第12章 双极晶体管

饱和区
放大区
截止区
Biblioteka Baidu
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12.1双极晶体管的工作原理 12.1.4放大电路

共射放大电路

放大电路波形
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12.2 少子的分布
晶体管中的电流是由少子的扩散决定的，少子的扩散是由少子的梯度产生 ，因而计算晶体管中的电流，须确定晶体管中三个区中少子的分布。
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12.2少子的分布
12.2.1正向有源模式
8
12.1双极晶体管的工作原理

基本工作原理
杂质浓度
9
回顾8.1 pn结电流
定性描述
10
•正向有源模式
虚实线表示 的意义
11
12.1双极晶体管的工作原理

截面图：注入和收集
12
12.1双极晶体管的工作原理12.1.2晶体管电流的简化表达式

简化电流
iE1
电子(E-B)
iE1
iE 2
空穴(B-E)
双极晶体管（BJT）

双极晶体管器件中包含电子和空穴两种极性不同的
载流子；

双极晶体管中少子的分布是器件物理的重要部分— 少子浓度梯度产生扩散电流；

双极晶体管是一个电压控制电流源。
12.1双极晶体管的工作原理

结构和符号—三个区域、三个电极、二个pn结
箭号表是电流方向
1、相对于少子扩散长度，基区的宽度很小； 2、（++）号表是非常重掺杂，（+）表是中等程度掺杂； 3、发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低。 4、Emitter(发射极), Base(基极), Collector(集电极)
xE LE
为使γ≈1对各 参数应如何要 求？
VBE kT / e
xB LB
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12.3低频共基极电流增益
J 基区输运系数 T nC J nE
J nC eDB J nE eDB d ( nB ( x )) dx d ( nB ( x )) dx
x xB
x 0
压，忽略Vbi，得:
eWB2 N B ( NC N B ) Vpt 2 NC
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12.5等效电路模型

双极晶体管在电子电路中的应用总体可分两大类：开关器件 和放大器件。

开关：通常是指把一个晶体管从它的关态或是截止态转变为
开态，也就是正向有源或是饱合,然后再回到截止态。

放大：是把正弦信号叠加在直流之上，只在偏臵电压或电流 附近做微扰。
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12. 4非理想效应

12.4.5基区非均匀掺杂的影响
非均匀掺杂：杂质浓度梯度导致静电场，改变少子分布.
基区中非均匀 掺杂感生出的静电 场，会对电子在向 集电区的方向上产 生推动作用，也即 帮助少子越过基区 。该静电场称为加 速场。 这使得注入到 基区的电子进一步 加速通过基区，降 低了在基区与空穴 的复合率，从而比 理想情况下，增大 了电流增益。
eVBE J R J r 0 exp( ) 2kT eDB nB 0 eVBE J nE J s 0 exp( ) J s0 kT LB tanh( xB / LB )

1 J eVBE 1 r 0 exp( ) J s0 2kT
复合系数是B-E结电压的函数， 随B-E结电压的增加，复合电流 所占的比例更小，复合系数接近 于 1。
这些电流对电流增 益没有贡献。
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12.3低频共基极电流增益

直流共基极电流增益：
若集电结和发射结横截面积一样 ，则有：
小信号共基极电流增益定义： JG，Jpc0仅是B-C结电流，不是 JE的函数
发射极注入效 率系数
基区输运系数
复合系数
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12.3低频共基极电流增益
发射极注入效率系数
J nE J nE J pE
12.3.2
J pE J nE

1
d ( pE ( x ' )) eDE dx ' d ( nB ( x )) eDB dx
1
x' 0
x 0
pE 0 DE LB tanh( xB / LB ) nB 0 DB LE tanh( xE / LE )

1 N D x 1 B E B N E DB xE
共基极电流增益<1
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12.1双极晶体管的工作原理
基极电流

也正比于
共发射极电流增益>>1
16
12.1双极晶体管的工作原理

12.1.3工作模式
工作模式
当VBE≤0，B-C结反偏，IC=0，晶体管处于截止区 当基极电流变化时，集电极电流没有变化，处于饱和区 当IC=βIB时，晶体管处于正向有源区
发射区掺杂浓度很高时 ，由于禁带变窄效应，会使 电流增益比理想状况下小。
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12.4非理想效应

12.4.4电流集边效应
电流集边效应：导致局部过热或局部大注入
电势从发射极边缘向中心减小，有较多的电子从发射极边缘注入，从而使发射极 电流集中在边缘；发射区边缘的电流密度较大，会导致局部过热，也会导致局部的大 注入。
晶体管是多功能的半导体器件，能过和其他电子无件的互连 ，可以用来放大电流、放大电压和放大功率；

晶体管是有源器件，二极管是无源器件; 晶体管的基本工作原理：在器件的两个端点之间施加电压， 从而控制第三端的电流;

晶体管类型有三种：双极晶体管(BJT)、金属-氧化物-半导体
场效应管(MOSFET)和结型场效应晶体管(JFET)。

E-M(Ebers-Moll)模型应用于开关电路中； H-P(Hybird-Pi)模型应用于放大电路中。
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12.5等效电路模型

E-M模型：两个pn结相互作用，多用于开关电路。
αF是晶体管工作于正向有源区时的共基极电流增益； IES是反偏B-E结电流；
ICS是反偏听偏信B-C结电流；
αR是晶体管工作于反向源区时的共基极电流增益。
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12. 4非理想效应
发射区禁带变窄 发射区热平衡少子浓度PＥ0 增加 2 Eg niE ni2 PE 0 exp NE NE kT 发射区注入效率降低

12.4.3发射区禁带变窄

1 P D L t anh( xB / LB ) 1 E0 E B nB 0 DB LE t anh( xE / LE )
单独考虑发射区x′、基区x 、或集电区时x′′，把起始点移到空 间电荷区的边界。
假定：发射区和集电区比较长，基区相对于少子扩散长度则较窄。
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12.2少子的分布

12.2.1正向有源模式
非平衡少子的浓度
假定：发射区和集电区比 较长，基区相对于少子扩 散长度则较窄。
发射区： 基 区：
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集电区：
截止
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12.3低频共基极电流增益
共发射极电流增益 共基极电流增益
12.3.3
输出与输入的比值
对直流分析和小信 号均成立 是增函数？
IC I B IC I E
I E I B IC
30
31
12.4 非理想效应

基区宽度调制效应：厄尔利（Early厄利）效应
随B-C结反偏电压的增加，B-C结空间电荷区宽度增加，基区宽度减小，使 得少子浓度梯度增加，这种效应称为基区宽度调制效应（基区宽变效应）。
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12.4 非理想效应

12.4.6击穿电压
击穿电压：穿通击穿（距离太近）和雪崩击穿（较远）
穿通：随反偏B-C结电压的增加， B-C结空间电荷区宽度扩展到B区中 性区中。B-C结耗尽区穿透基区到 达B-E结，即与发射结势垒区相连 ，这种现象称为穿通。
40
12.4 非理想效应
12.4.6击穿电压

基区宽度调制效应
基区宽度的减小，导致如下系数的增大：
12.4非理想效应

12.4.2
大注入效应
随VBE的增加，注入的少子浓 度开始接近，甚至变得比多 子浓度还要大。
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12. 4非理想效应

大注入效应一：发射极注入效率降低，JpE增加； 与pn结二极管中的串 大注入效应二：集电极电流增速变小； 联电阻类似。
正偏电流
复合电流
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12.1双极晶体管的工作原理

集电极电流
扩散电流
ABE为B-E结横截面积；nB0为基区内热平衡电子浓度；Vt为热电压。 只考虑大小： 集电极电流由基极和发射极之间的电压控制，即器件一端的 14 电流由加到另外两端的电压控制。
12.1双极晶体管的 工作原理

发射极电流
恒流源
IC、IE均正比于VBE/Vt，因此电流之比 为常数。
正向有源 （放大）
12.2少子的分布 12.2.2

反向有源 饱和
其他工作模式：截止和饱和时的少子分布
每个空间电荷区的边 界，少子浓度为零。
每个空间电荷区的边界存在过 剩少子，集电极存在电流。22
12.2少子的分布 12.2.2

其他工作模式：反向有源区
B-C结面积比B-E结面积大得多，因此不是所有电子都能被子发射极收集 。因而正向有源模式和反向有源模式的特性有很大不同。
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12.4 非理想效应

基区宽度调制效应
厄利电压：集电极电流特性曲线反向延长线使集电极电流为零，则曲 线与电压轴相交于一点，该点定义为厄利电压。
dI C IC g0 dVCE VCE VA
g0为输出电导。
Early电压典型值在100-300V之间。
P365例12.5
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12.4 非理想效应
5
12.1双极晶体管的工作原理

剖面图
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12.1双极晶体管的工作原理

四种工作模式VBE、VCB 正反、反反、反正、正正
截止 正向有源（ 放大）
IE
VEC
IC
反向有源 饱和
VBE IE=IC+IB
IB
VCB
VEC=VEB+VBC=-VBE-VCB
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三极管的三种连接方式




三极管在电路中的连接方式有三种： ①共基极接法； ②共发射极接法， ③共集电极接法。 共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公 共端。 必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的 电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。 即必须给发射结加正向偏臵电压，发射区才能起到向 基区注入载流子的作用； 必须给集电结加反向偏臵电压（一般几～几十伏）， 在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基 区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集 电区起到收集载流子的作用。
1 2 ec
12.6频率上限
电流增益是频率的函数，共发射极电流增益：
f 称为截止频率
0 1 1 j f f
共发射极电流增益的幅值 下降到其低频值的 1/ 2 时 的频率
0
f 1 j f
0
T
截止频率与截止频率的 关系 f
1 1 T 1 ( xB / LB ) 2 cosh( xB / LB ) 2
VBE kT / e xB LB
为使α≈1对各 参数应如何要 求？
泰勒级数展开
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12.3低频共基极电流增益
复合系数

J nE J pE J nE J R J pE
J nE J nE J R
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12. 5等效电路模型

H-P模型
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12. 5等效电路模型

H-P模型，多应用于放大电路。
厄尔利效应电阻
集电极电流
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12.6频率上限

延时因子
双极晶体管是一种时间度越器件；随着频率的增加，度 越时间变得可以和输入信号的周期差不多，此时，输出信号 不再和输入信号同相，电流增益的幅度将会下降。
发射区到集电区的总延时：
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12.6频率上限
电流增益是频率的函数，共基极电流增益：
0
1 j f f
0是低频共基极电流增益 ，f 定义为 截止频率 f
| | f 1 f
1 2 ec
当信号频率等于 截止频率时， 共发射极电流增益等于 1
fT
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12.3低频共基极电流增益—集电极电流与发射极电流之比

电流成分---粒子流
正偏电子流
反偏产生电流 正偏空穴流 基区复合电流 正偏复合电流 反向饱电流
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12.3低频共基极电流增益

电流成分
电流JRB，JPE和JR仅 是B-E结电流，对 集电极电流没有贡 献； 电流Jpco，JG仅是 B-C结电流；
WB为基区的（冶金）宽度，xdB是B-C结延伸进基区中的空间电荷区宽度， 若忽略B-E结在零偏或正偏时的空间电荷的宽度，
则当xdB = WB时，会出现穿通：
xdB 2 (Vbi V pt ) N C 2 1 WB e N B NC N B
1
Vpt是穿通时B-C结的反偏电
第十二章 双极晶体管
2015年12月4日
第10章双极晶体管


10.1双极晶体管的工作原理 10.2少子的分布 10.3低频共基极电流增益 10.4非理想效应 10.5等效电路模型 10.6频率上限 10.7大信号开关
双极IC中，npn型管的特性优于pnp型管。
2
晶体管概况