第三章双极型晶体管

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3-1 双极结型晶体管基础

3-1 双极结型晶体管基础

发射区:掺 杂浓度较高
集电区:面 积较大
便于收集电子
C
集电极
B
基极
P N+ P++ E
发射极
基区:较薄,掺 杂浓度低
发射区:掺 杂浓度较高
集成电路中双极型NPN晶体管的截面图
E
C
N P N
B
均匀基区晶体管:基区掺杂为均匀分布。少子在基区主要
作扩散运动,又称为扩散晶体管。 缓变基区晶体管:基区掺杂近似为指数分布,少子在基区 主要作漂移运动,又称为漂移晶体管。
B
ICBO
RB EB
IBE
ICE N P N IE
E
24
IC=ICE+ICBO ICE C
IB=IBE -ICBOIBE
B IB
ICBO
RB EB
IBE
ICE N P N IE
EC
E
25
以 PNP 管为例。忽略势垒区产生复合电流, 处于放大状态 的晶体管内部的各电流成分如下图所示
C
B
IC IE
N+
P
0
NE(x)
NB(x)
xje xjc
NC
N
0 xje xjc
x
3.1.2 偏压与工作状态
加在各 PN 结上的电压为 C
C
集电极
集电结
VBE VB VE , VBC VB VC VEB VE VB , VCB VC VB
BJT是非线性元件,其工 作特性与其工作模式有关
IB
I E I pE I nE , I B I nE I nr , I C I pC I pE I pr I E I nE I nr

第三章--双极型晶体管

第三章--双极型晶体管

c
b e
PNP
c b
e
NPN
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
3.1.2 BJT的杂质分布 1.锗合金管-均匀基区晶体管 特点: 三个区杂质均匀分布 2结为突变结
2.硅平面管-缓变基区晶体管 特点: E、B区杂质非均匀分布 2结为缓变结
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
“背靠背”的2个二极管有放大作用吗?

I ne IE

I ne Ine I pe
1 1 I pe
I ne
I pe Ine
,则 0

2、基区输运系数β*
0

I nc I ne

Ine Irb I ne
1
I rb I ne
I rb I ne

,则
0

3、集电区倍增因子 *
Ic 1
I nc
3.2.3、晶体管电流放大系数
e 1 e qVbe kT
x LpE
3.3 晶体管的直流电流增益
一、少数载流子分布
(3)、集电区少数载 流子分布
pC(x)
0
x
pC
x pC0 pC0
e 1 e qVbc kT
x LpC
3.3 晶体管的直流电流增益
二、电流密度分布函数
jnB
3.3 晶体管的直流电流增益
任务:导出α 0、β 0的定量关系式
0 0 0
0

0 10
0

1 1 I pe
I ne

0
1
I rb I ne
3.3.1 均匀基区晶体管的电流增益 均匀基区晶体管直流电流增益推导思路

第三章 BJT双极型晶体管

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

第三章双极型晶体管

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

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BJT器件解析

第三章BJT器件解析

* 基区自建电场 E的大小 ~
E = [( kT / q ) / pp(x)] ·[ dpp(x) / dx ] ≈ - [( kT / q ) / NB(x) ] ·[ dNB(x) / dx ] .
若杂质分布采用指数近似,则自建电场与位置无关:
E = - (kT/q)(η/W) = 常数, η称为电场因子. 23
相应地, 发射区中本征载流子浓度将由 ni2 变为
n i e 2 = ni2 exp[ΔEg / kT].
从而使得晶体管的注射效率↓(少子浓度↑所致) . ② Auger效应: Auger复合是电子与空穴直接复合、而将能量交给另一个自由 载流子的过程. N型半导体的Auger复合寿命τA ∝ 1/ n2 ; 在重掺杂时, τA 的数值很小. 在Si发射区掺杂浓度 >1019 cm-3 时, Auger复合寿命将小于SHR复合寿命 ( SHR复合寿命的典型值为10-7 s ). 则发射区少子寿命即由τA很小的 Auger过程决定; 从而使发射区的少子扩散长度↓, 注射效率↓.
W
∫ IVR = qA
[Δnp(x) / τn ] dx = IEnW2 / λLn2 (指数分布近似),
0
1/λ= [η- 1 + exp(-η) ] /η2 ≈ (η- 1)/ η2 ≈1 / η;
则输运系数为 β* = 1 – IVR / IEn = 1 - W2/ λLn2 .
③直流电流增益 ~ (掺杂浓度均是指平均值)
IB = IE - IC = (a11-a21){exp(qVBE/kT) - 1}
+ (a12-a22){exp(qVBC/kT) - 1},
* 可求得电流增益αo 和βo 与材料和结构参数之间的关系.

第三章-双极型晶体管的频率特性

第三章-双极型晶体管的频率特性
p
ic
Ic/mA
10
I B 25A
负载线
频率响应
~ VEB
8
ic
~ ic
20
iB
~ iB
iB
n
6
4
工作点
15 10
前面讨论的是晶体管的静态特性 ( 直流 特性 ) ,没有涉及其交流特性,也就是 当一小信号重叠在直流值上的情况。小 信号意指交流电压和电流的峰值小于直 i 流的电压、电流值。 高频等效电路: 图 (a) 是以共射组态晶 p 体管所构成的放大器电路,在固定的 i n 直流输入电压 VEB 下,将会有直流基 p 极电流 IB 和直流集电极电流 IC 流过晶 V~ i 体管,这些电流代表图(b)中的工作点, V V 由供应电压 VCC 以及负载电阻 RL所决 定出的负载线,将以一 1/RL的斜率与 (a)连接成共射组态的双极晶体管 VCE轴相交于VCC。
fT 10
8
f 10
9
1010
频率 / Hz
另外,一截止频率fT(又称特征频率)定义为β的绝对值变为1时的频率, 将前式等号右边的值定为1,可得出
2 f 1 f ( 1 ) f f T 0 0 0 0
因此fT很接近但稍小于 f。
双极型晶体管的频率特性
c
Ic/ A
B
负载线
c
B
B
c

C
B
B
工作点
EB
输出电流
E
EB
CC
EC
CC
(a)连接成共射组态的双极晶体管
(b)晶体管电路的小信号工作状态
B
B
C ~ V
E B
C ~ V

第3章双极型晶体管及其基本放大电路

第3章双极型晶体管及其基本放大电路

iC / mA4Βιβλιοθήκη 饱和区3放
100 μA 80 μA 60 μA
截止区——iC接近零的区 域,相当iB=0的曲线的下 方。此时,发射结反偏,
集电结反偏。
2

40 μA
放大区——iC平行于uCE
1
I CEO
O
区 20 μA
I B =0 μA
截止区
轴的区域,曲线基本平行 等距。 此时,发射结正
3 6 9 12 uCE / V 偏,集电结反偏,电压大
双极型晶体管的型号和主要参数
2. 晶体管的封装
小、中功率晶体管图片(金属圆壳封装)
小、中功率晶体管图片(塑封)
大功率晶体管图片
3.3 放大的概念和放大电路的性能指标
3.3.1 放大的概念
基本放大电路一般是指由晶体管与其它电路元件所 组成的放大电路。 1. 放大电路主要用于放大微弱信号,输出电压或电流在幅 度上得到了放大,输出信号的能量得到了加强。 2. 输出信号不能失真,即输出信号与输入信号之间在形状 上不能变样。
ICQ2
电流IBQ之比,定义:
1
ICQ ICEO ICQ
ICEO
O
I BQ
I BQ uCE CONST
Q IBQ
80 μA 60 μA
40 μA
20 μA
IB =0
3
6
9
12 uCE / V
输出特性曲线
②共基极组态直流电流放大系数
称为共基极直流电流放大系数。
ICQ ICEO ICQ
2.U(BR) EBO——e 集电极c-开mA+路+限时流电发阻 射结的击穿电压。 3.U(BR)CEO——c 基极b 开-e路mA集+V-+限电流电极阻和发射极间的击穿电压。 对路于的。U(B几R)个CER击表b穿示电Bbc压E-U间U在(mB(ABR接大R+)C)VEB+-有B限 V小OO-流电上电阻阻有,如U下(B关R)C系ES表示BE间是短

第三章 双极晶体管

第三章 双极晶体管

qVE kT
1)
(3-116)
3-117)
nB (Wb ) nB (Wb ) nPB nPB (e
qVc kT
1)
(3-118) (3-119)
pC ( x2 ) pnC e
qVC
kT
(3-120)
PC ( x2 ) PC ( x2 ) PnC PnC (e
(3-134)
当WB Lnb 基区很窄时式(3-132)可简化,双曲函数按 台劳级数展开,只取一次幂,即
shx x
chx 1
则上式可简化为: qDnB J nB ( x) [nB (0) nB (Wb )] Wb 基区内电子电流密度与X无关,保持不变。 集电结反偏时,上式可进一步简化为:
(3-128) 发射区空穴沿着(-x)方向线性下降,直到 下降到平衡值。 集电区少子浓度分布:
x x1 1)(1 ) L pE
pC ( x) pnC pnC (e
pC ( x) pnC pnC (e
qVC kT
qVC
kT
1)e
L
x x2 pE
(3-129)
x x2 1)(1 ) L pC
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:

I En IE

I cn I En

' Ic I cn

IC
' Ic
M

(3-104)
晶体管发射效率 :
I En I En 1 I E I En I Ep 1 I Ep

03 双极型晶体管(BJT)解析

03 双极型晶体管(BJT)解析
晶体管之父 William Shockley
3
3.1 BJT的结构及内部载流子的传输
晶体管是通过一定的工艺,将两个PN结结合在一起的器件。两 个PN结互相影响,使晶体管表现出不同于单个PN结的特性而具有信 号放大功能,因而成为各种电子电路的核心元件。 在晶体管中,参与导电的有空穴和电子两种载流子,又因为它 是由两个PN结构成,所以被称为双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor)。 由于BJT有三个电极, 因而又称为三极管。它有很多种类。按频 率分有高频管、低频管;按功率分有大、中、小功率管;按材料分 有Si和Ge管。 根据结构的不同,三极管一般有两种类型:NPN 型和 PNP 型。
14
(1) 当VCE=0V时,从输入回路看,由于发射结正偏,输入特性与半导 体二极管的正向特性曲线类似。 (2)当VCE0时,这个电压的极性有利于把发射区扩散到基极的电子收 集到集电极。如果VCE>VBE,则发射结正偏,集电结反偏。集电极开始 收集电子,基区复合减少,在同样的vBE下,IB减小,特性曲线右移。
第3章 双极型晶体管(BJT)
中山大学 郭东亮
1
1947年的晶体管(transistor)
1947年12月16日,美国新泽 西州的贝尔实验室里,3位科学 家——威廉·肖克利(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和沃特·布拉顿 (Walter Brattain)成功地制造 出第一个晶体管,改变了人类的 历史。 1950年,William Shockley 开发出双极性接面晶体管 (bipolar junction transistor, BJT),也就是现在俗称的晶体管。
15
二、输出特性曲线

第三章双极结型三极管及放大电路基础资料

第三章双极结型三极管及放大电路基础资料

放大电路应遵循以下原则:
RS
1、有直流通路, 并保证合适的直流偏置。
VS +
RL

2、有交流通路,即待放大的
输入信号能加到晶体管上,
且放大了的信号能从电路中取出。 直流电源及偏置电路
模拟电子线路
共发射极放大器(建立放大器感性认识)
共发射极放大器是应用最为广泛的基本放大器。
NPN晶体管起放大作用;
远大于ΔvI,实现电压信号的放大。 放大作用:输入回路加微小信号,通过基极电流的改变
量去控制集电极电流,从而将VCC的能量转换为与输入 信号变化规律相同、能量更大的输出信号。
模拟电子线路
对放大器的分析可分为直流分析和交流分析
直流分析:确定晶体管的静态工作点(各节点的直流电 压值)
交流分析:确定电路中各交流信号之间的关系。
50
降到额定值2/3时的iC值。 40
iC值超过ICM时管子易损坏。ICM 30
集电极最大允许功耗PCM
20 10
PCM=iCvCE
反向击穿电压
0
1.0 0.8
0.6 过Leabharlann 坏区0.4 安全工作区iB = 0.2mA
PC <PCM
10
20 V(BR)CEO 30
vCE / V
V(BR)CBO - 发射极开路时,集电极-基极间反向击穿电压。
模拟电子线路
2) 饱和区 vCE较小时,集电结吸引电子能力弱,iC不随iB的增加而增 加,晶体管失去放大作用。饱和时集电极电压称为饱和压 降VCE(sat)。
Si管VCE(sat) ≈0.3V,而发射结的饱和压降VBE(sat) ≈0.8V, 故VCB(sat) = VCE(sat) - VBE(sat) ≈- 0.5V

第三章 双极型晶体管的频率特性

第三章 双极型晶体管的频率特性

j nb
Lnb thC nWb
qI pE kT
Yeic
I nC C n ( Wb sh(C nWb ) Vc
)
Ycie
qI nE kT
*
th( Wb )
1
j
nb
]
Lnb shC nWb
Ycic
I nC *C n thC nWb
( Wb ) Vc
1 j nb ]
(3 - 36) (3 - 37) (3 - 38) (3 - 39)
ne
[eCn (Wb x)
2sh(CnWb )
eCn (Wb x) ]e jt
shCn (Wb x) sh(CnWb )
nee
jt
nb(x,t)nb0eqV E kT(1W xb)sshh n(C C (W nW b b)x)neejt nE(1W xb)sshh n(C C (W nW b b)x)nEqkeu Tejt
第三章 双极型晶体管的频率特性
在实际运用中,晶体管大多数都是在直流偏压下放 大交流信号。随着工作频率的增加,晶体管内部各个部位 的电容效应将起着越来越重要的作用,因而致使晶体管的 特性发生明显的变化。
本章讨论在高频信号作用下晶体管的哪些特性参数 发生什么样的变化以及这些这些变化与工作频率的关系等, 以便能更好地认识高频下晶体管特性的变化规律,更重要 的是了解应设计制造什么样的晶体管以满足高频工作条件 的要求。为此,首先介绍晶体管高频工作下的特殊参数, 然后再讨论这些参数与结构、工作条件的关系等。
j n ( W b , t ) j pej n j pqq ec (D 0p,n teq)C kn pET[ b D C qn pE D pcq k ete p(hC 1c (xpxW T ,u th e))( C s un eW eb ) j c t n C q k c c T ( u C n W t b ) h e j ] t

03模拟电子技术第三章_双极结型晶体管

03模拟电子技术第三章_双极结型晶体管
2010年10月12日星期二
14
3 厄利电压
VCE VCE VBE / Vt I C I C 0 I C I C 0 1 V ISe 1 V A A
2010年10月12日星期二
15
I C 0 I C VCE VA
ICBO:发射结开 路时的集电极 反向电流.
定义到达集电极的那部分IE与IE之比, 叫共基极直流电流增益,以 表示。
2010年10月12日星期二
8
共发射极组态
I C I C I B I CBO
或 式中
I C I B 1 I CBO


1
I CEO 1 I CBO
2010年10月12日星期二
26mV 得 rb 'e (1 ) I E (mA)
34
2、晶体管的高频特性 β或hfe是在输出短路时定义的。 将π型等效电路输出短路,即
I c I b
0 V ce
g m vb 'e jC vb 'e ib
图 的等效电路
vb ' e
2010年10月12日星期二
6
另外还有 支流 ICBO: 发射极开路的集 电极反向电流。
穿透电流ICEO: 基极开路的集电 极电流。
7
2010年10月12日星期二
三、组态 共基极组态
I C I E I CBO I B 1 - I E I CBO

I E IC I B
rb ' e 1 ib ib rb ' e j Cb ' e C 1 j Cb ' e C rb ' e

第3章双极晶体管

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

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。

线性电子线路第三章课后题答案

线性电子线路第三章课后题答案

Ro 6.2
题 3.26 图 P3.26 为自举式射极跟随器,已知晶体管的 50 、rb 300 以及
RL 12k 。
(1) 若要求VE 10V ,确定 RB 的值; (2) 计算交流 Ri 和 AV ; (3) 若不接电容 C,则 Ri 为多大? 解:(1)
RB 274.3k
5V 1k
RB
VBB
其中 V1 1.105V ~ 3.205V
题 3.10 图 P3.10 电路中晶体管的 100 ,问
(1) 若 RE 0.5k ,晶体管处于何种工作状态; (2) 求使晶体管工作在放大区的最小 RE 值。
由此求得 RE min 0.89k 。 由于 RE 0.5k 0.89k ,因此晶体管工作于饱和状态。
IE 1.47mA IC
VCE 7.71V
(2)求交流 AV、AI、AIS 及 Ri、Ro 共基极放大电路
re
VT IE
26mV 1.47mA
17.69 hie
rb 1 re
200 12617.69 2.43k
Ri 19.2
题 3.38
解:
fh 4.67kHz 主极点法: fh 4.82103 rad / s f fh fh 0.15kHz
VT IE

26mV 2.81mA
9.25
hie rb 1 re 200 1819.25 1874.25
(注:题目中未给 rb 的值,这里取 rb 200 ,若忽略 rb 则 hie 1674.25 ) (3) AVs、Ri 和 Ro
Ri 0.7k
Ro RC 1k AVs 45.73

第三章 双极型晶体管及其放大电路

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

第三讲双极型晶体管

第三讲双极型晶体管
3、当uCE1V后,特性曲线基本重合。 处于放大状态的BJT, uCE1V, 输入特性曲线就用uCE1V的曲线表示。
iB UCE=0V 10 1
uBE
对于一定的uBE ,当uCE增大到一定值后,集电结的电场已足够强,可以将发射区注入到基 区的绝大部分非平衡少子收集到集电区,因此即使再增大uCE , iC也不可能明显增大了。
1 一 般 :为 几 十 到 几 百
(五)BJT的结偏置电压与各极电流的关系
1、发射结正偏电压uBE对各极电流的作用——正向控制作用。 发射极电流实际上是正偏发射结的正向电流:
iE ISeuBE/UT;
u i BE
两者是指数关系。
E
iC iE;
iB
iE
1
uBE iC、 iB
uCB
iB
发射结
发射 区
集电结 基区
集电 区
E
B
C
uCB
iE
I euBE/UT S
uCB通过厄利效应对BJT电流的影响远不如uBE对电流的正向控制作用大,但它的存在使BJT的电流受控关系 复杂化,使之成为所谓的“双向受控元件”,由此带来分析的复杂化,并有可导致放大器因“内反馈”而
性能变坏。
(六)BJT的截止和饱和工作状态 c
与单个PN结的反向饱和电流一样。 IB = -ICBO, IC = ICBO ICBO的值很小,硅管小于1µA,锗管约10µA,受温度影响很 大。
(2)集电极反向穿透电流ICEO : 此电流从集电区穿越基区流至发射区,所以叫穿透电流。 ICEO= (1+)ICBO ( P30 ) ICBO和ICEO都是衡量BJT温度稳定性的重要参数,因ICEO大, 容易测量,所以常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。
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(a)理想一维p-n-p双级型集体管
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
VCB
-B-
(a)理想一维p-n-p双级型集体管
E
E
IE +-
发V射E区B
P
+ VEC - IC
VCE
基区
-n +
集I电PBV区B+C
-
C
C
VBE
+ B+
VBC
(b)p-n-p双 级 型B集 体 管 的 电 路 符 号
}
IB IE IC IE n (IE p IC ) pICn
IB
晶体管中有一项重要的参数, 称为共基电流增益,定义为
空穴电流 和空穴流
图 4.5
0
I Cp IE
因此,得到
0= IEpI+ CpIEn= IEpI+ EpIEnIIC Ep p
集电区 (P)
}I CP
IC
ICn
电子电流 电子流
3.1 双极型晶体管的工作原理
1、双极型晶体管结构
双极型晶体管是最重要的半导体器件之一,在高速电路、模拟电路 、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参 与导通过程的半导体器件,由两个相邻的耦合p-n结所组成,其结构可为 p-n-p或n-p-n的形式。
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。
来的空穴可在反向偏压的集基结造 成大电流,这就是晶体营的放大作 用,而且只有当此两结彼此足够接 近时才会发生,因此此两结被称为 交互p-n结。相反地,如果此两p-n 结距离太远,所有入射的空穴将在 基区中与电子复合而无法到达集基 区,并不会产生晶体管的放大作用, 此时p-n-p的结构就只是单纯两个背 对背连接的p-n二极管。
图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管,具有三段不同 掺杂浓度的区域,形成两个p-n结。浓度最高的p+区域称为发射 区(emitter,以E表示);中间较窄的n型区域,其杂质浓度中等 ,称为基区(base,用B表示),基区的宽度需远小于少数载流子 的扩散长度;浓度最小的p型区域称为集电区(collector,用C表 示)。
大部分的入射空穴将会到
达集电极而形成Icp。基极的电 I 流 有 三 个 , 即 IBB 、 IEn 以 及 ICn 。
E
其中IBB代表由基极所供应、与
入射空穴复合的电子电流(即
IBB=IEp-ICp) ; IEn 代 表 由 基 区 注 入发射区的电子电流,是不希
望有的电流成分;ICn代表集电 结附近因热所产生、由集电区
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
在理想的二极管中,耗尽 区将不会有产生-复合电流,所 以由发射区到基区的空穴与由 基区到发射区的电子组成了发 射极电流。而集基结是处在反 向偏压的状态,因此将有一反 向饱和电流流过此结。当基区 宽度足够小时,由发射区注入 基区的空穴便能够扩散通过基 区而到达集基结的耗尽区边缘, 并在集基偏压的作用下通过集 电区。此种输运机制便是注射 载流子的“发射极”以及收集 邻近结注射过来的载流子的 “集电极”名称的由来。
发射区
基区
集电区
P
n
P
N
D
N
A
WE
WB
WC
x
E
x
EC
EC
EF
EF
EV
EV
图 4.3( a) 所 有 端 点 接 地 的 p-n-p晶 体 管 ( 热 平 衡 状 态 )
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。
图(b)为p-n-p双极型晶体管
的电路符号,图中亦显示各电
流成分和电压极性,箭头和“
十”、“一”符号分别表示晶 体管在一+ 般工作VEC模式(即- 放大模 式E)+下各发电P射流区 的基n方区 向集和电P 区电压的+ C极 性,该V模EB 式下,射基结VCB为正向 偏压(VEB>0-),B 而- 集基结为反 向偏压(VCB<0)。
IE
发射区
P
V EB
基区
n
IB
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
集电区
P V BC
IC
输出
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
3、电流增益
下图中显示出一理想的p-n-p晶体管在放大模式下的各电流成分。 设耗尽区中无产生-复合电流,则由发射区注入的空穴将构成最大的 电流成分。
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
电子电流 电子流
晶体管各端点的电流可由上 述各个电流成分来表示
IE IEpIEn,
IE
IC ICpICn,
发射区 (P)
}I EP
I En
基区 (n) I BB
IE
发射区
P
V ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱB
基区
n
IB
集电区
P V BC
IC
输出
(a)
N
D
N
A
WE NB
xE
WB
0
W
(b)
E
(c)
EC
EV V EB
(d) 图 4.4
WC
xC
x
x
EC EF V BC EV
如果大部分入射的空穴都没有
与基区中的电子复合而到达集电极, 则集电极的空穴电流将非常地接近 发射极空穴电流。
可见,由邻近的射基结注射过
2、双极型晶体管工作在放大模式
图(a)是一热平衡状态下的 理想p-n-p双极型晶体管,即其 三端点接在一起,或者三端点 都接地,阴影区域分别表示两 个 p-n 结 的 耗 尽 区 。 图 (b) 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。
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