第3章_双极结型晶体管综述
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第三章 BJT双极型晶体管
第三章 双极型晶体管
中国计量学院光电学院
晶体管——transistor 它是转换电阻transfer resistor的缩写 晶体管就是一个多重结的半导体器件 通常晶体管会与其他电路器件整合在一起， 以获得电压、电流或是信号功率增益
双极型晶体管（bipolar transistor）
IC 0 I E ICBO
(10)
理想BJT的静态特性
何谓静态？
静态电流 电压特性 各端点的电流方程式
五点假设
意味什么？
（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向 饱和电流可以忽略； （3）载流子注入属于小注入； （4）耗尽区中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。 用途：为推导理想晶体管电流、电压表达 式做准备！
从这个方程中可以看出，少数载流子分布趋近于一条直线。
那么整体PNP晶体管在放大模式下的少子分布究竟如何呢？
类似于基区的求解，可以求出发射区和集电区中的少子分布。
发射区和集电区中性区域的边界条件为：
nE ( x xE ) nE 0 e q VCB nC ( x xC ) nC 0 e
注意
载流子浓度 exp[(载流子能量) / kT ]
qVbi nn 0 n p 0 exp( ) kT qVbi p p 0 pn 0 exp( ) kT
热平衡时的PN结载流子浓度
基本上，假设在正向偏压的状况下，空穴由 发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的 方式穿过基区到达集基结，一旦我们确定了 少数载流子的分布（即N区中的空穴），就 可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。
基区输运 系数
发射效率
中国计量学院光电学院
晶体管——transistor 它是转换电阻transfer resistor的缩写 晶体管就是一个多重结的半导体器件 通常晶体管会与其他电路器件整合在一起， 以获得电压、电流或是信号功率增益
双极型晶体管（bipolar transistor）
IC 0 I E ICBO
(10)
理想BJT的静态特性
何谓静态？
静态电流 电压特性 各端点的电流方程式
五点假设
意味什么？
（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向 饱和电流可以忽略； （3）载流子注入属于小注入； （4）耗尽区中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。 用途：为推导理想晶体管电流、电压表达 式做准备！
从这个方程中可以看出，少数载流子分布趋近于一条直线。
那么整体PNP晶体管在放大模式下的少子分布究竟如何呢？
类似于基区的求解，可以求出发射区和集电区中的少子分布。
发射区和集电区中性区域的边界条件为：
nE ( x xE ) nE 0 e q VCB nC ( x xC ) nC 0 e
注意
载流子浓度 exp[(载流子能量) / kT ]
qVbi nn 0 n p 0 exp( ) kT qVbi p p 0 pn 0 exp( ) kT
热平衡时的PN结载流子浓度
基本上，假设在正向偏压的状况下，空穴由 发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的 方式穿过基区到达集基结，一旦我们确定了 少数载流子的分布（即N区中的空穴），就 可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。
基区输运 系数
发射效率
第三章双极型晶体管
ICn
电子电流 电子流
上式等号右边第一项称为
发射效率，是入射空穴电
流与总发射极电流的比，
即：
I E•
I Ep IE
I Ep I Ep＋I En
第二项称为基区输运系数，
是到达集电极的空穴电流量
与由发射极入射的空穴电流
量的比，即
T
I Cp I Ep
所以 0＝T
发射区 (P )
}I EP
I En
基区 (n) I BB
(d)n-p-n双级型集体管的电路符号
图 4.2
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
-B-
VCB
(a)理想一维p-n-p双级型集体管
IE E
+
+ VEC - IC - C
VEB
VBC
- + IB
B
(b)p-n-p双级型集体管的电路符号
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++ B
I En I BB
I B I E IC I En (I EpICp ) ICn
晶体管中有一项重要的参数
，称为共基电流增益，定义
为
0
I Cp IE
IB
空穴电流 和空穴流
图4.5
因此，得到
＝
0
I
I Cp Ep＋I
En
＝
I Ep I Ep＋I En
I Cp I Ep
}
集电区(P)
第三章 双极晶体管
I CE 0
I CB 0
BVCE0 BVCB0 V
ICE0 1M MICB0
BV CE 0n1IC B 0InCB 0
3.5 等效电路模型 3.5.1 Ebers-Moll模型
（1）两个pn结的耦合电流
E
N
P
N
IF
F IF
C
I E RIR
IR
IC
VBE VBC
B IB
（2）E-M等效电路模型
E
iE RE
B
N++ P+
N
VBE VCB
C
iC RC
VBB
VCC
发射区 -n-
pn (x') pn0
基区 -pn p (x)
n p0
集电区 -n-
pn0 pn (x'')
E(n) B(p) C(n)
Ec
EF
EFi
Ev
平衡态
Ec e
E FE eV BE
EFB
Ev
eV BC
Ec E FC
Ev
正向有源
B
e
①
C
V CB
E ②
Ec
EF
B
e
①
Ev
C
V CE
EN
P
NC
I CB 0
B
EN
I CE 0
P
I CB 0 N C
ICE 0
B
VCB
VCE
3.4.6 晶体管的击穿
（2）雪崩击穿
I-V 特性曲线:
电流和电压增益:
IC
基极 发射极 悬空 悬空
IC0E IC0EIC0B
第三章-双极型晶体管的频率特性
p
ic
Ic/mA
10
I B 25A
负载线
频率响应
~ VEB
8
ic
~ ic
20
iB
~ iB
iB
n
6
4
工作点
15 10
前面讨论的是晶体管的静态特性 ( 直流 特性 ) ，没有涉及其交流特性，也就是 当一小信号重叠在直流值上的情况。小 信号意指交流电压和电流的峰值小于直 i 流的电压、电流值。 高频等效电路： 图 (a) 是以共射组态晶 p 体管所构成的放大器电路，在固定的 i n 直流输入电压 VEB 下，将会有直流基 p 极电流 IB 和直流集电极电流 IC 流过晶 V~ i 体管，这些电流代表图(b)中的工作点， V V 由供应电压 VCC 以及负载电阻 RL所决 定出的负载线，将以一 1/RL的斜率与 (a)连接成共射组态的双极晶体管 VCE轴相交于VCC。
fT 10
8
f 10
9
1010
频率 / Hz
另外，一截止频率fT(又称特征频率)定义为β的绝对值变为1时的频率， 将前式等号右边的值定为1，可得出
2 f 1 f ( 1 ) f f T 0 0 0 0
因此fT很接近但稍小于 f。
双极型晶体管的频率特性
c
Ic/ A
B
负载线
c
B
B
c
C
B
B
工作点
EB
输出电流
E
EB
CC
EC
CC
(a)连接成共射组态的双极晶体管
（b）晶体管电路的小信号工作状态
B
B
C ~ V
E B
C ~ V
ic
Ic/mA
10
I B 25A
负载线
频率响应
~ VEB
8
ic
~ ic
20
iB
~ iB
iB
n
6
4
工作点
15 10
前面讨论的是晶体管的静态特性 ( 直流 特性 ) ，没有涉及其交流特性，也就是 当一小信号重叠在直流值上的情况。小 信号意指交流电压和电流的峰值小于直 i 流的电压、电流值。 高频等效电路： 图 (a) 是以共射组态晶 p 体管所构成的放大器电路，在固定的 i n 直流输入电压 VEB 下，将会有直流基 p 极电流 IB 和直流集电极电流 IC 流过晶 V~ i 体管，这些电流代表图(b)中的工作点， V V 由供应电压 VCC 以及负载电阻 RL所决 定出的负载线，将以一 1/RL的斜率与 (a)连接成共射组态的双极晶体管 VCE轴相交于VCC。
fT 10
8
f 10
9
1010
频率 / Hz
另外，一截止频率fT(又称特征频率)定义为β的绝对值变为1时的频率， 将前式等号右边的值定为1，可得出
2 f 1 f ( 1 ) f f T 0 0 0 0
因此fT很接近但稍小于 f。
双极型晶体管的频率特性
c
Ic/ A
B
负载线
c
B
B
c
C
B
B
工作点
EB
输出电流
E
EB
CC
EC
CC
(a)连接成共射组态的双极晶体管
（b）晶体管电路的小信号工作状态
B
B
C ~ V
E B
C ~ V
《模拟电子技术基础》第3章 双极型晶体管及其基本放大电路
3.2 双极型晶体管
3.2.4 晶体管的共射特性曲线
2.输出特性曲线—— iC=f(uCE) IB=const
以IB为参变量的一族特性曲线
(1)当UCE=0V时，因集电极无收集
作用，IC=0；
(2)随着uCE 的增大，集电区收集电
子的能力逐渐增强，iC 随着uCE 增加而
增加；
(3)当uCE 增加到使集电结反偏电压
电压，集电结应加反向偏置电压。
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
1. 晶体管内部载流子的传输
如何保证注入的载流
子尽可能地到达集电区？
P
N
IE=IEN + IEP
IEN >> IEP
IC= ICN +ICBO
ICN= IEN – IBN
IEN>> IBN
ICN>>IBN
N
IEP
IE
3. 晶体管的电流放大系数
(1) 共基极直流电流放大系数
通常把被集电区收集的电子所形成的电流ICN 与发射极电流
IE之比称为共基电极直流电流放大系数。
ത
I CN
IE
由于IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN，且ICN>> IBN，ICN>>IEP。通常ത
的值小于1，但≈1，一般
ത
为0.9-0.99。
ത
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
3. 晶体管的电流放大系数
(2) 共射极直流电流放大系数
I C I CN I CBO I E I CBO ( I C I B ) I CBO
3.双极型晶体管及其基本放大电路
流电源提供的，只是经过晶体管的控制，使之转换成输出信 号的能量，提供给负载。放大的本质是能量的控制与转换。 至少一路直流 电源供电
VCC
4. 放大的特征：功率的放大。这是判断电路能否放大的基本 出发点。
3.2.2 放大电路的基本性能指标
对信号而言，任何放大电路均可看成双端口网络。它由信号源、 放大电路、直流电源组成，放大电路一般都包括负载，但负载 不是放大电路的必须组成部分。
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大 饱和
uBE ＜Uon ≥ Uon ≥ Uon
iC ICEO βiB ＜βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控 制的电流源iC 。
3.1.5 晶体管的主要参数
C2
能量控制和转换的作用；工
有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的
值将会下降。当 下降到 1 时所对应的频率称为特征频率， 用fT表示。
(3) 共射截止频率fβ 低频时共发射极交流电流放大系数为0。下降到0/ 2时所 对应的信号频率称为晶体管的共射截止频率，用fβ表示。 (4) 共基截止频率fα 低频时共基极交流电流放大系数为α0。α下降到α0/ 2 时所对 应的信号频率称为晶体管的共基截止频率，用fα表示。 特征频率、共射截止频率和共基截止频率三者之间大致满足 如下关系：
由晶体管的极限参数 PCM 、 ICM 和 U(BR)CEO 确定了晶体管
的过损耗区、过流区和击穿区。使用晶体管时，应避免使其
进入上述三个区域，保证晶体管工作在安全工作区。
i C / mA
ICM 过流区
过电流区是集电极电流达到
VCC
4. 放大的特征：功率的放大。这是判断电路能否放大的基本 出发点。
3.2.2 放大电路的基本性能指标
对信号而言，任何放大电路均可看成双端口网络。它由信号源、 放大电路、直流电源组成，放大电路一般都包括负载，但负载 不是放大电路的必须组成部分。
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大 饱和
uBE ＜Uon ≥ Uon ≥ Uon
iC ICEO βiB ＜βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控 制的电流源iC 。
3.1.5 晶体管的主要参数
C2
能量控制和转换的作用；工
有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的
值将会下降。当 下降到 1 时所对应的频率称为特征频率， 用fT表示。
(3) 共射截止频率fβ 低频时共发射极交流电流放大系数为0。下降到0/ 2时所 对应的信号频率称为晶体管的共射截止频率，用fβ表示。 (4) 共基截止频率fα 低频时共基极交流电流放大系数为α0。α下降到α0/ 2 时所对 应的信号频率称为晶体管的共基截止频率，用fα表示。 特征频率、共射截止频率和共基截止频率三者之间大致满足 如下关系：
由晶体管的极限参数 PCM 、 ICM 和 U(BR)CEO 确定了晶体管
的过损耗区、过流区和击穿区。使用晶体管时，应避免使其
进入上述三个区域，保证晶体管工作在安全工作区。
i C / mA
ICM 过流区
过电流区是集电极电流达到
第三章 双极型晶体管(1)详述
发射区过重的掺杂不仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低
1）形成杂质带尾，禁带变窄 Eg Eg Eg'
Eg
3q3
16 s
NE
S kT
Eg ni ni2 ND NDeff
发射区有效杂质浓度降低为:
Neff
x
NE
x
ni2 ni2e
NE
xexp
Eg
kT
发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。
sh
Wb Lnb
x
nb
0
e
qVBC
sh Wb Lnb
kT
1
sh
x Lnb
3.3 晶体管的直流电流增益
一、少数载流子分布
（2）发射区少数载 流子分布
pE(x)
x
0
pE
x
pE0 pE0
e 1 e qVbe kT
x LpE
3.3 晶体管的直流电流增益
一、少数载流子分布
sh WB LnB
jnE jnB
0
qDnB nB0 LnB
eqVbe
kT
1
cth
WB LnB
eqVbc
kT
1
csc
h
WB LnB
jnc jnB WB
qDnB nB0 LnB
eqVbe
kT 1
csc
h
WB LnB
eqVbc kT 1
cth
以共基极连接为例，采用一维理想模型 发射结正向偏置，集电结反向偏置
WB
Ine
Inc
Ir
IE
IC
Ipe
ICB
IB
O
坐标：
第三章 双极晶体管
qVE kT
1)
（3-116）
3-117）
nB (Wb ) nB (Wb ) nPB nPB (e
qVc kT
1)
（3-118） （3-119）
pC ( x2 ) pnC e
qVC
kT
（3-120）
PC ( x2 ) PC ( x2 ) PnC PnC (e
(3-134)
当WB Lnb 基区很窄时式（3-132）可简化，双曲函数按 台劳级数展开，只取一次幂，即
shx x
chx 1
则上式可简化为： qDnB J nB ( x) [nB (0) nB (Wb )] Wb 基区内电子电流密度与X无关，保持不变。 集电结反偏时，上式可进一步简化为：
（3-128） 发射区空穴沿着（-x）方向线性下降，直到 下降到平衡值。 集电区少子浓度分布：
x x1 1)(1 ) L pE
pC ( x) pnC pnC (e
pC ( x) pnC pnC (e
qVC kT
qVC
kT
1)e
L
x x2 pE
（3-129）
x x2 1)(1 ) L pC
为了分析晶体管的电流放大系数与晶体管结构因素和 工艺因素之间的关系,并反映电流传输过程中的各种损失, 共基极直流电流放大系数分解为： 对NPN管：
I En IE
I cn I En
' Ic I cn
IC
' Ic
M
（3-104）
晶体管发射效率 ：
I En I En 1 I E I En I Ep 1 I Ep
第三章双极结型三极管及放大电路基础资料
放大电路应遵循以下原则:
RS
1、有直流通路， 并保证合适的直流偏置。
VS ＋
RL
－
2、有交流通路，即待放大的
输入信号能加到晶体管上，
且放大了的信号能从电路中取出。 直流电源及偏置电路
模拟电子线路
共发射极放大器（建立放大器感性认识）
共发射极放大器是应用最为广泛的基本放大器。
NPN晶体管起放大作用；
远大于ΔvI，实现电压信号的放大。 放大作用：输入回路加微小信号，通过基极电流的改变
量去控制集电极电流，从而将VCC的能量转换为与输入 信号变化规律相同、能量更大的输出信号。
模拟电子线路
对放大器的分析可分为直流分析和交流分析
直流分析：确定晶体管的静态工作点（各节点的直流电 压值）
交流分析：确定电路中各交流信号之间的关系。
50
降到额定值2/3时的iC值。 40
iC值超过ICM时管子易损坏。ICM 30
集电极最大允许功耗PCM
20 10
PCM＝iCvCE
反向击穿电压
0
1.0 0.8
0.6 过Leabharlann 坏区0.4 安全工作区iB = 0.2mA
PC <PCM
10
20 V(BR)CEO 30
vCE / V
V(BR)CBO - 发射极开路时,集电极－基极间反向击穿电压。
模拟电子线路
2) 饱和区 vCE较小时，集电结吸引电子能力弱，iC不随iB的增加而增 加，晶体管失去放大作用。饱和时集电极电压称为饱和压 降VCE(sat)。
Si管VCE(sat) ≈0.3V，而发射结的饱和压降VBE(sat) ≈0.8V， 故VCB(sat) = VCE(sat) - VBE(sat) ≈- 0.5V
电子科技大学《微电子器件》课件PPT(3-1)
第 3 章 双极结型晶体管
3.1 双极结型晶体管基础
PN 结正向电流的来源是多子，所以正向电流很大 ；反向 电流的来源是少子，所以反向电流很小。
如果能用其他方法给反偏 PN 结Байду номын сангаас供大量少子，就能提高 反偏 PN 结的电流。
给反偏 PN 结提供少子的方法之一是在其附近制作一个正偏 PN 结，使正偏 PN 结注入的少子来不及复合就被反偏 PN 结收集 而形成很大的反向电流。反向电流的大小取决于其附近正偏 PN 结偏压的大小。
E
CE
C
P NP
NP N
B
B
E
C
E
C
B
B
均匀基区晶体管：基区掺杂为均匀分布。少子在基区主要 作扩散运动，又称为 扩散晶体管。
缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，少子在基区 主要作漂移运动，又称为 漂移晶体管。
0
NE(x)
N+ P
xje
NB(x) NC
xjc
N
0 xje xjc
x
3.1.2 偏压与工作状态
PN P
通过改变正偏 PN 结的偏压来控制其附近反偏 PN 结的电流 的方法称为 双极晶体管效应 ，由此发明的双极结型晶体管获得 了诺贝尔物理奖。
双极结型晶体管 ( Bipolar Junction Transistor ) 简称为双极 型晶体管，或晶体管。
3.1.1 双极结型晶体管的结构
双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型，其结构 示意图和在电路图中的符号如下
定义：发射结正偏，集电结 零偏 时的 IC 与 IE 之比，称为
共基极直流短路电流放大系数，记为 ，即
IC
VEB 0,VCB 0
3.1 双极结型晶体管基础
PN 结正向电流的来源是多子，所以正向电流很大 ；反向 电流的来源是少子，所以反向电流很小。
如果能用其他方法给反偏 PN 结Байду номын сангаас供大量少子，就能提高 反偏 PN 结的电流。
给反偏 PN 结提供少子的方法之一是在其附近制作一个正偏 PN 结，使正偏 PN 结注入的少子来不及复合就被反偏 PN 结收集 而形成很大的反向电流。反向电流的大小取决于其附近正偏 PN 结偏压的大小。
E
CE
C
P NP
NP N
B
B
E
C
E
C
B
B
均匀基区晶体管：基区掺杂为均匀分布。少子在基区主要 作扩散运动，又称为 扩散晶体管。
缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，少子在基区 主要作漂移运动，又称为 漂移晶体管。
0
NE(x)
N+ P
xje
NB(x) NC
xjc
N
0 xje xjc
x
3.1.2 偏压与工作状态
PN P
通过改变正偏 PN 结的偏压来控制其附近反偏 PN 结的电流 的方法称为 双极晶体管效应 ，由此发明的双极结型晶体管获得 了诺贝尔物理奖。
双极结型晶体管 ( Bipolar Junction Transistor ) 简称为双极 型晶体管，或晶体管。
3.1.1 双极结型晶体管的结构
双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型，其结构 示意图和在电路图中的符号如下
定义：发射结正偏，集电结 零偏 时的 IC 与 IE 之比，称为
共基极直流短路电流放大系数，记为 ，即
IC
VEB 0,VCB 0
03模拟电子技术第三章_双极结型晶体管
2010年10月12日星期二
14
3 厄利电压
VCE VCE VBE / Vt I C I C 0 I C I C 0 1 V ISe 1 V A A
2010年10月12日星期二
15
I C 0 I C VCE VA
ICBO:发射结开 路时的集电极 反向电流.
定义到达集电极的那部分IE与IE之比， 叫共基极直流电流增益，以 表示。
2010年10月12日星期二
8
共发射极组态
I C I C I B I CBO
或 式中
I C I B 1 I CBO
1
I CEO 1 I CBO
2010年10月12日星期二
26mV 得 rb 'e (1 ) I E (mA)
34
2、晶体管的高频特性 β或hfe是在输出短路时定义的。 将π型等效电路输出短路，即
I c I b
0 V ce
g m vb 'e jC vb 'e ib
图 的等效电路
vb ' e
2010年10月12日星期二
6
另外还有 支流 ICBO： 发射极开路的集 电极反向电流。
穿透电流ICEO： 基极开路的集电 极电流。
7
2010年10月12日星期二
三、组态 共基极组态
I C I E I CBO I B 1 - I E I CBO
I E IC I B
rb ' e 1 ib ib rb ' e j Cb ' e C 1 j Cb ' e C rb ' e
14
3 厄利电压
VCE VCE VBE / Vt I C I C 0 I C I C 0 1 V ISe 1 V A A
2010年10月12日星期二
15
I C 0 I C VCE VA
ICBO:发射结开 路时的集电极 反向电流.
定义到达集电极的那部分IE与IE之比， 叫共基极直流电流增益，以 表示。
2010年10月12日星期二
8
共发射极组态
I C I C I B I CBO
或 式中
I C I B 1 I CBO
1
I CEO 1 I CBO
2010年10月12日星期二
26mV 得 rb 'e (1 ) I E (mA)
34
2、晶体管的高频特性 β或hfe是在输出短路时定义的。 将π型等效电路输出短路，即
I c I b
0 V ce
g m vb 'e jC vb 'e ib
图 的等效电路
vb ' e
2010年10月12日星期二
6
另外还有 支流 ICBO： 发射极开路的集 电极反向电流。
穿透电流ICEO： 基极开路的集电 极电流。
7
2010年10月12日星期二
三、组态 共基极组态
I C I E I CBO I B 1 - I E I CBO
I E IC I B
rb ' e 1 ib ib rb ' e j Cb ' e C 1 j Cb ' e C rb ' e
第3章双极晶体管
实际上，主要是通过减小Wb 和 e来提高 0或 0
的。
23
3. 缓变基区晶体管的电流放大系数 （1）缓变基区晶体管的自建电场
基区存在着杂质浓度梯度，这将导致空穴向 浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区中的电 中性将被破坏。为了维持基区的电中性，必然会 在基区中产生一个电场，使空穴做反方向的漂移 运动来抵消空穴的扩散运动。这个为了维持基区 的电中性，而产生的电场称为缓变基区的自建电 场。
对于NPN晶体管，发射效率是注入基区的电子电 流与发射极电流的比值，即有
0
In (X 2 ) IE
对于NPN晶体管，基区输运系数是指到达集电结 的电子电流与注入基区的电子电流的比值，即有
0
In(X3) In(X2)
IC In(X2)
20
因此，可得 0
，
0
和
0
的关系为
0
IC IE
In(X2) IE
In(X3) In(X2)
0
0
所以，可按下面的步骤求解晶体管的电流放大倍数：
第一步 求发射效率；
第二步 求基区输运系数；
第三步 求共基极直流电流放大系数；
第四步 求共射极直流电流放大系数。
21
(1)发射效率
0
1
1 eWb
b Lpe
(2) 基区输运系数
晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入 和输出的电流—电压关系曲线。晶体管的三个端， 共有四个参数：输入电流、输入电压、输出电流 和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用 曲线表示出来(以其余两个参数中的一个作为参 变数)得到一族曲线，最常用的是输入特性曲线 和输出特性曲线。
的。
23
3. 缓变基区晶体管的电流放大系数 （1）缓变基区晶体管的自建电场
基区存在着杂质浓度梯度，这将导致空穴向 浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区中的电 中性将被破坏。为了维持基区的电中性，必然会 在基区中产生一个电场，使空穴做反方向的漂移 运动来抵消空穴的扩散运动。这个为了维持基区 的电中性，而产生的电场称为缓变基区的自建电 场。
对于NPN晶体管，发射效率是注入基区的电子电 流与发射极电流的比值，即有
0
In (X 2 ) IE
对于NPN晶体管，基区输运系数是指到达集电结 的电子电流与注入基区的电子电流的比值，即有
0
In(X3) In(X2)
IC In(X2)
20
因此，可得 0
，
0
和
0
的关系为
0
IC IE
In(X2) IE
In(X3) In(X2)
0
0
所以，可按下面的步骤求解晶体管的电流放大倍数：
第一步 求发射效率；
第二步 求基区输运系数；
第三步 求共基极直流电流放大系数；
第四步 求共射极直流电流放大系数。
21
(1)发射效率
0
1
1 eWb
b Lpe
(2) 基区输运系数
晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入 和输出的电流—电压关系曲线。晶体管的三个端， 共有四个参数：输入电流、输入电压、输出电流 和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用 曲线表示出来(以其余两个参数中的一个作为参 变数)得到一族曲线，最常用的是输入特性曲线 和输出特性曲线。
第三章 双极型晶体管及其放大电路
集电极开路时，发射极-基极之间允许施加的最高反向电压， 一般为几十伏，有的甚至小于1伏。 ③集电极-发射极反向击穿电压U (BR)CEO
基极开路时，集电极-发射极之间允许施加的最高反向电压，
其值比U (BR)CBO要小一些。
由晶体管的三个极限参数 I CM、PCM 和 U (BR)CEO，可以画出管子 的安全工作区，如图3-8所示。使用中，不允许将工作点设在安 全工作区外。
图 3-7
15
（2）晶体管的极限参数
1) 集电极最大允许电流 I CM
在使用三极管时，I
C
超过
I
时并不一定会使三极管损坏，
CM
但值将逐渐降低。
2) 集电极最大允许功耗 PCM 其大小主要决定于允许的集电结结温。锗管最高允许结温
为 700 C ，硅管可达1500 C ，超过这个值，管子的性能变坏，甚至 烧毁管子。
•
三极管电流放大的实验电路
IB(mA) IC(mA) IE(mA)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
<0.001 0.70
1.50
2.30
3.10
3.95
<0.001 0.72
1.54
2.36
3.18
4.05
IB
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
IC
<0.001
0.70
1.50
2.30
第3章
双极型晶体管及其放大电路
3.1 双极型晶体管 3.2 基本放大电路的工作原理及其组成 3.3 静态工作点稳定及分压式射极偏置电路 3.4 共发射极电路 3.5 共集电极极放大电路和共基极极放大电路 3.6 多级放大电路 3.7 放大电路的频率响应和阶跃响应 3.8 电流源电路 3.9 应用电路介绍
基极开路时，集电极-发射极之间允许施加的最高反向电压，
其值比U (BR)CBO要小一些。
由晶体管的三个极限参数 I CM、PCM 和 U (BR)CEO，可以画出管子 的安全工作区，如图3-8所示。使用中，不允许将工作点设在安 全工作区外。
图 3-7
15
（2）晶体管的极限参数
1) 集电极最大允许电流 I CM
在使用三极管时，I
C
超过
I
时并不一定会使三极管损坏，
CM
但值将逐渐降低。
2) 集电极最大允许功耗 PCM 其大小主要决定于允许的集电结结温。锗管最高允许结温
为 700 C ，硅管可达1500 C ，超过这个值，管子的性能变坏，甚至 烧毁管子。
•
三极管电流放大的实验电路
IB(mA) IC(mA) IE(mA)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
<0.001 0.70
1.50
2.30
3.10
3.95
<0.001 0.72
1.54
2.36
3.18
4.05
IB
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
IC
<0.001
0.70
1.50
2.30
第3章
双极型晶体管及其放大电路
3.1 双极型晶体管 3.2 基本放大电路的工作原理及其组成 3.3 静态工作点稳定及分压式射极偏置电路 3.4 共发射极电路 3.5 共集电极极放大电路和共基极极放大电路 3.6 多级放大电路 3.7 放大电路的频率响应和阶跃响应 3.8 电流源电路 3.9 应用电路介绍
第三讲双极型晶体管
3、当uCE1V后，特性曲线基本重合。 处于放大状态的BJT， uCE1V， 输入特性曲线就用uCE1V的曲线表示。
iB UCE=0V 10 1
uBE
对于一定的uBE ，当uCE增大到一定值后，集电结的电场已足够强，可以将发射区注入到基 区的绝大部分非平衡少子收集到集电区，因此即使再增大uCE ， iC也不可能明显增大了。
1 一 般 ：为 几 十 到 几 百
（五）BJT的结偏置电压与各极电流的关系
1、发射结正偏电压uBE对各极电流的作用——正向控制作用。 发射极电流实际上是正偏发射结的正向电流：
iE ISeuBE/UT;
u i BE
两者是指数关系。
E
iC iE;
iB
iE
1
uBE iC、 iB
uCB
iB
发射结
发射 区
集电结 基区
集电 区
E
B
C
uCB
iE
I euBE/UT S
uCB通过厄利效应对BJT电流的影响远不如uBE对电流的正向控制作用大，但它的存在使BJT的电流受控关系 复杂化，使之成为所谓的“双向受控元件”，由此带来分析的复杂化，并有可导致放大器因“内反馈”而
性能变坏。
（六）BJT的截止和饱和工作状态 c
与单个PN结的反向饱和电流一样。 IB = -ICBO， IC = ICBO ICBO的值很小，硅管小于1µA，锗管约10µA，受温度影响很 大。
（2）集电极反向穿透电流ICEO ： 此电流从集电区穿越基区流至发射区，所以叫穿透电流。 ICEO= （1+）ICBO ( P30 ) ICBO和ICEO都是衡量BJT温度稳定性的重要参数，因ICEO大， 容易测量，所以常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。
iB UCE=0V 10 1
uBE
对于一定的uBE ，当uCE增大到一定值后，集电结的电场已足够强，可以将发射区注入到基 区的绝大部分非平衡少子收集到集电区，因此即使再增大uCE ， iC也不可能明显增大了。
1 一 般 ：为 几 十 到 几 百
（五）BJT的结偏置电压与各极电流的关系
1、发射结正偏电压uBE对各极电流的作用——正向控制作用。 发射极电流实际上是正偏发射结的正向电流：
iE ISeuBE/UT;
u i BE
两者是指数关系。
E
iC iE;
iB
iE
1
uBE iC、 iB
uCB
iB
发射结
发射 区
集电结 基区
集电 区
E
B
C
uCB
iE
I euBE/UT S
uCB通过厄利效应对BJT电流的影响远不如uBE对电流的正向控制作用大，但它的存在使BJT的电流受控关系 复杂化，使之成为所谓的“双向受控元件”，由此带来分析的复杂化，并有可导致放大器因“内反馈”而
性能变坏。
（六）BJT的截止和饱和工作状态 c
与单个PN结的反向饱和电流一样。 IB = -ICBO， IC = ICBO ICBO的值很小，硅管小于1µA，锗管约10µA，受温度影响很 大。
（2）集电极反向穿透电流ICEO ： 此电流从集电区穿越基区流至发射区，所以叫穿透电流。 ICEO= （1+）ICBO ( P30 ) ICBO和ICEO都是衡量BJT温度稳定性的重要参数，因ICEO大， 容易测量，所以常把ICEO作为判断管子质量的重要依据。
3.1-双极结型晶体管(BIT)简介-录制-模拟电子线路(第2版)-杨凌-清华大学出版社
B(b)
结构特点: 1、发射区重掺杂(1019 cm－3)； 2、基区很薄(10－6m)，且轻掺杂(1015 cm－3)； 不具电对称性 3、集电区面积大，且掺杂较轻(1017 cm－3)。 BJT的结构特点是决定其能进行信号放大的内部物质基础。
Lanzhou University Ling Yang
第3章 双极结型晶体管及其基本放大电路
§3.1 双极结型晶体管的分类、结构和符号 (Bipolar Junction Transistor,BJT)
Lanzhou University Ling Yang
双极结型晶体管(BJT)简介
晶体管发明人—威廉·肖克莱(William Shockley)、 约翰·巴丁(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)
Lanzhou University Ling Yang
1950年， “PN结型晶体管”— 双极结型晶体 管问世，开辟了电子器件的新纪元，在20世纪50 年代和60年代掀起了第一次电子技术革命。
Lanzhou University Ling Yang
世界上第一只晶体管
BJT的外形及分类
按频率分 按功率分
几种BJT的外形
高频管 低频管
硅管 锗管 砷化镓管
大功率管 中功率分 按导电类型分
Lanzhou University Ling Yang
Je (发射结) Jc (集电结)
BJT的结构
Je (发射结)
Jc (集电结)
E(e)
NP N
C(c)
E(e)
PNP
C(c)
发射区 基区 集电区
B(b)
发射区 基区 集电区
C
B
结构特点: 1、发射区重掺杂(1019 cm－3)； 2、基区很薄(10－6m)，且轻掺杂(1015 cm－3)； 不具电对称性 3、集电区面积大，且掺杂较轻(1017 cm－3)。 BJT的结构特点是决定其能进行信号放大的内部物质基础。
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第3章 双极结型晶体管及其基本放大电路
§3.1 双极结型晶体管的分类、结构和符号 (Bipolar Junction Transistor,BJT)
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双极结型晶体管(BJT)简介
晶体管发明人—威廉·肖克莱(William Shockley)、 约翰·巴丁(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)
Lanzhou University Ling Yang
1950年， “PN结型晶体管”— 双极结型晶体 管问世，开辟了电子器件的新纪元，在20世纪50 年代和60年代掀起了第一次电子技术革命。
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世界上第一只晶体管
BJT的外形及分类
按频率分 按功率分
几种BJT的外形
高频管 低频管
硅管 锗管 砷化镓管
大功率管 中功率分 按导电类型分
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Je (发射结) Jc (集电结)
BJT的结构
Je (发射结)
Jc (集电结)
E(e)
NP N
C(c)
E(e)
PNP
C(c)
发射区 基区 集电区
B(b)
发射区 基区 集电区
C
B
双极结型晶体管原理及运用
双极结型晶体管原理及运用双极结型晶体管，又称为双极管，是一种重要的半导体器件。
它由两个P-N结组成，通过控制结的电压来控制电流。
下面将详细阐述双极结型晶体管的原理及其运用。
一、双极结型晶体管的原理双极结型晶体管有三个区域：发射区、基区和集电区。
发射区和基区被一条P-N结隔开，基区和集电区被一个二极管隔开。
当激励电压加在P-N结上时，电子从N型到P型区域移动，同时空穴从P型向N 型区域移动。
在双极结型晶体管的发射区，基区和集电区分别被连接在电路的发射极、基极和集电极上。
当激励电压加在基区时，基区会产生足够的电荷使其导通，电流可以从发射极到集电极流过。
二、双极结型晶体管的运用双极结型晶体管被广泛应用于电子电路中。
主要包括以下几个方面：1、放大器双极结型晶体管可以被用作放大器。
它可被配置成共射、共基和共集放大器。
其中最常使用的是共射放大器。
在这种放大器中，输入信号被加在基极上，输出信号从集电极上提取。
2、开关双极结型晶体管还可用作开关。
当基极电压低于一定的电压时，发射极和集电极之间没有电流流动，处于关断状态。
当基极电压高于某一值时，它会成为一个导体，电流会通过它流入集电极。
3、振荡器双极结型晶体管可以被用作振荡器。
在振荡器中，双极结型晶体管被连接成反馈电路，使其输出的信号可以被反馈回来。
当反馈电路中的信号和输入信号相同，并且满足振荡器的条件时，振荡器会产生若干个特定频率的信号。
总体来说，双极结型晶体管是电子电路中不可缺少的元器件。
在实际应用中，我们需要根据实际情况进行选择，因为不同的环境需要不同类型的双极结型晶体管。
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0
边界条件为：np 0 np0eVE VT np xB np0eVC VT
解为： np x np0 np0
eVE VT 1
sinh
sinh
xB
Ln
xB Ln
x
I C I nC I C0 IE IC IB 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
InE
I nE
I E InE 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
10
10
8
8
6
6
4
4
2 02
2
IE 0mA
4 6 8 10 VCB （V ）
（a ）
饱和区
125
10
100
8
75
6
有源区 50
4
2
0 02
25
IB 0A
截止区
4 6 8 10
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
17
3.3理想双极结型晶体管中的电流传输
(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
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 InE InC IC0
n
p0
eVc VT 1
sinh
x Ln
sinh
xB Ln
20
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 VE 0 VC 0
（2） 反向有源模式： VE 0 VC 0 （3）饱和模式： VE 0 VC 0 （4）截止模式 VE 0 VC 0
• 提高电流增益的途径是提高 和 T 。
• 3-2-7还可以写成 IC IE IC0 • 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。
14
当集电结处于正向偏压时：
IC I E IC0 (eVC /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。
第3章 双极结型晶体管
1
晶体管的发展史
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
C
B （c）
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
15
共发射极电流增益
IC IC I B IC0
IC
1
IB
IC0
1
hFE I B
I CE 0
式中定义
hFE 1
I CE 0
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
伏安特性曲线
IC （mA ） IC （mA ）
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； （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
T
I nC 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 I pE
I rg
T
13
Ic Ic0
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。
18
理想晶体管的结构示意图：
N
d
N
a
0
xE 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载流子分布与电流分量
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：
Dn
d 2np dx 2
np np0
n
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
E
发射区 基区 集电区
N
p
N
C
E
B （a）
C
B （b）
发射区 基区 集电区
E
p
N
p
C
E
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
发射结正偏
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
E
qVBC
（b ）
图3-5NPN晶体管共基极能带C 图
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。