第二章双极型晶体管

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。
◆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
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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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。
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
▲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
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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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 。
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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
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
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
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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
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
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。
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
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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
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
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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电压。
▲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
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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
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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
晶体管的基本形式可分为PNP型和NPN型两种。
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基极：Base；集电极：Collector；发射极：Emitter。
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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。