第二章双极型晶体管

n：常数
BVCEO
BVCBO
n 1
集电结低掺杂区为N型时， 硅管n=4，锗管n=3
集电结低掺杂区为P型时， 硅管n=2，锗管n=6
因为β大于1，所以， BVCEO< BVCBO。
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BVCEO测试的电路图
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测试时经常可以看到如图所示的负阻击穿现象。 （当VC达到BVCEO时发生击穿，击穿后电流上升，电压
▲晶体管的击穿电压是晶体管的
另一个重要参数
▲晶体管承受电压的上限
▲击穿电压有
BVEBO BVCBO BVCEO
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BVEBO和BVCBO
BVEBO：集电极开路时，发射极与基极间的 击穿电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。
对于平面管，由于发射结由两次扩散 形成，在表面处结两边杂质浓度最高，因而 雪崩击穿电压在结侧面最低，BVEBO由基区 扩有散 几层 伏表 。面杂质浓度NBs决定，所以BVEBO只
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• 精神的精髓: BE 之间的电压决定了BE之 间的电流,但是BE之间的电流绝大部分都 漏到了C那里去了,漏的和不漏的成比例, 所以有电流放大作用
• 问题：为什么两个二极管不能实现放大? • 猜想：什么能影响放大倍数？
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• 从PN节电流公式出发:
其结构是一个NPN 型的三层式结构，上面 的N+区是发射区，中间 的P区是基区，底下的 N区是集电区。
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平面晶体管的发 射区和基区是用杂质 扩散的方法制造得到 的，所以在平面管的 三层结构即三个区域 的杂质分布是不均匀 的。
其杂质分布可根 据扩散工艺推算出来， 如图所示。
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Wb
2 0VBC
qNB
3.晶体管的开关特性
• 晶体管的开关特性包括：静态特性和动 态特性
• 静态特性：晶体管处于开态或关态时端 电流电压之间关系
• 动态特性：晶体管在开态和关态之间转 换时，端电流电压随时间变化的特性
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晶体管的开关特性
RB
Vi VBB
RL VCC
晶体管开关电路原理图
WB
DnB NE LpE
载流子在基区渡越:基区输运系数β0*
0*
11(WB )2 2 LnB
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计算题
• 已知一个晶体管的发射效率有99%，而 基区输运系数为98%，求该晶体管的共 发射极放大倍数，共基极放大倍数。
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• 关于放大倍数影响因素的讨论： p129-139 设计晶体管重要考虑，课程重要要求 1.发射结电子空穴复合以及发射极重掺杂 2.基区变宽效应
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BVCBO ：发射极开路时，集电极与基极间的 击穿电压，一般为集电结的雪崩击穿Leabharlann Baidu压。
▲硬击穿（图中曲线甲）： BVCBO：集电结的雪崩
击穿电压VB ▲软击穿（图中曲线乙）：
BVCBO比VB低
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BVCEO
BVCEO 基极开路时，集电极与发射极 之间的击穿电压。
BVCEO与BVCBO之间满足以下关系
q
ALppD E E pE0(eq
V E/k
T1)
ICq
AnD B nB0 WB
q
A 2BBW nB0(eq
V E/k
T1)q
AnD B nB0 WB
q
L D ppCpCC0(eq
V C/k
T1)
IBICIE
基耳霍夫
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晶体管的发射效率γ
I nE IE
注入基区的电子电流 与发射极电流的比值
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晶体管的开关特性
RB
Vi VBB
RL VCC
晶体管开关电路原理图
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VB(t)
t0
IB IB1 IB2 t0
晶体管的开关过程
IC
t
ICS
0.9ICS
0.1ICS
t0 t1 t2 t3
t4 t5
t
td tr
ts tf
t
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晶体管的开关过程和开关时间
1 延迟过程和延迟时间 2 t0时刻，正脉冲信号到来，IB流入基极，但
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2.1晶体管的放大原理
• 扩散长度的含义： 超量载流子浓度下降到0时候的扩散
距离 • PN结扩散与复合的关系：
边扩散变复合，形成稳定的浓度梯 度，最后少子浓度下降到0，扩散流完全 转化为漂移流
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• 理解PN节电流公式:
II0(eq kT U 1 )A(p n q P i2 0 D L n nn n N i2 0 D L p p)e(q kT U 1 )
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晶体管的开关特性
IC/mA
饱和区
共射
VCC/RL
8
6
负载线
4
2
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02
截止区
IB=50uA 40uA
30uA
20uA
10uA
0uA
VCC
VCE/V
晶体管的开关特性
开关晶体管工作在饱和区和截止区 理想的晶体管开关： • 反向漏电流越小越好 • 饱和压降VCES越小越好 • 从一种状态转变到另一种状态时间越小越好 • 截止时可承受高反向电压 • 导通时可承受大导通电流
基区输运系数 β*
0*
IC I nE
到达集电结的电子电流 与进入基区的电子电流之比
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晶体管的共基极直流增益
0
IC IE
0 0*
晶体管的共发射极直流增益
0
IC IB
0 10
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对于平面晶体管
载流子传输过程:
载流子从发射区到基区:发射效率Ƴ0
0
1
DpE
1 NB
却反而降低。）
谷值电压VSUS
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基区穿通电压
• 由于PN结空间电荷区宽度随着 电压增加而会发生改变，所以当 PN结空间电荷区宽度达到了和 基区一样宽的时候，基区发生穿 通效应。发生穿通以后，晶体管 就不能再工作了，这也是限制晶 体管工作的重要条件。
W
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w
2 0V
qN
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ICEO
基极开路（IB=0）时， 集电极-发射极之间反向电流
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ICEO 1IC BO(1)ICBO
β：共射极电流放大系数 说明
▲要减小ICEO，必须减小ICBO。 ▲电流放大系数β不要追求过高
（因为ICEO太大，会影响晶体管工作的稳 定性）
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晶体管的击穿电压
qD pp e0 ne Lpe
γI ：晶体管反向工作时的发射效率
◆硅晶体管的IEBO完全与ICBO类似
IEBOAq2ni xmE XmE:发射结势垒区宽度
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注意
晶体管的反向扩散电流和势垒区的产 生电流是很小的。
引起反向电流过大的原因往往是表面 漏电流太大。
因此，在生产过程中，搞好表面清洁 处理及工艺规范是减小反向电流的关键。
合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似 为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个P-N结都是 突变结。
合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到10微 米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。
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平面管
在高浓度的N+衬 底上，生长一层N型的 外延层，再在外延层上 用硼扩散制作P区，后 在P区上用磷扩散形成 一个N+区。
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共射极输入特性曲线
在输出电压 VCE一定时，输 入端电流IB与输 入端电压VBE的 关系曲线，即 IB～VBE曲线。
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共基极输出特性曲线
何时饱 和?
输出端电流随 输出电压变化 的关系曲线， 即IC～VCB关系 曲线。
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共射极输出特性曲线
IC～VCE关系曲线
◆硅晶体管的反向电流：势垒区的产生电流（因为势垒区 的产生电流是由势垒区中的复合中心提供的）多子电流
I Aq2n x CBO
i mC XmC：集电结势垒区宽度
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IEBO
集电极开路（IC=0）时， 发射极-基极的反向电流
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◆锗晶体管
IEB OAqW D nb n b0 pb1I
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ICBO
当发射极开路（IE=0）时， 集电极-基极的反向电流
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反向电流＝少子电流＋多子电流 +杂质电流
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◆锗晶体管的反向电流：反向扩散电流（少子电流）
ICBOAqW D nb n b0 pb1
qD pp c0 nc Lpc
γ：晶体管的 发射效率
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讨论主题：
• 1.晶体管结构与分类 • 2.晶体管的直流特性
2.1晶体管的放大原理 2.2晶体管的直流电路 2.3晶体管的反偏特性 • 3.晶体管的开关特性 • 4.晶体管的设计
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1.晶体管结构与分类
晶体管（半导体三极管）是由两个P-N结构成 的三端器件。由于两个P-N结靠得很近，其具有放 大电信号的能力，因此在电子电路中获得了比半导 体二极管更广泛的应用。（半导体二极管由一个PN结构成，利用P-N结的单向导电性，二极管在整 流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在P-N 结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构、放大作 用以及其他一些特性，如反向电流、击穿电压、基 极电阻等。
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0
1
DpE
1 NB
WB
DnB NE LpE
0*
11(WB )2 2 LnB
NE NB W B
温度增高—放大倍数增加 基区宽边效应—放大倍数增加
过分增加发射区浓度—放大 倍数减小
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2.2晶体管的直流电路
• ＮＰＮ晶体管是电子传输过程
电子流
空穴流
InE IpE
N
VE
InC
IC
IvB IpCO
InCO
P
N
IB
VC
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共射： RB
Vi VBB
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RL VCC
共基： IE RE
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IC RL
• 放大倍数与特征曲线： 输入特性／输出特性
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共基极输入特性曲线
输出电压VCB一 定时，输入电流与 输入电压的关系曲 线，即IE～VBE关系 曲线。
小结
晶体管的基区杂质分布有两种形式：
●均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管。均 匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散 进行，故又称为扩散型晶体管。
●基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶 体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基 区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以 漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。
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晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低 频管和高频管，小功率管和大功率管，高反压管和开 关管等等。
但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的， 分别称为发射结和集电结的P-N结组成。
两个P-N结将晶体管划分为三个区：发射区、基 区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、 基极和集电极，用符号E、B、C（e、b、c）表示。
II0(eq kT U 1 )A(p n q P i2 0 D L n nn n N i2 0D L p p)e(q kT U 1 )
但是，如果基区很小，则载流子不 用一个扩散长度就恢复到零，而是用一个 基区的宽度就恢复成零L->W
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对于平面晶体管 代入ＰＮ结电流公式
IEq
AnD B nB0 WB
IC仍为零，因为发射结反偏无注入电流。空穴、 电子分别给发射结充电，使发射结势垒区宽度变 窄，由反偏逐渐变为正偏，发射结开始有注入电 流， IC逐渐增大 IB=(Vi-VBB)/RL 3 IB作用：给发射结充电；给集电结充电；基 区一定的空穴积累；维持空穴积累的复合损失 4 延迟过程所对应的时间——延迟时间td 5 延迟过程中晶体管从截止到微导通
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晶体管的开关过程和开关时间
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2.3晶体管的反偏特性
• 晶体管的反向电流是晶体管的重要参数 之一，它包括ICBO，IEBO和ICEO 。
• 反向电流过大的危害： 降低成品率 （反向电流不受输入电
流控制，对放大作用无贡献，而且消耗 电源功率使晶体管发热，影响晶体管工 作的稳定性，甚至烧毁 ）
所以，希望反向电流越小越好 。
晶体管的基本形式可分为PNP型和NPN型两种。
2020/5/26
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基极：Base；集电极：Collector；发射极：Emitter。
2020/5/26
2020/5/26
合金管
合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在N型 锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热 形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶 解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含 大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成PNP结构，如 图所示。图中Wb为基区宽度，Xje和Xjc分别为发射结和 集电结的结深。