第3章_双极结型晶体管
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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
双极型晶体管
大
3 2 5 晶体管的主要参数 3.2.5
晶体的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数 直流参数、交流参数、极限参数 1. 直流参数 (1) 直流电流放大系数 ①共发射极组态直流电流放大系数 对共射组态的电流放大系数， 在UCE不变的条件下，输出 集电极电流ICQ与输入基极 电流IBQ之比，定义：
i C / mA
ICM
饱 和 区
过流区
过 PCM 损 耗 区 作 区
截止区
过电流区是集电极电流达到 ICM和超过ICM以上的部分。
过 电 压 区
u CE / V
安 全 工
过损耗区由晶体管的集电极 最大功率损耗值确定，是一 条曲线。 过电压区由U (BR)CEO决定。 曲线中间部分为安全工作区 曲线中间部分为安全工作区。
N
P
N
IE
IEP IBN
b
电子
ICN ICBO IB
空穴
IC
c
IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN
e IEN
IB= IEP + IBN - ICBO
2. 晶体管电极电流的关系 发射极电流：IE= IEN+IEP 集电极电流：IC=ICN+ICBO ICN=IEN-IBN 基极电流： 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN IB=IEP+IBN-ICBO 且有IEN>>IEP
3.2.7 晶体管的型号及封装
1. 晶体管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下: 用字母表示同一型号中的不同规格 3 D G 110 B 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管
3 2 5 晶体管的主要参数 3.2.5
晶体的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数 直流参数、交流参数、极限参数 1. 直流参数 (1) 直流电流放大系数 ①共发射极组态直流电流放大系数 对共射组态的电流放大系数， 在UCE不变的条件下，输出 集电极电流ICQ与输入基极 电流IBQ之比，定义：
i C / mA
ICM
饱 和 区
过流区
过 PCM 损 耗 区 作 区
截止区
过电流区是集电极电流达到 ICM和超过ICM以上的部分。
过 电 压 区
u CE / V
安 全 工
过损耗区由晶体管的集电极 最大功率损耗值确定，是一 条曲线。 过电压区由U (BR)CEO决定。 曲线中间部分为安全工作区 曲线中间部分为安全工作区。
N
P
N
IE
IEP IBN
b
电子
ICN ICBO IB
空穴
IC
c
IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN
e IEN
IB= IEP + IBN - ICBO
2. 晶体管电极电流的关系 发射极电流：IE= IEN+IEP 集电极电流：IC=ICN+ICBO ICN=IEN-IBN 基极电流： 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN IB=IEP+IBN-ICBO 且有IEN>>IEP
3.2.7 晶体管的型号及封装
1. 晶体管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下: 用字母表示同一型号中的不同规格 3 D G 110 B 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管
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
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
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)
3和5章简答
23、比较各击穿电压的大小时可知，BVCBO（>>）BVCEO ，BVCBO（>>）BVEBO。
24、随着信号频率的提高，晶体管的αω, βω的幅度会(下降），相角会（滞后）。
25、在高频下，基区渡越时间τb对晶体管有三个作用，它们是：（复合损失使小于1β0*小于1）、（时间延迟使相位滞后）和（渡越时间的分散使|βω*|减小）。
12、当晶体管处于放大区时，理想情况下集电极电流随集电结反偏的增加而（不变）。但实际情况下集电极电流随集电结反偏增加而（增大），这称为（基区宽度调变）效应。
13、当集电结反偏增加时，集电结耗尽区宽度会（增宽），使基区宽度（变窄），从而使集电极电流（增大），这就是基区宽度调变效应（即厄尔利效应）。
4、什么是有效沟道长度调制效应？如何抑制有效沟道长度调制效应？
答：沟道有效长度随VDS的增大而缩短的现象成为-；抑制有效沟道长度效应的措施：减小VDS增大NA。
5、什么是MOSFET的跨导gm？写出gm的表达式，并讨论提高gm的措施。
答：跨导是MOSFET的对称特性的斜率，它反映了MOSFET的栅源电压VGS对漏电极ID的控制能力。提高措施：增大沟道宽度，减少沟道长度，增加VGS等。
4、N沟道MOSFET中，VGS越大，则沟道中的电子就越（多），沟道电阻就越（小），漏极电流就越（大）。
5、在N沟道MOSFET中，VT>0的称为增强型，当VGS=0时MOSFET处于（截止）状态；VT<0的称为耗尽型，当VGS=0时MOSFET处于（导通）状态。
6、由于栅氧化层中通常带（正）电荷，所以（P）型区比（N）型区更容易发生反型。
10、当N沟道MOSFET的VGS<VT时，MOSFET（不）导电，这称为（增强型）导电。
24、随着信号频率的提高，晶体管的αω, βω的幅度会(下降），相角会（滞后）。
25、在高频下，基区渡越时间τb对晶体管有三个作用，它们是：（复合损失使小于1β0*小于1）、（时间延迟使相位滞后）和（渡越时间的分散使|βω*|减小）。
12、当晶体管处于放大区时，理想情况下集电极电流随集电结反偏的增加而（不变）。但实际情况下集电极电流随集电结反偏增加而（增大），这称为（基区宽度调变）效应。
13、当集电结反偏增加时，集电结耗尽区宽度会（增宽），使基区宽度（变窄），从而使集电极电流（增大），这就是基区宽度调变效应（即厄尔利效应）。
4、什么是有效沟道长度调制效应？如何抑制有效沟道长度调制效应？
答：沟道有效长度随VDS的增大而缩短的现象成为-；抑制有效沟道长度效应的措施：减小VDS增大NA。
5、什么是MOSFET的跨导gm？写出gm的表达式，并讨论提高gm的措施。
答：跨导是MOSFET的对称特性的斜率，它反映了MOSFET的栅源电压VGS对漏电极ID的控制能力。提高措施：增大沟道宽度，减少沟道长度，增加VGS等。
4、N沟道MOSFET中，VGS越大，则沟道中的电子就越（多），沟道电阻就越（小），漏极电流就越（大）。
5、在N沟道MOSFET中，VT>0的称为增强型，当VGS=0时MOSFET处于（截止）状态；VT<0的称为耗尽型，当VGS=0时MOSFET处于（导通）状态。
6、由于栅氧化层中通常带（正）电荷，所以（P）型区比（N）型区更容易发生反型。
10、当N沟道MOSFET的VGS<VT时，MOSFET（不）导电，这称为（增强型）导电。
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
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
《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
ebers-moll模型
极 晶 体 管（ Unipolar Transistor ）。在 NPN 和 PNP 晶 体 管 中 ，两 种 载 流 子 同
时 对 电 流 传 输 起 重 要 作 用 。 从 而 把 NPN 和 PNP 晶 体 管 称 为 双 极 结 型 晶 体 管
（ BJT ⎯ Bipolar Junction Transistor ）。
q Vc 来 到 集 电 结 的 电 子 被 电 场 扫 入 集 电 区 ，成 为 集 电 极 电 流 。这 个 注 入 电 子
电流远大于反偏集电结所提供的反向饱和电流，是集电极电流的主要部分。 如果在集电极回路中接入适当的负载就可以实现信号放大。
从以上分析可见，基区宽度很窄是晶体管实现放大作用的必要条件之 一 。 如 果 基 区 较 宽 （ 大 于 电 子 扩 散 长 度 ）， 注 入 到 基 区 的 过 量 电 子 在 到 达 集
从 基 区 向 发 射 区 注 入 。基 区 出 现 过 量 电 子 ，发 射 区 出 现 过 量 空 穴 。过 量 载 流 子 浓 度 取 决 于 发 射 结 偏 压 的 大 小 和 掺 杂 浓 度 。当 基 区 宽 度 很 小（ 远 远 小 于 电 子 的 扩 散 长 度 ）时 ，从 发 射 区 注 入 到 基 区 的 电 子 除 少 部 分 被 复 合 掉 外 ，其 余 大 部 分 能 到 达 集 电 结 耗 尽 区 边 缘 。集 电 结 处 于 反 向 偏 压 ，集 电 结 势 垒 增 加 了
（3） 饱和模式：
VE >0， VC >0；
（4） 截止模式：
VE <0， VC <0。
3.2.1 晶体管的放大作用
以 正 向 有 源 工 作 模 式 为 例 说 明 晶 体 管 的 放 大 作 用 。图 3-6 表 示 晶 体 管 偏 置在正向有源模式下的情形。
第3章 双极结型晶体管(二)
基极接触
n
p
发射极
分析： 交叉指状电极能有效克服电流集聚 效应？
型基极 型集电极
n
发射极接触
图5-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图
5.7基区宽度调变效应
1.问题的提出
IC 0 IC IB 1 1 hFE I B I CE 0
图5-8 （b）共发射极情形
5.7基区宽度调变效应
VE 0， VC 0
VE VT
n p x B 0
n p xB n p0 eVC VT
E
(3)饱和工作模式：
相应的边界条件为: np 0 (4) 截止工作模式: VE <0， VC <0 相应的边界条件为:
n p0eV
VT
n p xB n p0 eVC VT
2.基区宽度调变效应的分析：
前面的讨论中默认有效基区宽度是 1)
x B 不变的，实际上 x B 是集电结偏压的函数。
hFE 的变化：
hFE 2L2 T T 2n 1 1 T 1 T xB
（3-60）
2 共发射极电流增益正比于 x B ，当 VCE 增加时，集电结空间电荷区展宽，使
I n qAnp xvx
（5-67）
dx vxdt
一个电子渡过基区所需要的时间
B
xB
0
xB qAnp x dx dx 0 v x In
（5-68）
5.8晶体管的频率响应
根据（5-55）式
1 B Dn
xB
0
dx xB N a x dx x N a x
0 1 j
，
（5-62）
n
p
发射极
分析： 交叉指状电极能有效克服电流集聚 效应？
型基极 型集电极
n
发射极接触
图5-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图
5.7基区宽度调变效应
1.问题的提出
IC 0 IC IB 1 1 hFE I B I CE 0
图5-8 （b）共发射极情形
5.7基区宽度调变效应
VE 0， VC 0
VE VT
n p x B 0
n p xB n p0 eVC VT
E
(3)饱和工作模式：
相应的边界条件为: np 0 (4) 截止工作模式: VE <0， VC <0 相应的边界条件为:
n p0eV
VT
n p xB n p0 eVC VT
2.基区宽度调变效应的分析：
前面的讨论中默认有效基区宽度是 1)
x B 不变的，实际上 x B 是集电结偏压的函数。
hFE 的变化：
hFE 2L2 T T 2n 1 1 T 1 T xB
（3-60）
2 共发射极电流增益正比于 x B ，当 VCE 增加时，集电结空间电荷区展宽，使
I n qAnp xvx
（5-67）
dx vxdt
一个电子渡过基区所需要的时间
B
xB
0
xB qAnp x dx dx 0 v x In
（5-68）
5.8晶体管的频率响应
根据（5-55）式
1 B Dn
xB
0
dx xB N a x dx x N a x
0 1 j
，
（5-62）
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
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
电子科技大学《微电子器件》课件PPT(3-1)
第 3 章 双极结型晶体管
3.1 双极结型晶体管基础
PN 结正向电流的来源是多子，所以正向电流很大 ；反向 电流的来源是少子，所以反向电流很小。
如果能用其他方法给反偏 PN 结Байду номын сангаас供大量少子，就能提高 反偏 PN 结的电流。
给反偏 PN 结提供少子的方法之一是在其附近制作一个正偏 PN 结，使正偏 PN 结注入的少子来不及复合就被反偏 PN 结收集 而形成很大的反向电流。反向电流的大小取决于其附近正偏 PN 结偏压的大小。
E
CE
C
P NP
NP N
B
B
E
C
E
C
B
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。
0
NE(x)
N+ P
xje
NB(x) NC
xjc
N
0 xje xjc
x
3.1.2 偏压与工作状态
PN P
通过改变正偏 PN 结的偏压来控制其附近反偏 PN 结的电流 的方法称为 双极晶体管效应 ，由此发明的双极结型晶体管获得 了诺贝尔物理奖。
双极结型晶体管 ( Bipolar Junction Transistor ) 简称为双极 型晶体管，或晶体管。
3.1.1 双极结型晶体管的结构
双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型，其结构 示意图和在电路图中的符号如下
定义：发射结正偏，集电结 零偏 时的 IC 与 IE 之比，称为
共基极直流短路电流放大系数，记为 ，即
IC
VEB 0,VCB 0
3.1 双极结型晶体管基础
PN 结正向电流的来源是多子，所以正向电流很大 ；反向 电流的来源是少子，所以反向电流很小。
如果能用其他方法给反偏 PN 结Байду номын сангаас供大量少子，就能提高 反偏 PN 结的电流。
给反偏 PN 结提供少子的方法之一是在其附近制作一个正偏 PN 结，使正偏 PN 结注入的少子来不及复合就被反偏 PN 结收集 而形成很大的反向电流。反向电流的大小取决于其附近正偏 PN 结偏压的大小。
E
CE
C
P NP
NP N
B
B
E
C
E
C
B
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。
0
NE(x)
N+ P
xje
NB(x) NC
xjc
N
0 xje xjc
x
3.1.2 偏压与工作状态
PN P
通过改变正偏 PN 结的偏压来控制其附近反偏 PN 结的电流 的方法称为 双极晶体管效应 ，由此发明的双极结型晶体管获得 了诺贝尔物理奖。
双极结型晶体管 ( Bipolar Junction Transistor ) 简称为双极 型晶体管，或晶体管。
3.1.1 双极结型晶体管的结构
双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型，其结构 示意图和在电路图中的符号如下
定义：发射结正偏，集电结 零偏 时的 IC 与 IE 之比，称为
共基极直流短路电流放大系数，记为 ，即
IC
VEB 0,VCB 0
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
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
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
第三章 双极结型晶体管习题)
第三章双极结型晶体管(习题)第三章3–1．画出PNP晶体管在平衡时以及在正向有源工作模式下的能带图。
画出晶体管的示意图并表示出所有的电流成分，写出各级电流表达式。
画出发射区、基区、集电区少子分布示意图。
3–2．考虑一个NPN硅晶体管，具有这样一些参数：xB?2?m，在均匀掺杂基区Na?5?1016cm?3,?n?1?s,A?。
若集电结被反向偏置，InE?1mA，计算2在发射结基区一边的过量电子密度、发射结电压以及基区输运因子。
3–3．在3–2的晶体管中，假设发射极的掺杂浓度为1018cm?3，xE?2?m，?pE?10ns，发射结空间电荷区中，?0??s。
计算在InE?1mA时的发射效率和hFE。
3–4．一NPN晶体管具有以下规格：发射区面积=1平方密耳，基区面积=10平方密耳，发射区宽度= 2?m，基区宽度= 1?m，发射区薄层电阻为2?/200?/，基区薄层电阻为，集电极电阻率=?.cm，发射区空穴寿命=1ns，基区电子寿命=100ns，假设发射极的复合电流为常数并等于1?A。
还假设为突变结和均匀掺杂。
计算用半对数坐标画出曲线。
IE?10?A、100?A、1mA、10mA、100mA以及1A时的hFE。
中间电流范围的控制因素是什么？3-5．根据式或式，证明对于任意的2xBLn值公式和变成a11??qAni[DnNaLn2(cothxBLnxBLn)?DPENdExE] a12?a21?qADnniNaLn2cscha22??qAni[证明，若xBDnNaLn(cothxBLn)?DPCNdCLPC]Ln 3–6．证明在有源区晶体管发射极电流–电压特性可用下式表示IE?IE01??F?ReVE/VT+qAniWE2?0eVE/VT其中IE0为集电极开路时发射结反向饱和电流。
提示：首先EM方程导出IF0?IE01??F?R。
3–7．忽略空间电荷区的复合电流，证明晶体管共发射极输出特性的精确表达式为 -VCE?VTln注意：首先求出用电流表示结电压的显示解。
第3章 双极结型晶体管2
3.4爱拜耳斯-莫尔方程
小结 ➢ 给出了BJT在四种工作模式下少子分布边界条件和少子分布示意图。0 eVE VT 1 R I R0 eVC VT 1
I C F I F 0 eVE VT 1 I R0 eVC VT 1
（3-48）
I C F I F 0 eVE VT 1 I R0 eVC VT 1
（3-49）
✓ 了解E－M方程中四个参数的物理意义 ✓ 根据E－M方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。 ※ 作业：习题3-5、3-6、3-7。
3.5缓变基区晶体管
3.5缓变基区晶体管
3.4爱拜耳斯-莫尔方程
根据图3-15C可以写出
I F I F 0 eVE VT 1
I R I R0 eVC VT 1
其中 I F0和 I R0 分别为两个二极管反向饱和电流。
端电流为： I E I F R I R IC F IF IR
联立（3-44），（3-45），（3-46）和（3-47）式得到
I E I F 0 eVE VT 1 R I R0 eVC VT 1 I C F I F 0 eVE VT 1 I R0 eVC VT 1
（3-48）和（3-49）式即为E-M方程
（3-44） （3-45）
（3-46） （3-47） （3-48） （3-49）
3.4爱拜耳斯-莫尔方程
暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流，则
I E I pE InE a11 eVE VT 1 a12 eVC VT 1
式中
a11
qAni2
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Dn
d 2np dx
2
n p n p0
n
VE VT
0
VC VT
n 边界条件为： p 0 n p 0 e
n p x B n p 0 e
解为： x n n
p
p0
n p 0 eVE
VT
xB x sinh Ln 1 n p 0 eVc VT 1 xB sinh Ln 20
x sinh Ln xB sinh Ln
I nE qADn
Dn n p 0 Ln
dn p x dx
VT
x 0
I nE qA
cth x B （eVE Ln
9
3.2.2电流分量
10
3.2.2电流分量
电流分量之间的关系
I E I nE I pE I rg
I B I pE I RE I nE I nC I C 0
I C I nC I C 0
I E IC I B 0
11
3.2.3电流增益
为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率
（5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结 空间电荷区上；
（6）发射结面积和集电结面积相等； （7）小注入，等等
18
理想晶体管的结构示意图：
Nd Na
xE
0
WE
xB
xC x
图 3-10 各区均匀掺杂 NPN 晶体管的杂质分布
19
3.3.1载流子分布不电流分量
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：
式中定义
hFE
1
IC0 1
共发射极直流电流增益 IB=0时，集电极－发射极漏电流，也 称为穿透电流。
16
I CE 0
伏安特性曲线
饱和区 10 8
125 100 75
10 8 6
IC （mA ）
10 8 6 4 2 0 10 0 2 4 6
IC （mA ）
6 4 2
4 2
有源区
50 25
第3章 双极结型晶体管
1
晶体管的収展史
1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生
1949年提出PN结和双极结型晶体管理论 1951年制造出第一只锗结型晶体管 1956年制造出第一只硅结型晶体管 1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖
1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三） 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产
VT
1
ni2 I nc qADn eVE N a Ln
VT
xB 1 csc h Ln
I nE
ni2 qADn eVE N a Ln
VT
xB 1 coth Ln
I nc qADn
14
当集电结处于正向偏压时：
I C I E I C 0 (e
VC / VT
1)
上式中，当VC为负的很大时，将还原为反向 向偏置的情况。
15
共发射极电流增益
I C I C I B I C 0
IC0 IC IB hFE I B I CE 0 1 1
e
VC VT
1
I nE
ni2 qADn eVE N a Ln
VT
xB 1 coth Ln
I nc qA
Dn n p 0 Ln
1 eVE sinh( xB ) Ln
VT
xB VC 1 cth e Ln
n eVE N a Ln
2 i
VT
xB 1 csc h Ln
T sec h( )
xB Ln
当xB Ln时
I nE
ni2 qADn eVE N a xB
2 1 xB T 1 2 2 Ln
28
VT
1
当晶体管处于放大状态
I nE ni2 qADn eVE N a xB
22
VT
xE x sinh L pE 1 x E WE sinh L pE
若 x E L pE ，（3-3-11）式可以写作：
pE x pE 0 pE 0 e
VE VT
WE x 1 1 xE WE
pC xC pC 0 eVC 边界条件：
VT
pC pC 0
1 e
pC x pC 0 pC 0 e
I pC x qADpC
qAD pC
VC VT
x xC L pC
pC 0 VC e LpC
VT
1 e
x xC LpC
1 1 ） xB sinh L n
e
VC VT
1
I nC qADn
dn p x dx
x xB
qA
Dn n p 0 Ln
1 eVE xB sinh( ) Ln
21
VT
xB VC 1 cth e Ln
B （d）
图 3-2 （a）理想的一维 NPN 双极结晶体管， （b）图（a）的电路符号 （c）理想的一维 PNP 双极结晶体管， （d）图（c）的电路符号
4
1、由两个相距很近的PN结组成，基区 宽度远远小于少子扩散长度，分为： NPN和PNP两种形式
2、发射区为重搀杂，发射结为P+N或 者N+P，基区是两个PN结的公共端
3、 双极晶体管的主要作用是对电流或 者电压的放大。
5
3.2双极结型晶体管的基本工作原理
双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区 令
VE VBE VB VE VC VBC VB VC
（1）正向有源模式
（2） 反向有源模式： （3）饱和模式： （4）截止模式
VE 0 VE 0
8
载流子的运输： （1）发射结正偏，由于正向注入，电子从发射区注 入基区，空穴由基区注入发射区。呈现正向偏置 的少子注入 （2）假设：基区很小。即少子在到达基区与集电区 边界时还没有被完全复合掉。其中大部分能到达 集电结，并被内电场加速进入集电结，称为集电 结电流。
(3)从发射区注入基区，进入集电区的电子电流远大 于集电结反偏所提供的发祥饱和电流，是集电极电 流的主要成分。 (4)晶体管实现放大的必要条件之一：基区宽度很窄
I nE I nE I E I nE I pE I RE
的意义：从发射区注入到基区的电子电流，
在总的发射极电流中所占的比例。
12
基区输运因子
T
I nC T I nE
T 的意义：发射区注入到基区的电子电流中
能到达集电极的电子电流比例。
共基极直流电流增益
I nE
I nC T I pE I rg
VC VT
1 e
x xC L pC
26 图3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布
二、电流分量
在正向有源模式下 有：
I nE qA
Dn n p 0 Ln
cth x B （eVE Ln
VT
1 ）
1 x sinh B L n
x 1 1 xE
p E x p E 0 p E 0 e
VE VT
空穴电流为：
I pE WE qADpE
pE 0
xE
eVE
VT
1
VT
qADpE
23
ni2 e VE N dE x E
1
三、集电区少子空穴分布及其电流
I B I pE I nE I nC I RE
DPE Dn xB qAn 2 N dE xE 2 N a Ln
ni2 eVC N dC LpC
VT
1 e
( x xC ) / L pc
24
ห้องสมุดไป่ตู้
3.3.2正向有源模式
一、少数载流子分布
在 x B Ln 的情况下，以及正向有源区的条件下
xB x sinh Ln 1 n p 0 eVc VT 1 xB sinh Ln x sinh Ln xB sinh Ln
I E 0 mA
0 2 4 6 8 VCB （V ） （a ）
I B 0 A
8 10
截止区
VCE （V ） （b ）
集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形
17
3.3理想双极结型晶体管中的电流传输
理想晶体管假设:
（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场； （2）结是理想的平面结，载流子作一维运动； （3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载 流子运动是一维的； （4）基区宽度远小于少子扩散长度；