第3章_双极结型晶体管

2 1 xB T 1 2 2 Ln
VT
1


由上式可知：収射结电子电流随基区宽度的减小而 增加 对于小的 xB / Ln ，运输因子接近于1，这意味着 在越过基区的运输过程中，电子损失可以忽略。

空穴电流
I pE qADpE

ni2 VE e N dE x E

VT
1

正偏压发射结空间电荷区复合电流：
I RE

qAnWE VE /2VT i e 2 0
ni2 eVC N dC L pC
集电区空穴电流 I PC x qAD pC

VT
1 e

( x xC )/ L pc
I pC qAD pC
pC 0 ni2 qAD pC LpC N dC LpC
30

忽略集电极反向饱和电流
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
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
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
n p x n p 0 n p 0 eVE
VT


简化为：
n p x n p 0 e
25
VE VT
x 1 xB
p E x p E 0 p E 0 e

VE VT
pC x pC 0 pC 0 e

x 1 1 xE
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
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
VC 0
VC 0
VE 0 VE 0
VC 0 VC 0
6
3.2.1晶体管的放大作用
共基极连接晶体管的放大作用
収射结正偏
集电结正偏
图3 - 6 a ） （ NPN 晶体管共基极放大电路
7
3.2.1晶体管的放大作用
qVBE
B
qVBC
E
（b ）
C 图3-5NPN晶体管共基极能带图
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
ni2 eVC N dC LpC

VT
1 e

( x xC ) / L pc
24
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

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
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 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
（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Байду номын сангаас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：
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

VT
1

二、发射区少子空穴分布及其电流：
中性収射区空穴稳态方程
d pE pE pE 0 Dp 0 2 dx P
2
边界条件：
pE xE pE 0
p E WE p E 0 e
VE VT
p E x p E 0 p E 0 e VE
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
2

晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子 导电。被称之为双极型器件；

结型晶体管凭借功耗和性能方面的优势广泛应 用于高速计算机、火箭、卫星以及现代通信领 域中。
3
3.1双极结型晶体管的结构和制造工艺
发射区 基区 集电区
E
N
p
N
C
E
C
B （a）
B （b）
E
发射区
基区
集电区
p
N
p
C
E
C
B （c）
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
I B I pE I nE I nC I RE
DPE Dn xB qAn 2 N dE xE 2 N a Ln
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
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
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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；

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
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
13
I c I c0 IE
3.2.3电流增益
•
是基区运输因子和发射极注射效率的
乘积。其意义是经过发射结注入而到达集 电极的电子电流在总的发射极电流中所占 的百分比。应尽量接近1。 • 提高电流增益的途径是提高 和 T 。 • 3-2-7还可以写成 I C I E I C 0 • 上式说明：以基极作为公共端时，输出集 电极电流与输入发射极电流之间的关系。

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 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
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