第三章双极型晶体管
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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。
+
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
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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
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发射区
P
V ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱB
基区
n
IB
集电区
P V BC
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(a)
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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。