第四章晶体管频率特性与功率特性
晶体管小结
微电子技术专业
《半导体器件》
单元三 双极型晶体管 小结 讲授教师：马 颖
•发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多
一、晶体管的概述
• 晶体管具有放大能力需具备哪些条件？
（1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，即NE远 大于NB，以保证发射效率γ≈1； （2）基区宽度WB远小于LnB，保证基区输运系数β*≈1； （3）发射结必须正偏，使re很小；集电结反偏，使rc 很大，rc远大于re。
六、功率晶体管的二次击穿和安全工作区
• 二次击穿的概念
器件承受的电压突然降低，电流继续增大，器件由 高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。
• 两种二次击穿的机理
●热型又称热不稳定型，是局部温度升高和电流集中往复 循环的结果。热型二次击穿的触发时间较长属于慢速型。 ●电流型又称雪崩注入型由雪崩注入引起，是快速型的二 次击穿。
–说明：共射短路电流放大系数β比共基短路电流放大 系数α下降更快。
–因此，共基电路比共射电路频带更宽。
一、晶体管的频率特性
• 晶体管的特征频率fT= 0 f 2 e0 。
• 提高特征频率的途径有哪些？
减小基区宽度 Wb ； 缩小结面积A ； 适当降低集电区电阻率ρc ； 适当减小集电区厚度Wc ； 尽量减小延伸电极面积。
• 有效基区宽度扩展效应[kirk（克而克）效应]
• 发射极电流集边效应又称为基区电阻自偏压效应
电力电子半导体器件(GTR)
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
③快速保护功能： GTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTR。 如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、 智能化自保护能力。
二、基极驱动电路基本形式
（一）恒流驱动电路：
基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。 IB > ICmax / β 问题:空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。 改进：1．抗饱和电路（贝克嵌位电路）
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
VD1引入，加速V2、V1的同时关断 ，引出B2极可另外控制。
半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
半导体器件与工艺(4)
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
发射结空间电荷区复合对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
发射区重掺杂对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
基区宽变效应对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
温度对电流放大系数的影响
晶体管的直流伏安特性曲线（共基极）
电流放大系数如何变化并计算厄尔利电压。
晶体管的直流电流放大系数
4.某厂在试制晶体管时，由于不注意清洁卫生，在高温扩散 时引入了金、镍等杂质，结果得到如图所示的晶体管输出特 性曲线。你能否说明这个输出特性曲线与标准输出特性曲线 的差别在哪里，原因是什么？
晶体管的直流电流放大系数
5.某厂在试制NPN平面管时，发现所得到的输出特性曲线为 “靠背椅”式，如图所示。你能否用基区表面形成反省层 （即所谓“沟道” ）来解释这种输出特性曲线？
晶体管的直流伏安特性曲线（共射极）
两种组态输出特性曲线比较
(1) 电流放大系数的差别 (2) UCE 增大对电流放大系数的影响 (3) UCE 减小对输出电流的影响
晶体管的穿通电压 （基区穿通）
晶体管的穿通电压 （外延层穿通）
外延层穿通所决定的击穿电压
BUCBO
UB
Wc X mc
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
jB (x) jB (0) (e 1) jB (0)
x
Seff
jB (x)
(e 1) jB (0) Seff
x
jB (0)
aax (mmbta42)晶体管 技术参数
AAX (MMBTA42) 晶体管技术参数摘要：AAX (MMBTA42) 是一种常用的 NPN 型晶体管，它具有优良的性能和稳定性，广泛应用于各种电子设备中。
本文将对 AAX (MMBTA42) 晶体管的技术参数进行详细介绍，包括其主要特性、电气参数、尺寸和封装形式等方面的内容。
通过对这些技术参数的了解，可以更好地应用和选用 AAX (MMBTA42) 晶体管，为电子设备的设计和制造提供可靠的技术支持。
一、主要特性AAX (MMBTA42) 晶体管具有以下主要特性：1. 高频率响应：AAX (MMBTA42) 晶体管具有出色的高频率响应特性，适用于高频放大和振荡电路。
2. 低噪声系数：AAX (MMBTA42) 晶体管的噪声系数较低，可以有效减小信号的干扰和失真。
3. 高电流增益：AAX (MMBTA42) 晶体管具有较高的电流增益，适用于需要较大信号放大的电路设计。
4. 低饱和电压：AAX (MMBTA42) 晶体管的饱和电压较低，可以减小功耗和提高电路效率。
二、电气参数AAX (MMBTA42) 晶体管的典型电气参数如下：1. 最大耐压：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大耐压为 75V，可以满足大多数电子设备的工作电压要求。
2. 最大电流：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大连续电流为 500mA，最大脉冲电流为 1A，能够满足电路的大电流要求。
3. 最大功率：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大功率为 625mW，在一定的散热条件下可以实现可靠的工作。
4. 管脚电阻：AAX (MMBTA42) 晶体管的管脚电阻较小，有利于降低传输线的损耗和提高电路的稳定性。
三、尺寸和封装形式AAX (MMBTA42) 晶体管的尺寸和封装形式如下：1. 封装类型：AAX (MMBTA42) 晶体管常见的封装类型为 SOT-23，便于在电路板上进行焊接和安装。
2. 外形尺寸：AAX (MMBTA42) 晶体管的外形尺寸为 2.9mm x1.3mm x 1.1mm，适合于紧凑型电子设备的设计和布局。
功率晶体管(GTR)的特性
功率晶体管（GTR)的特性功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。
但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展.—、结构特性1、结构原理功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管,简称GTR。
它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。
但是,由于它主要用在电力电子技术领域,电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处.对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。
由于GTR电流大、功耗大,因此其工作状况出现了新特点、新问题。
比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响,必须在结构上采取适当的措施。
目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。
三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示.这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低,一般约为10～20g。
图1、功率晶体管结构及符号图2、达林顿GTR结构（a）NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式.达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成,可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管,可饱和,而V2为输出管，不会饱和。
达林顿GTR的电流增益β大大提高,但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。
不难推得IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块.它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。
为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。
GTR模块结构紧凑、功能强,因而性能价格比大大提高。
双极型晶体管
4.2.2 双极晶体管的电流关系
（1）三种接法
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示; 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
(2)三极管的电流放大系数 共基极直流电流放大系数：α = IC/IE
半导体器件物理
© Dr. B. Li
三个极：发射极E(Emitter) ，集电极C(Collector)，基 极B(Base) 三个区：发射区，集电区，基区
半导体器件物理 两个结：发射结，集电结 © Dr. B. Li
intrinsic base (内基区) extrinsic base (外基区)
共发射极直流输出曲线
当VCE增加到使集电结反偏电压较大时(如VCE ≥1 V,VBE ≥0.7 V),运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后 VCE 再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与VCE轴基本平 行的区域 。
输出特性曲线可以分为三个区域: 饱和区——IC受VCE显著控制的区域，该区域内VCE的数值较
半导体器件物理 © Dr. B. Li
共发射极电流放大系数
β= IC/IB
= IC/IE-IC = α/1-α 因 α≈1, 所以 β >>1
β表示集电极无负载时，集电极电流与基极电流之比。 有时也用符号hFE表示。
基极电流具有非常重要的控制作用。在共基极电路中 是通过IE控制IC，而在共发射极电路中却是通过IB控制 IC 。为使β足够大，这两种电路都希望在同样的IE时， IB越小越好，但IB不能为零。
半导体器件物理 © Dr. B. Li
晶体管的特征频率
晶体管特征频率的测量一、 目的1、通过实验进一步了解特征频率f T 的物理意义并掌握其测量方法。
2、通过实验了解f T 随偏流、偏压的变化情况。
二、 原理晶体管有高频管和低频管之分，一般来说低频管只能用在3MC 以下的频率范围；而高频管则可以用到几十或者几百MC 的高频范围，有时称超过75MC 的管子为超高频晶体管。
如果使用频率超过了晶体管的频率范围，则晶体管的放大特性就显著地变坏，甚至无法使用。
晶体管放大特性的变坏，是由于讯号频率超过某一值以后，晶体管的电流放大系数开始下降而造成的。
晶体管的共射极电流放大系数β与信号频率f 间的关系为：βββf f j +=10（10-1）式中β0为低频是的电流放大系数，f β为共射极的截止频率（也就是共射极电流放大系数β下降到21β0或0.707β0的频率）。
图10-1画出了晶体管发射极电流放大系数β随频率的变化曲线。
由图可见，在频率比较低时，β基本不随频率变化，它的数值被定义为β0。
当频率比较高时，β值随频率f 升高而下降。
如果讯号频率超过发射极截止频率f β，晶体管的共射极β电流放大系数β就比低频时的β0小的多。
但是，f β并不是晶体管所能使用的最高频率，因为f β下的β值（即0.707β0）仍比1大的多，所以晶体管此时还是有电流放大作用的。
晶体管的实际使用频率可以比f β高。
由10-1式可见，当频率远大于f β(比如f>2f β就可以认为f>>f β)，时有f •β=f •β0=常数 (10-2)因为f T 是β等于1的f 值，因此上式中的常数就是f T 。
所以β•f=f T (10-3)比较确切地反映了晶体管的频率特性。
当频率低于f T 时，电流放大系数β>1，晶体管有电流放大作用；当f<f T ，β<1，没有电流放大作用，所以特征频率f T 是晶体管可以起电流放大作用的最高频率的限度，是共射极电路设计的一个重要依据。
功率晶体管
功率晶体管功率晶体管是一种高压、高电流、高功率的电子元件。
它是一种半导体器件，能够将小信号控制大电流，被广泛应用于各种电力电子设备中，如变频器、电源、电机驱动器等。
本文将从功率晶体管的原理、结构、工作特性以及应用领域等方面进行介绍。
一、功率晶体管的原理功率晶体管（Power MOSFET）是一种基于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的半导体器件。
与普通MOSFET相比，功率晶体管主要区别在于其耐压、耐电流、导通损耗等方面更为优越。
功率晶体管的核心部件是PN结，其结构如图1所示。
图1：功率晶体管结构示意图PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，它是功率晶体管的主要控制部件。
PN结的导通与截止是通过场效应晶体管的栅电压来控制的。
栅极上的正向偏置电压会使得栅源之间形成一个电场，这个电场会影响PN结的导通与截止。
当栅极电压为零或负电压时，PN结截止，功率晶体管处于关闭状态，不导电；当栅极电压为正电压时，PN结导通，功率晶体管处于导通状态，可以通过电流。
二、功率晶体管的结构功率晶体管的结构主要包括栅极、漏极、源极、衬底等部分。
其中，源极和漏极是功率晶体管的输出端和输入端，栅极则是功率晶体管的控制端。
衬底则是功率晶体管的基底，通常与源极相连，用于固定源极电位。
功率晶体管的结构示意图如图2所示。
图2：功率晶体管结构示意图三、功率晶体管的工作特性功率晶体管的工作特性主要包括导通电阻、开关速度、漏电流等。
其中，导通电阻是功率晶体管的重要指标，它决定了功率晶体管的导通损耗。
开关速度则决定了功率晶体管的开关频率，漏电流则影响功率晶体管的工作温度和可靠性。
1.导通电阻功率晶体管的导通电阻主要由PN结的电阻、漏极电阻和接触电阻等组成。
其中，PN结的电阻和漏极电阻是功率晶体管的主要导通电阻。
为了降低功率晶体管的导通电阻，可以采用优化材料、优化结构和优化工艺等措施。
2.开关速度功率晶体管的开关速度主要由栅电容、栅电阻、栅驱动电路等因素决定。
工程学概论半导体器件物理基础
三个区域： 饱和区 放大区 截止区 共发射极的直流特性曲线
1
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
2
共基极直流放大系数和交流放大系数0 、
3
两者的关系
4
共发射极直流放大系数交流放大系数0、
4.晶体管的特性参数
反向漏电流 Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流 Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流 Iceo：基极极开路时，收集极－发射极的反向漏电流
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202X
第四章 半导体器件物理基础
01
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体
02
载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子
03
能带、导带、价带、禁带
04
掺杂、施主、受主
05
输运、漂移、扩散、产生、复合
上一章课的主要内容
据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结 金属－半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格
N区
P区
空穴：
电子：
P区
N区
扩散
扩散
漂移
漂移
反向电流
反向偏置时的能带图
N区
P区
电子：
扩散
漂移
空穴：
P区
N区
扩散
漂移
反向电流
反向偏置时，漂移大于扩散
5.PN结的特性
单向导电性：
反向偏置
正向偏置
正向导通电压Vbi~0.7V(Si)
反向击穿电压Vrb 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
Cideal
Rp
晶体三极管及其基本放大电路解读PPT教案
Q IBQ
UBEQ
输 入 回 路 负 载线 ICQ
负载线
Q IBQ
UCEQ
第31页/共79页
2. 电压放大倍数的分析
uBE VBB uI iBRb 斜率不变
iC
IB IBQ iB
uI
uCE
给定uI
iB
iC
uCE (uO )
Au
uO uI
uO与uI反相，Au符号为“－”。
第32页/共79页
§4.2 放大电路的组成原 则
一、基本共射放大电路的工作原理 二、如何组成放大电路
第12页/共79页
一、基本共射放大电路的工 作原理
1. 电路的组成及各元件的作用
VBB、Rb：使UBE＞ Uon，且有 合适的IB。 VCC：使UCE≥UBE，同时作为 负载的能源。
Rc：将ΔiC转换成ΔuCE(uO) 。
因发射区多子浓度高使大量电子从发 射区扩散到基区
扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极 电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
第3页/共79页
电流分配：
IE＝IB＋IC
IE－扩散运动形成的电流
IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流
直流电流 放大系数
穿透电流
IC
IB
iC
iB
ICEO (1 )ICBO
为什么基极开路集电极回 路会有穿透电流？
交流电流放大系 数
集电结反向电流
第4页/共79页
三、晶体管的共射输入特性和输
1. 输入特性
出特性
iB f (uBE ) UCE
为什么像PN结的伏安特性？ 为什么UCE增大曲线右移？ 为什么UCE增大到一定值曲线 右移就不明显了？
晶体管简介及特性
晶体管简介及特性一、BJT的结构简介BJT又常称为晶体管，它的种类很多。
按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同，又可分成NPN型和PNP型等等。
但从它们的外形来看，BJT都有三个电极。
它是由两个 PN结的三层半导体制成的。
中间是一块很薄的P型半导体(几微米~几十微米)，两边各为一块N型半导体。
从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。
虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。
在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的大，这从图3.1也可看到，因此它们并不是对称的。
二、BJT的电流分配与放大作用1、BJT内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。
在外加电压的作用下， BJT内部载流子的传输过程为：（1）发射极注入电子由于发射结外加正向电压VEE，因此发射结的空间电荷区变窄，这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电流IE，其方向与电子流动方向相反。
（2）电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。
因此，电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。
电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。
这样就形成了基极电流IB，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。
也就是说，注基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。
所以为了减小复合，常把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能能到达集电结。
004-双极晶体管(2a1)--频率特性及开关特性
此时基区 的电流分布
xMC
IC
VCB
vcb t
P151
下x 页集电结渡越过程
ine xME
IE
i pe
xMC
IC
iCTe
VBE
vbe t IB
VCB
vcb t
交流电流通过Xmc时，不仅幅度衰减，而且产生相位延迟，
原因是：
电流通过空间电荷区时会对空间电荷区的分布产生影响； 当交变电流通过Xmc时，其分布便随时间而不断变化。
a、与发射结反向注入电流的复合； b、在基区输运过程中在基区体内的复合。 所以直流电流的传输过程也可以用下图简单描述:
对于交流小信号电流，其传输过程与直流情况又很 大不同见下页
我们将交流小信号电流的传输过程分为以下几个子 过程：
IE
IC
ICBO
IB
以上是我们对交流小信号电流在晶体管内传输过程的定性 分析，相比直流电流的传输，交流小信号电流在整个传输 过程中要多考虑以下四个问题：
成交流电子电流向集电极传输时比直流时多一部分损失。
所以此时发射机交流小信号电流由三部分组成：
定义交流发射效率为：
p151
显然，信号频率越高，结电容分流电流越大，交流发射效
率越低。
此外，由于电容充放电需要时间，从而使电流传输过程产
生延迟。
下页基区输运过程
ine xME
IE
i pe
iCTe
VBE
vbe t IB
所需的时间都很小，反向恢复时间 是影响开关速度的主要因素。
U1
T1
反向恢复过程的存在使二极管使用，因为如果反向脉冲的持续时
I1
tr
间比反向恢复时间短，则二极管在
57第4章_6外延结构BJT
半导体器件物理(1)4-3 BJT 的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. 外延结构晶体管早期的平面晶体管中，衬底材料同时起集电区的作用。
为了保证晶圆的强度，在工艺加工过程中不易破碎，衬底厚300μm 左右，而BJT 核心部分只在表面几μm 范围。
(1) 早期晶体管存在的频率-功率特性矛盾4-3 BJT 的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. 外延结构晶体管要增大BJT 输出功率，则电源电压较高，要求BJT 具有较高的击穿电压，这就要求提高ρc 。
由于采用低掺杂的衬底材料，则集电区串联电阻R C 偏大，导致特征频率f T 必然较低。
因此早期大功率晶体管只能工作于较低频率。
(1) 早期晶体管存在的频率-功率特性矛盾4-3 BJT 的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. 外延结构晶体管为了提高BJT 的f T ，要求减小集电区串联电阻R C ，为此要求降低集电区材料的电阻度ρc ，则BC 结击穿电压必然偏低。
因此早期高频晶体管的输出功率均较低。
很难实现同时具有高频、大功率性能的BJT 。
(1) 早期晶体管存在的频率-功率特性矛盾第4章BJT功率特性4-3 BJT的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通1. 外延结构晶体管(2) 外延晶体管结构如果采用低电阻率材料衬底，在衬底上采用外延技术生长一层电阻率较高的薄外延层，然后在外延层上制作晶体管，这就称为外延晶体管结构。
早期晶体管结构为而外延晶体管结构为半导体器件物理(I)4-3 BJT 的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. 外延结构晶体管高阻外延层作为集电区使得集电区掺杂浓度N C 较低，满足了对功率晶体管高击穿电压的要求；(3)外延结构晶体管的优点低电阻率的衬底则使得集电区掺杂浓度N C 较高，降低了集电区串联电阻R C ，满足了高频晶体管提高特征频率的要求。
晶体管的参数
晶体管的参数晶体管是一种常见的电子元器件，广泛应用于电子设备和电路中。
在电路设计和分析中，了解晶体管的参数是十分重要的。
本文将介绍晶体管的几个重要参数，包括增益、阈值电压、输出电阻和频率响应等。
1. 增益：晶体管的增益是指输入和输出信号之间的放大倍数。
以BJT晶体管为例，常用的增益参数有直流电流增益（hFE）和交流电流增益（hfe）。
直流电流增益表示输入电流与输出电流的比值，在常用的晶体管参数手册中一般给出一个范围值。
交流电流增益则表示在交流条件下输入电流与输出电流的比值。
2. 阈值电压：阈值电压是指在晶体管进行开关动作时所需要的输入电压。
对于MOSFET晶体管，阈值电压是控制沟道开启状态的关键参数。
当输入电压高于阈值电压时，晶体管会被打开，允许电流通过。
当输入电压低于阈值电压时，晶体管处于关闭状态。
3. 输出电阻：输出电阻是指晶体管的输出端对外部电路的阻抗。
输出电阻越大，对外部电路的影响越小。
输出电阻可以描述晶体管输出信号的稳定性和负载能力。
对于BJT晶体管，输出电阻是一个重要的参数，可以影响放大器的性能。
4. 频率响应：频率响应是指晶体管在不同频率下的输出特性。
晶体管作为放大器时，输出信号在不同频率下的增益可能会有所变化。
频率响应参数通常以增益-频率图（Bode图）的形式给出，可以帮助设计工程师了解晶体管在不同频率下的性能表现。
除了以上几个常见参数之外，晶体管的参数还包括输入电阻、输出电容和温度特性等。
输入电阻是指晶体管的输入端对外部电路的阻抗，它可以影响信号的输入效果。
输出电容是指晶体管的输出端与输入端之间存在的电容效应，它可能会影响电路的带宽和相应速度。
需要注意的是，晶体管的参数可能存在一定的变化和尺寸差异。
因此，在实际电路设计中，选型和匹配晶体管时要结合具体使用场景和需求，同时参考厂家提供的参数手册和数据表。
总结起来，晶体管的参数是电路设计与分析过程中不可忽视的一部分。
熟悉晶体管的参数可以帮助工程师更准确地选取合适的晶体管，并优化电路设计。
《半导体器件物理基础》复习要点V2.1Final
《半导体器件物理基础》复习要点授课教师：李洪涛编辑：徐驰第一章PN结载流子：N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
pn结：指半导体中p区和n区的交界面及两侧很薄的过渡区,由p区和n区共格相连而构成。
多子的扩散运动使空间电荷区变宽，少子的漂移运动使空间电荷区变窄，最终达到动态平衡，Ｉ扩＝Ｉ漂，空间电荷区的宽度达到稳定，即形成ＰＮ结。
突变结：由合金法、分子束外延法制得的pn结，在p区和n区内杂质分布均匀，而在交界面处杂质类型突变。
缓变结：由扩散法制得的p－n结，扩散杂质浓度由表面向内部沿扩散方向逐渐减小，交界面处杂质浓度是渐变的。
施主杂质浓度空间电荷区：ＰＮ结的内部由于正负电荷的相互吸引，使过剩电荷分布在交界面两侧一定的区域内。
电离施主与电离受主都固定在晶格结点上，因此称为“空间电荷区”。
空间电荷区电子浓度公式：n=n i exp((E f-E i)/KT)载流子在pn结区附近的分布：空间电荷区载流子浓度分布则如下图所示：用线性轴则如下图：结区电场、电位分布：耗尽区单位体积带电量相同。
势垒区内电场强度正比于Q1Q2/r2, 中心处电场最强。
所以就有了如下的电场强度分布和电位分布。
耗尽近似：空间电荷区只存在未被中和的带点离子，而不存在自由载流子，或者说自由载流子浓度已减小到耗尽程度，因此ＰＮ结又称为“耗尽层”。
耗尽区因无载流子，可忽略扩散和漂移的运动。
pn结能带图：接触电位差V D：pn结的内建电势差，大小等于空间电荷区靠近p区侧边界处电位与靠近n 区处电位之差。
n、p区掺杂浓度越大（或结区杂质浓度梯度越大）、材料禁带宽度越宽，温度越低，接触电势差越大。
PIN结构：在P区与N区中间加入一层本征半导体构造的晶体二极管。
高低结：n+-n或者p+-p结构的结。
同样有扩散和漂移的平衡，结区也有电场，但结区的载流子浓度介于两侧的浓度之间。
没有单向导电性。
4.1_MOS场效应晶体管的结构工作原理和输出特性
B
N沟道增强型MOSFET的符号如
左图所示。左面的一个衬底在内部与
S
源极相连，右面的一个没有连接，使
用时需要在外部连接。 动画2-3
4.1.2 N沟道增强型MOSFET的工作原理
对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行
讨论，一是栅源电压UGS对沟道会产生影响，二是漏源电压UDS也会对 沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。
3. N沟道增强型MOSFET的特性曲线
N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和漏
极输出特性曲线。
1．转移特性曲线 ID/ m A
N沟道增强型MOSFET的转移特 性曲线如左图所示，它是说明栅源电
U DS 10V
压UGS对漏极电流ID的控制关系，可
4
用这个关系式来表达，这条特性曲线
S iO 2
取一块P型半导体作为衬底，用 B表示。
用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜 绝缘层。
然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。
扩散两个高掺杂的N型区。从而 形成两个PN结。（绿色部分）
B
从N型区引出电极，一个是漏极
D，一个是源极S。
D
B
G
G
精选可编辑ppt
S
7
D
在源极和漏极之间的绝缘层上镀
一层金属铝作为栅极G。
⑥ 最大漏极功耗PDM
最大漏极功耗可由PDM= VDS ID决定，与双极型 三极管的PCM相当。
精选可编辑ppt
25
(2)场效应三极管的型号
场效应三极管的型号, 现行有两种命名方法。其一是与 双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代 表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反 型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如, 3DJ6D是结型N沟 道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三管。
半导体器件原理
B ln
k BT q WB N b (0) N b (Wb )
半导体器件
基区电子电流密度
基区杂质指数分布
n pb dNb dnpb J nB qDnb N dx dx b J nB d N b n pb N b qDnb dx
半导体器件
背靠背二极管
半导体器件
3.1.3 晶体管内载流子的传输及电流放大系数
I C IE
* *
J nC J nE JC 1 J nC J nE J nC J C J C J E J nE J nC J E
* *
J nE J nE 1 JE J nE J pE 1 J pE / J nE
0 ne 0 ne qVE / k BT
x x 1 1)1 L pe
半导体器件
集电区非平衡空穴分布
边界条件:
pnc ( x2 ) p e
0 qVC / k BT nc 0 pnc ( ) pnc
假设:
pnc ( L pc x2 ) 0 pnc ( x) pnc ( x) p p (e
M1 I C
BVCE 0 BVCB 0 (1 dc )
1/ m
BVCB 0 ( dc 1)1/ m
半导体器件
穿通电压VPT
基区穿通
双极晶体管在基极开路条件下工作，随着外
加VCE上升，未发生雪崩击穿而出现 集电极 电流急剧增加的现象
W0
V pT
半导体器件
e
b
半导体器件
c
3.1.2晶体管的放大作用
两个独立的PN结构成
晶体管的结构及性能
（一）晶体管的结构特性1．晶体管的结构晶体管内部由两PN结构成，其三个电极分别为集电极（用字母C或c表示），基极（用字母B或b表示）和发射极（用字母E或e表示）。
晶体管的两个PN结分别称为集电结（C、B极之间）和发射结（B、E极之间），发射结与集电结之间为基区。
根据结构不同，晶体管可分为PNP型和NPN型两类。
在电路图形符号上可以看出两种类型晶体管的发射极箭头（代表集电极电流的方向）不同。
PNP型晶体管的发射极箭头朝内，NPN型晶体管的发射极箭头朝外。
2．三极管各个电极的作用及电流分配晶体管三个电极的电极的作用如下：发射极（E极）用来发射电子；基极（B极）用来控制E极发射电子的数量；集电极（C极）用业收集电子。
晶体管的发射极电流IE与基极电流IB、集电极电流IC之间的关系如下：IE=IB+IC3．晶体管的工作条件晶体管属于电流控制型半导体器件，其放大特性主要是指电流放大能力。
所谓放大，是指当晶体管的基极电流发生变化时，其集电极电流将发生更大的变化或在晶体管具备了工作条件后，若从基极加入一个较小的信号，则其集电极将会输出一个较大的信号。
晶体管的基本工作条件是发射结（B、E极之间）要加上较低的正向电压（即正向偏置电压），集电结（B、C极之间）要加上较高的反向电压（即反向偏置电压）。
晶体管发射结的正向偏置电压约等于PN结电压，即硅管为0.6~0.7V，锗管为0.2~0.3V。
集电结的反向偏置电压视具体型号而定。
4．晶体管的工作状态晶体管有截止、导通和饱和三种状态。
在晶体管不具备工作条件时，它处截止状态，内阻很大，各极电流几乎为0。
当晶体管的发射结加下合适的正向偏置电压、集电结加上反向偏置电压时，晶体管导通，其内阻变小，各电极均有工作电流产生（IE=IB+IC）。
适当增大其发射结的正向偏置电压、使基极电流I B增大时，集电极电流IC和发射极电流IE也会随之增大。
当晶体管发射结的正向偏置电压增大至一定值（硅管等于或略高于0.7V，锗管等于或略高于0. 3V0时，晶体管将从导通放大状态进入饱和状态，此时集电极电流IC将处于较大的恒定状态，且已不受基极电流IB控制。
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第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
● —— 本章重点
晶体管的频率特性 晶体管的功率增益和最高振荡频率 晶体管的大电流特性 晶体管的二次击穿 晶体管的安全工作区
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
在交流工作状态下，P-N结的电容效应 将对晶体管的工作特性产生影响。
当频率升高时，晶体管的放大特性要 发生变化，使晶体管的放大能力下降。
当晶体管的放大能力下降到一定程度 时，就无法使用，这就表明晶体管的使用 频率有一个极限。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
主要的高频参数
• 截止频率 • 特征频率 • 高频功率增益 • 最高振荡频率
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
4.1 晶体管的频率特性
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
f α截止频率 （共基极截止频率）
f 表示共基极短路电流放大系数的幅
值|α|下降到低频值α0的1/ 时2 的频率。
f 反映了电流放大系数β的幅值
|β|随频率上升而下降的快慢， 但并不是晶体管电流放大的频率极限。 晶体管电流放大的频率极限是后面将要 讲到的特征频率。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
特征频率 fT
f T 表示共射短路电流放大系数的幅值
下降到|β|=1时的频率。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
集电结空间电荷区输运系数
到达集电结边界的电子电流inc(0)，通过集电 结空间电荷区时需要一定的传输时间；耗尽层中
产生位移电流用于维持空间电荷区边界的变化，
使到达集电区边界的电子电流减少到inc(xm) 。
d
inc (xm ) inc (0)
频率越高，位移电流越大，使βd随着频率增
高而下降。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
集电结势垒电容分流电流iCTc
到达集电区的交变电子电流，在通 过集电区时 ，还需要用一部分电子电流 对集电结势垒电容充放电，形成势垒电 容的分流电流iCTc ，真正到达集电极的 电子电流只有incc
它是晶体管在共射运用中具有电流放大 作用的频率极限。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
从图可以看出，上述几个频率参数间有如下关系
f fT f
且 f T 很接近 f 当工作频率满足 f f f 关系时，
|β|随频率的增加，按-6dB/倍频的速度下降。
第四章晶体管频率特性与功率特性
所以，交流发射效率γ随频率的升高而
下降。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
扩散电容分流电流iCDe
在交流状态下，注入基区的少子浓度和基 区积累电荷将随着结压降的变化而变化。因此， 注入基区的少数载流子，一部分消耗于基区复 合，形成复合电流iVR外，还有一部分将消耗于 对扩散电容充放电，产生扩散电容分流电流 iCDe，真正到达基区集电结边界的电子电流只 有inc(0)。
ine iCD ie V Rin(c 0 )
第四章晶体管频率特性与功率特性
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第四章 晶体管的频率特性和功率特性
交流基区输运系数
* inc(0)1iVRiCDe
ine
ine
频率越高，分流电流iCDe越大，到达 集电结的电子电流inc(0)越小
所以，基区输运系数β*也随着频率的
升高而下降。
2. 共基极交流短路电流放大系数的 定量分析（略）
3. 共基极交流短路电流放大系数α
和截止频率 f
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
定性分析
共基极交流短路电流放大系数定义为输出
交流短路时，集电极输出交流电流ic与发射极 输入交流电流ie之比，并用α表示。（交流信号 用小写字母表示。）
所以高频时发射极电流为
ie ineipeiCTe
ine 发射结注入基区交流电子电流 ipe 发射结反注入空穴电流（基区注入发射结的空穴电流）
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
交流发射效率
ine 1ipeiCT e
ie
ie
频率增高，结电容分流电流iCTe增大， 导致交流发射效率γ下降。
即 f = f 时，|α|=α0/ 。2
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
β截止频率 f
f 表示共发射极短路电流放大系数的
幅值|β|下降到低频值β0的1/ 时2 的频率。
即
=
fห้องสมุดไป่ตู้
f
时，|β|=β0/
2
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半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
最高振荡频率 f m
f m 表示最佳功率增益等于1时的频率。
晶体管具有功率增益的频率极限。
当 f fm 时，晶体管停止振荡。
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第四章 晶体管的频率特性和功率特性
共基极短路电流放大系数与频率的关系
1. 共基极交流短路电流放大系数的 定性分析
ic
i e v BC0 0
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第四章 晶体管的频率特性和功率特性
发射结势垒电容分流电流iCTe
当发射极输入一交变信号时，发射结空间电荷区宽度 将随着交变信号变化，因而需要一部分电子电流对发射结 势垒电容进行充放电。（有一部分电子电流被势垒电容分 流，形成分流电流iCTe）
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
第4 章
晶体管的频率特性与功率特性
4.1 晶体管的频率特性 4.2 高频等效电路 4.3 高频功率增益和最高振荡频率 4.4 晶体管的大电流特性 4.5 晶体管的最大耗散功率PCmT 4.6 功率晶体管的二次击穿和安全工作区 4.7 高频大功率晶体管的图形结构
inc(xm)=incc+iCTc
第四章晶体管频率特性与功率特性
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