的增I B 加，
以 I的C 规律上IB 升。随 增加 略V CE上升，I C
R L
re （3-111）
G ICVout IC 2RL
p IEVin
IE 2re
2RL （3-112）
re
晶体管要具备放大能力,必须满足以下条件：
发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多,以保证发射效
率接近1。
基区宽度小于少子扩散长度,保证基区输运系数接近1。
发射结必须正偏,使re小;集电结反偏,使 rc大。
电流不变； (6)小注入状态。
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
• 首先求出晶体管管内载流子浓度分布：
pE(x1)pn
eqV E kT
E
（3-113）
qE V
P E ( x 1 )P E ( x 1 ) P nE P n(E ekT 1 )（3-114）
nB(0)npBeqVEkT
（3-115）
第三章 双极晶体管
4．晶体管直流电流—电压方程 均匀基区晶体管的直流电流—电压方程，假设： (1)发射结和集电结是理想的突变结，发射区、基
区和集电区的杂质为均匀分布； (2)晶体管是一维的，发射结与集电结面积相等； (3)外加电压全部降落在PN结势垒区内； (4)发射区与集电区的长度比少子扩散长度大得多； (5)不考虑势垒区内的复合、产生，通过势垒区的
（2）晶体管的放大作用 在共发射极运用时：
Ic IB
第三章 双极晶体管
（3-109）
3.晶体管的输入,输出特性
第三章 双极晶体管
共基极输入特性：I E 随 VBE 而指数上
升，与正向PN结特性一致。随着 V C B 增
加，I E 上升得更快，这是因为基区宽度W
随 V C B 增加而减少，从而 I E 增大。
第三章 双极晶体管
晶体管(半导体三极管)是由两个PN结构成 的三端器件，由于两个PN结靠得很近，它具有放 大电信号的能力，因此在电子电路中获得了更广 泛的应用。
晶体管按使用要求的不同一般分为高頻管和 低頻管,小功率管和大功率管,高反压管和开关管 等。
低频小功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率小于1W的晶体管，主要用于各种电子 设备中的低放、功放管。
共基极输出特性：IE 0 时，集电极电 流为反向饱和电流；I C 按 I E 的规律随 I E 增加，若 I E 一定， I C 基本不随 VCB 变 化，VCB下将到0以后 I C 才逐步下降到0， 这是因为只有当集电结处于正偏状态后， 才能阻止发射区注入基区的电子流向集电 区。此时，晶体管第进三章入双极晶饱体管和区。
IEICIB0
第三章 双极晶体管
IE ICICBO
共基极直流电流放大系数：
ICn IE
共发射极直流电流放大系数 ：
（3-101） （3-102）
IC
IC
IB IEIC 1
第三章 双极晶体管
（3-103）
• 在共基极运用时：
Ic IE
（3-110）
G V out ICR L V V in IEre
第三章 双极晶体管
2. 晶体管的放大机理 （1）晶体管的直流电流放大系数
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
工作在放大状态的NPN管终端电流
IEIEnIEpIER
IC IcnICBO IB IE pIE R (IE nIc)n IC0B
一.晶体管的直流 特性 1. 晶体管的基本 结构和杂质分布按 制作工艺和管芯结 构形式晶体管可分 为合金管,合金扩 散管,台面管,双扩 散管和平面管等
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
晶体管的基区杂质分布有两种形式。一种是均匀基 区晶体管,载流子在基区内的传输主要靠扩散进行， 又称为扩散型晶体管；一种基区杂质分布是缓变的， 这类晶体管的基区存在自建电场,载流子在基区内除 了扩散运动外,还存在漂移运动，而且常以漂移运动 为主，又称漂移晶体管。
第三章 双极晶体管
为了分析晶体管的电流放大系数与晶体管结构因素和 工艺因素之间的关系,并反映电流传输过程中的各种损失, 共基极直流电流放大系数分解为：
对NPN管：
• • • M IEn Icn Ic ' IC IE IEn Icn Ic '（3-104）晶体管源自射效率 ：IEn IEn 1
这是因为 减少而W使B 增大的结 果。当
减少到一V C定E 值（硅管为0.7V）而使集电结
正偏， 迅速下降I，C 进入饱和区。
第三章 双极晶体管
•晶体管输出特性分 为三个区域：Ⅰ为线 性工作区，Ⅱ为饱和 区，Ⅲ为截止区．I 区工作的晶体管，发 射结处于正偏，集电 结处于反偏，Ⅱ区工 作的晶体管，发射结 和集电结均处于正偏； Ⅲ区工作的晶体管发 射结和集电结都为反 偏。
IE IEnIEp 1IEpIEn 基区输运系数 ：
（3-105）
Icn IEnIvb1Ivb
IEn
I I En第三章 双极晶体管En
（3-106）
集电区倍增因子 ：
IcnIc 'p1Ic 'p1cppc1cp
Icn
Icn
cnnc
cp
（3-107）
雪崩倍增因子M：
M
IC
I
' c
（3-108）
高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz ， 功率大于1W的晶体管，用于无线通 讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、 开关和稳压电路中。 第三章 双极晶体管
其两个PN结分别称为发射结和集电结， 两个结将晶体管分为发射区,基区和集电区,由 三个区引出的电极分别称为发射极,基极和集 电极。
第三章 双极晶体管
高频小功率晶体管，指特征频率大于 3MHz，功率小于1W的晶体管，主要用于高频振 荡电路、放大电路中。
低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较 多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放 管，各种大电流输出稳压电源中作为调整管，低 速开关电路中作开关管。
第三章 双极晶体管
共发射极输入特性：与正向PN结伏安
特性相似，随集电结电压增加而基极电流
减少 ；这是因为集电结电压增加使基区宽
度减小，基区复合电流减少，故基极电流
减少。
共发射极输出特性：当基极电流为0时，
流过晶体管的电流为
；ICE随O 着 的增I B 加，
以 I的C 规律上IB 升。随 增加 略V CE上升，I C
R L
re （3-111）
G ICVout IC 2RL
p IEVin
IE 2re
2RL （3-112）
re
晶体管要具备放大能力,必须满足以下条件：
发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多,以保证发射效
率接近1。
基区宽度小于少子扩散长度,保证基区输运系数接近1。
发射结必须正偏,使re小;集电结反偏,使 rc大。
电流不变； (6)小注入状态。
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
• 首先求出晶体管管内载流子浓度分布：
pE(x1)pn
eqV E kT
E
（3-113）
qE V
P E ( x 1 )P E ( x 1 ) P nE P n(E ekT 1 )（3-114）
nB(0)npBeqVEkT
（3-115）
第三章 双极晶体管
4．晶体管直流电流—电压方程 均匀基区晶体管的直流电流—电压方程，假设： (1)发射结和集电结是理想的突变结，发射区、基
区和集电区的杂质为均匀分布； (2)晶体管是一维的，发射结与集电结面积相等； (3)外加电压全部降落在PN结势垒区内； (4)发射区与集电区的长度比少子扩散长度大得多； (5)不考虑势垒区内的复合、产生，通过势垒区的
（2）晶体管的放大作用 在共发射极运用时：
Ic IB
第三章 双极晶体管
（3-109）
3.晶体管的输入,输出特性
第三章 双极晶体管
共基极输入特性：I E 随 VBE 而指数上
升，与正向PN结特性一致。随着 V C B 增
加，I E 上升得更快，这是因为基区宽度W
随 V C B 增加而减少，从而 I E 增大。
第三章 双极晶体管
晶体管(半导体三极管)是由两个PN结构成 的三端器件，由于两个PN结靠得很近，它具有放 大电信号的能力，因此在电子电路中获得了更广 泛的应用。
晶体管按使用要求的不同一般分为高頻管和 低頻管,小功率管和大功率管,高反压管和开关管 等。
低频小功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率小于1W的晶体管，主要用于各种电子 设备中的低放、功放管。
共基极输出特性：IE 0 时，集电极电 流为反向饱和电流；I C 按 I E 的规律随 I E 增加，若 I E 一定， I C 基本不随 VCB 变 化，VCB下将到0以后 I C 才逐步下降到0， 这是因为只有当集电结处于正偏状态后， 才能阻止发射区注入基区的电子流向集电 区。此时，晶体管第进三章入双极晶饱体管和区。
IEICIB0
第三章 双极晶体管
IE ICICBO
共基极直流电流放大系数：
ICn IE
共发射极直流电流放大系数 ：
（3-101） （3-102）
IC
IC
IB IEIC 1
第三章 双极晶体管
（3-103）
• 在共基极运用时：
Ic IE
（3-110）
G V out ICR L V V in IEre
第三章 双极晶体管
2. 晶体管的放大机理 （1）晶体管的直流电流放大系数
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
工作在放大状态的NPN管终端电流
IEIEnIEpIER
IC IcnICBO IB IE pIE R (IE nIc)n IC0B
一.晶体管的直流 特性 1. 晶体管的基本 结构和杂质分布按 制作工艺和管芯结 构形式晶体管可分 为合金管,合金扩 散管,台面管,双扩 散管和平面管等
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
晶体管的基区杂质分布有两种形式。一种是均匀基 区晶体管,载流子在基区内的传输主要靠扩散进行， 又称为扩散型晶体管；一种基区杂质分布是缓变的， 这类晶体管的基区存在自建电场,载流子在基区内除 了扩散运动外,还存在漂移运动，而且常以漂移运动 为主，又称漂移晶体管。
第三章 双极晶体管
为了分析晶体管的电流放大系数与晶体管结构因素和 工艺因素之间的关系,并反映电流传输过程中的各种损失, 共基极直流电流放大系数分解为：
对NPN管：
• • • M IEn Icn Ic ' IC IE IEn Icn Ic '（3-104）晶体管源自射效率 ：IEn IEn 1
这是因为 减少而W使B 增大的结 果。当
减少到一V C定E 值（硅管为0.7V）而使集电结
正偏， 迅速下降I，C 进入饱和区。
第三章 双极晶体管
•晶体管输出特性分 为三个区域：Ⅰ为线 性工作区，Ⅱ为饱和 区，Ⅲ为截止区．I 区工作的晶体管，发 射结处于正偏，集电 结处于反偏，Ⅱ区工 作的晶体管，发射结 和集电结均处于正偏； Ⅲ区工作的晶体管发 射结和集电结都为反 偏。
IE IEnIEp 1IEpIEn 基区输运系数 ：
（3-105）
Icn IEnIvb1Ivb
IEn
I I En第三章 双极晶体管En
（3-106）
集电区倍增因子 ：
IcnIc 'p1Ic 'p1cppc1cp
Icn
Icn
cnnc
cp
（3-107）
雪崩倍增因子M：
M
IC
I
' c
（3-108）
高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz ， 功率大于1W的晶体管，用于无线通 讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、 开关和稳压电路中。 第三章 双极晶体管
其两个PN结分别称为发射结和集电结， 两个结将晶体管分为发射区,基区和集电区,由 三个区引出的电极分别称为发射极,基极和集 电极。
第三章 双极晶体管