半导体器件物理(第四章双极型晶体管及其特性)资料
合集下载
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
第4章 双极型晶体管工作原理
b I
BN
IB+
15V
RB IE I e
IE
U CC
UBB
4.4.2
晶体管伏安特性曲线及参数
晶体管有三个电极,通常用其中两个分别作输入, 晶体管有三个电极 , 通常用其中两个分别作输入 , 输出端,第三个作公共端, 输出端 , 第三个作公共端 , 这样可以构成输入和输出两 个回路.实际中有共发射极 共集电极和共基极三种基 共发射极, 个回路 . 实际中有 共发射极 , 共集电极和共基极 三种基 本接法,如图所示. 本接法,如图所示.
一定而u 增大时,曲线仅略有上翘( 略有增大). 一定而 CE增大时,曲线仅略有上翘(iC略有增大). 原因: 原因: 基区宽度调制效应(Early效应) 基区宽度调制效应(Early效应) 效应 或简称基调效应
UCE
由于基调效应很微弱,uCE 由于基调效应很微弱, 在很大范围内变化时I 在很大范围内变化时 C基本不 一定时, 变.因此,当IB一定时, 因此, 集电极电流具有恒流特性. 集电极电流具有恒流特性.
4.4 双极性晶体管
双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件.它有 双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件. 三个电极,所以又称为半导体三极管,晶体三极管等,以 三个电极,所以又称为半导体三极管,晶体三极管等, 后我们统称为晶体管.常见的晶体管其外形如图示. 后我们统称为晶体管.常见的晶体管其外形如图示. 晶体管其外形如图示
共发射极 共基极 共集电极 其中, 共发射极接法更具代表性, 其中 , 共发射极接法更具代表性 , 所以我们主要讨 论共发射极伏安特性曲线. 论共发射极伏安特性曲线.
晶体管共发射极特性曲线
晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线. 晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线 . 这 两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出 也可以用图示电路逐点测出. 来,也可以用图示电路逐点测出. 一,共发射极输出特性曲线 共发射极输出特性曲线 共射输出特性曲线是以 iB为参变量时,iC与uCE间的 为参变量时, 关系曲线,即 关系曲线,
双极型晶体管简介和饱和状态说明
饱和模式
通常认为，满足正 向放大的条件是：发 射结正偏，集电结反 偏，即：UCB≥0。而 在实际中，只有PN结 两端的正向电压超过 0.4V时，才能称为有 效的正向偏置。因此， 只有当UCB≤-0.4V， 晶体管才从放大状态 转为饱和状态，如图 所示。
饱和模式
在放大状态，集电结电压的大小和集电结电流的 大小无关。当集电极的电压逐渐降低，即集电结正偏， 集电极电流会逐步减小。 主要原因是集电结正偏，集电区多子（对于NPN 型BJT，为电子）扩散产生扩散电流，这部分电流和 发射区多子（对于NPN型BJT，也为电子）形成的扩 散电流方向相反，当集电结正偏电压超过0.4V后，集 电区多子形成的扩散电流越来越大，造成集电极电流 变小。 U BC 1 iC I E I S ( )e UT
饱和状态下特性曲线和等效电路
饱和晶体管的等效电路
工作在饱和状态的特性曲线
饱和简化电路
饱和晶体管的简化等效电路 （我们采用简化等效电路）
共射直流电流放大系数和基区宽度以及 基区和发射区的相对掺杂比有关，为了得到较 大的值，基区必须薄而且是低掺杂，发射区 要重掺杂。
晶体管结构
E N
P
B
C
N 不同区的宽度和掺杂浓度都不相同，因此BJT的结构 是不对称的。如果发射极和集电极交换的话，性能将 出现很大的变化。
C N P N
B
E
E和C极交换后的BJT如图所示，如果工作在放大状态， 为区分，将此时的和记为R和R， R和R之间的 关系不变，但远小于正向模式下的值。 R的典型范围 为0.01到0.5， R相应的范围为0.01到1。（决定了饱 和的特点）
简介
直到20世纪70年代到80年代，MOSFET才 逐渐成为BJT的有力竞争者。目前， MOSFET毫无疑问是应用最广泛的电子器件， CMOS技术是集成电路设计的首选技术。然而， BJT仍然是一个重要的器件，并在某些应用中 具有一定的优势。如在汽车电子仪器中，利用 了BJT在恶劣环境下的高可靠性。 BJT目前在分立元件电路设计中非常普及。
半导体器件物理-双极型晶体管功率特性共35页
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
Thank you
半导体器件物理-双极型晶体管功率特 性
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
பைடு நூலகம்
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
双极型晶体管资料
双极型晶体管晶体管的极限参数双极型晶体管（Bipolar Transistor）由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。
起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。
双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。
在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。
当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。
双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。
同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。
双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。
晶体管：用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管.晶体管分类：NPN型管和PNP型管输入特性曲线：描述了在管压降UCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V，锗管的开启电压约为0.3V。
输出特性曲线：描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。
可表示为：双击型晶体管输出特性可分为三个区★截止区：发射结和集电结均为反向偏置。
IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。
如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。
★饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。
在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，U CE@0，IC=EC／RC，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。
★放大区：发射结正偏，集电结反偏。
放大区的特点是：◆IC受IB的控制，与UCE的大小几乎无关。
因此三极管是一个受电流IB控制的电流源。
◆特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB对集电极电流IC控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b越大。
双极型晶体管
半导体器件物理 © Dr. B. Li
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
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
《双极晶体管》课件
2 NPN型和PNP型晶体
管的区别
NPN型和PNP型晶体管的 区别在于掺杂和电流流动 方向的差异，每种类型在 电路中有其独特的应用。
3 双极晶体管的放大和
开关特性
双极晶体管可用作信号放 大器，在线性区域工作时 放大弱信号；在饱和和截 断状态下可用作开关。
双极晶体管的使用建议
选择适合的双极晶体 管参数
双极晶体管可以用于放大弱信号、调整电路增益和频率响应，并具有小尺寸、可靠性和高效 能的特点。
双极晶体管的种类和应用领域
双极晶体管根据结构和材料的不同分为多种类型，广泛应用于电子设备、通信系统、功放等 领域。
双极晶体管的原理
1 双极晶体管的结构和
工作原理
双极晶体管由P型和N型半 导体材料构成，基于PN结 的正向和反向偏置来控制 电流流动。
《双极晶体管》PPT课件
在这个《双极晶体管》PPT课件中，我们将介绍双极晶体管的基本知识，包括 其作用、结构、工作原理、种类和应用领域等。让我们一起探索这一引人入 胜的电子元器件！
产品介绍
什么是双极晶体管
双极晶体管是一种常见的电子元器件，通过控制电流来实现信号的放大和开关功能。
双极晶体管的作用和特点
根据电路需求选择合适的电流 增益、频率响应和功率特性等 参数的双极晶体管。
双极晶体管的使用注 意事项
遵循正确的极性、电压和电流 要求，确保双极晶体管正常工 作且不受损。
如何正确布局和布线 双极晶体管电路
合理安排双极晶体管的位置和 连接，避免干扰和不Байду номын сангаас要的电 路耦合。
双极晶体管的发展趋势
集成电路
无线通信
双极晶体管的集成电路已经成为 现代电子产品中的重要组成部分， 实现更小型化、高性能和多功能。
半导体物理基础 双极结型晶体管
共基极连接晶体管的放大作用
qVBE
B
qVBC
E
（b ）
C
图3-5NPN晶体管共基极能带图
11
3.2.1晶体管的放大作用
• 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。
19
•
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。 • 提高电流增益的途径是提高 和 T 。 • 3-2-7还可以写成 I C I E I C 0 • 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。
10 8 6 4 2 0 10 0 2 4 6
IC （mA ）
6 4 2
4 2
有源区
50 25
I E 0 mA
0 2 4 6 8 VCB （V ） （a ）
I B 0 A
8 10
截止区
VCE （V ） （b ）
图3-7集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形
22
3.2.3电流增益
（3-3-14）
pC 0 VC VT x xC LpC e 1 e LpC
ni2 ( x xC ) / Lpc VC VT e 1 e NdC LpC 30
（3-3-15）
3.3.2正向有源模式
一、少数载流子分布
在 x B Ln 的情况下，以及正向有源区的条件下， 3-3-4简化为
qVBE
B
qVBC
E
（b ）
C
图3-5NPN晶体管共基极能带图
11
3.2.1晶体管的放大作用
• 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。
19
•
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。 • 提高电流增益的途径是提高 和 T 。 • 3-2-7还可以写成 I C I E I C 0 • 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。
10 8 6 4 2 0 10 0 2 4 6
IC （mA ）
6 4 2
4 2
有源区
50 25
I E 0 mA
0 2 4 6 8 VCB （V ） （a ）
I B 0 A
8 10
截止区
VCE （V ） （b ）
图3-7集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形
22
3.2.3电流增益
（3-3-14）
pC 0 VC VT x xC LpC e 1 e LpC
ni2 ( x xC ) / Lpc VC VT e 1 e NdC LpC 30
（3-3-15）
3.3.2正向有源模式
一、少数载流子分布
在 x B Ln 的情况下，以及正向有源区的条件下， 3-3-4简化为
《双极型晶体管》课件
作。
工艺参数优化
温度控制
在制造过程中，温度是一个重要的工艺参数。适当的温度可以保证 材料的性质和工艺的稳定性。
时间控制
各工艺步骤所需的时间对晶体管的性能也有影响，需要进行精确控 制。
压力与气氛控制
在制造过程中，压力和气氛也是关键的工艺参数。例如，在氧化、蒸 发和腐蚀等步骤中，需要严格控制反应气氛的种类和浓度。
将半导体材料清洗干净并进行 切割，得到可用于制造晶体管
的芯片。
氧化与蒸发
通过氧化和蒸发工艺，在芯片 表面形成一层薄膜，作为晶体 管的介质层。
光刻与腐蚀
通过光刻技术将电路图案转移 到芯片表面，然后进行腐蚀， 形成晶体管的各个电极。
焊接与封装
将各电极通过焊接工艺连接起 来，并将芯片封装在适当的壳 体中，完成双极型晶体管的制
输出特性
总结词
描述了双极型晶体管输出端与集电极电流之间的关系。
详细描述
输出特性曲线反映了集电极电流与输出电压之间的关系，随着集电极电流的增 加，输出电压逐渐减小，表现出负阻特性。
转移特性
总结词
描述了双极型晶体管输入、输出特性的相互影响。
详细描述
转移特性曲线反映了基极电流与集电极电流之间的关系，随着基极电流的增加， 集电极电流也相应增加，表现出良好的线性关系。
工作原理
当在基极上施加电压时，电流从 集电极流向发射极，实现放大或 开关功能。
双极型晶体管的特点
01
02
03Leabharlann 高放大倍数双极型晶体管具有较高的 电流放大倍数，通常在 100-1000倍之间。
低噪声性能
双极型晶体管在低频和高 频应用中表现出良好的噪 声性能。
高速开关
双极型晶体管具有快速开 关速度，适用于高频信号 处理和开关电路。
工艺参数优化
温度控制
在制造过程中，温度是一个重要的工艺参数。适当的温度可以保证 材料的性质和工艺的稳定性。
时间控制
各工艺步骤所需的时间对晶体管的性能也有影响，需要进行精确控 制。
压力与气氛控制
在制造过程中，压力和气氛也是关键的工艺参数。例如，在氧化、蒸 发和腐蚀等步骤中，需要严格控制反应气氛的种类和浓度。
将半导体材料清洗干净并进行 切割，得到可用于制造晶体管
的芯片。
氧化与蒸发
通过氧化和蒸发工艺，在芯片 表面形成一层薄膜，作为晶体 管的介质层。
光刻与腐蚀
通过光刻技术将电路图案转移 到芯片表面，然后进行腐蚀， 形成晶体管的各个电极。
焊接与封装
将各电极通过焊接工艺连接起 来，并将芯片封装在适当的壳 体中，完成双极型晶体管的制
输出特性
总结词
描述了双极型晶体管输出端与集电极电流之间的关系。
详细描述
输出特性曲线反映了集电极电流与输出电压之间的关系，随着集电极电流的增 加，输出电压逐渐减小，表现出负阻特性。
转移特性
总结词
描述了双极型晶体管输入、输出特性的相互影响。
详细描述
转移特性曲线反映了基极电流与集电极电流之间的关系，随着基极电流的增加， 集电极电流也相应增加，表现出良好的线性关系。
工作原理
当在基极上施加电压时，电流从 集电极流向发射极，实现放大或 开关功能。
双极型晶体管的特点
01
02
03Leabharlann 高放大倍数双极型晶体管具有较高的 电流放大倍数，通常在 100-1000倍之间。
低噪声性能
双极型晶体管在低频和高 频应用中表现出良好的噪 声性能。
高速开关
双极型晶体管具有快速开 关速度，适用于高频信号 处理和开关电路。
《双极型晶体管》课件
双极型晶体管的种类
种类
根据结构和工作原理的不同，双极型晶体管可分为NPN型和 PNP型两大类，每种类型又有多种不同的器件结构和用途。
应用领域
双极型晶体管广泛应用于电子设备、通信、计算机、家电等 领域，作为信号放大、开关、稳压、震荡等电路的核心元件 。
02
双极型晶体管的特性
电流-电压特性
基极电流（Ib）
封装与测试
封装形式
双极型晶体管有多种封装形式，如TO-92 、TO-220等，根据应用需求选择合适的 封装形式。
VS
测试方法
对双极型晶体管进行电气性能测试，如电 流放大倍数、集电极电阻等，以确保其性 能符合要求。
05
双极型晶体管的展望
新材料的应用
硅基材料
继续优化硅基双极型晶体管性能，探索更高 频率、更高功率密度和更低噪声的晶体管。
01
导通状态
当基极输入足够大的电流时，晶体 管进入饱和导通状态。
开关速度
晶体管在导通和关断状态之间切换 的速度。
03
02
关断状态
当基极输入负偏置电压或无电流时 ，晶体管处于截止状态。
延迟时间
从基极输入信号到晶体管完全导通 所需的时间。
04
03
双极型晶体管的应用
放大器
总结词
双极型晶体管具有电流放大作用，是放大器中的核心元件。
工作原理
双极型晶体管利用电子和空穴两种载 流子参与导电，通过控制基极电流来 调节集电极和发射极之间的电流，实 现信号放大、开关等作用。
双极型晶体管的结构
结构
双极型晶体管由半导体材料制成，通 常采用NPN或PNP结构，由三个区域 （基区、集电区和发射区）和三个电 极组成。
双极型晶体管及其特性
图2–8晶体管伏安特性曲线的折线近似
输入特性近似； (b)输出特性近似
由图2–8可知，当外电路使UBE<UBE(on)(对硅管约为0.7V，锗管约为0.3V)时，IB=0，IC=0，即晶体管截止。此时，相当于b,e极间和c,e极间均开路，相应的直流等效模型如图2–9(a)所示。
NPN管的示意图；(b)电路符号；(c)平面管结构剖面图
01
02
2–1–1放大状态下晶体管中载流子的传输过程
当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用图2--2说明。我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。
图2–2晶体管内载流子的运动和各极电流
发射区向基区注入电子
2–1–2电流分配关系 由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：
(2–1a)
(2–1b)
(2–1c)
3
2
1
4
式(2–1)表明，在e结正偏、c结反偏的条件下，晶体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系，就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为定量分析晶体管电路提供方便。
一、电流放大系数 1共发射极直流电流放大系数 和交流电流放大系数β 和β分别由式(2–2)、(2–10)定义，其数值可以从输出特性曲线上求出。 2 共基极直流电流放大系数 和交流电流放大系数 由式(2–6)定义，而α定义为，uCB为常数时，集电极电流变化量ΔIC与发射极电流变化量ΔIE之比，即
2–3–1晶体管的直流模型 在通常情况下，由外电路偏置的晶体管，其各极直流电流和极间直流电压将对应于伏安特性曲线上一个点的坐标，这个点称为直流(或静态)工作点，简称Q点。在直流工作时，可将晶体管输入、输出特性曲线(见图2–5、图2–6)分别用图2--8(a)和(b)所示的折线近似，这样直流工作点(IBQ,UBEQ)和(ICQ,UCEQ)必然位于该曲线的直线段上。
第四章--双极型晶体管的功率特性
I nE A Eq D nB (1
n B (0) n (0) ) B N B n B (0) W B
可得大注入下体内复合项
I vB WB2 n (0) / N B 2 [1 B ] I nE 2 LnB 2n B (0) / N B
大注入下基区表面复合电流
I SR A S q S n B (0)
双极型晶体管的功率特性
在大注入情况下， B ( x) N B ( x) ，上式又可简化为 n
2n B ( x) dnB ( x) η J nE n B ( x) n B ( x) 0 N B( X ) dx WB qDnB N B( x)
或为
dnB ( x) η N B ( 0) e dx 2W B
南京邮电大学电子科学与工程学院 半导体器件物理 双极型晶体管的功率特性6
双极型晶体管的功率特性
dnB n B (0) , n B (0) 为基区边界x = 0处电子浓度。 即 dx WB
n 又由于大注入下， B N B ，所以，上式变为
n b (0) J nE q(2 D nB ) WB
将此代入上式
南京邮电大学电子科学与工程学院 半导体器件物理 双极型晶体管的功率特性4
双极型晶体管的功率特性
kT 1 d E ( N B nB ) q N B nB dx kT q NB dnB 1 dN B 1 N B nB dx N B nB N B dx
η x WB
]
η x WB
qDnB n B ( x) qDnB N B(0) η 1 x (1 ) [e e 2 J nEW B 2 WB 2 J nEW B
半导体器件物理双极型晶体管功率特性
电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏 置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到 边缘逐渐增大，称为发射极电流集边效应。
(2) 电流集边效应的影响 • 发射区边缘处电流密度较大，易导致局部过热； • 发射区边缘处电流密度较大，易导致局部大注入效应； • 发射极电流不均匀，会导致发射区下方的横向基极电流不
Pc IE *VBE IC *VCB IC 2 * rCs
正常工作状态下，发射结正偏电压VBE远小于集电结 反压VCB，体串联电阻rCs也很小，因此晶体管的功率主要 耗散在集电结上，
Pc IC *VCB
耗散功率转化为热量，使集电结成为晶体管的发热 中心。
• 若直流电源提供给晶体管的功率为PD，则输出功率
• 3）增加集电区宽度WC，一般考虑到频率 特性，一般采用多层集电区结构。选取杂 质浓度n+ > n2 > n1
• 4）加入嵌位二极管，使BVdiode < BVCBO
肖特基箝位BJT与NPN晶体管的对比
NPN晶体管
肖特基箝位晶体管
二、晶体管的最大功耗与热阻
• 1、晶体管功耗与结温
当晶体管工作时，电流流过发射结、集电结和体串 联电阻都会产生功率耗散，因此总耗散功率：
• 二、基区串联电阻RB的影响
1、由基区自偏压效应导致的电流集边效应 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流
过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发 射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极 电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此而产生发射 极电流集边效应（也称为基区电阻自偏压效应）。
• 基极电阻 rB 大致由下面四部分串联构成： ( 1 ) 基极金属电极与基区的欧姆接触电阻 rcon ( 2 ) 基极接触处到基极接触孔边缘的电阻 rB3 ( 3 ) 基极接触孔边缘到工作基区边缘的电阻 rB2 ( 4 ) 工作基区的电阻（发射极正下方） rB1 • 所以： rB rcon rB3 rB2 rB1
(2) 电流集边效应的影响 • 发射区边缘处电流密度较大，易导致局部过热； • 发射区边缘处电流密度较大，易导致局部大注入效应； • 发射极电流不均匀，会导致发射区下方的横向基极电流不
Pc IE *VBE IC *VCB IC 2 * rCs
正常工作状态下，发射结正偏电压VBE远小于集电结 反压VCB，体串联电阻rCs也很小，因此晶体管的功率主要 耗散在集电结上，
Pc IC *VCB
耗散功率转化为热量，使集电结成为晶体管的发热 中心。
• 若直流电源提供给晶体管的功率为PD，则输出功率
• 3）增加集电区宽度WC，一般考虑到频率 特性，一般采用多层集电区结构。选取杂 质浓度n+ > n2 > n1
• 4）加入嵌位二极管，使BVdiode < BVCBO
肖特基箝位BJT与NPN晶体管的对比
NPN晶体管
肖特基箝位晶体管
二、晶体管的最大功耗与热阻
• 1、晶体管功耗与结温
当晶体管工作时，电流流过发射结、集电结和体串 联电阻都会产生功率耗散，因此总耗散功率：
• 二、基区串联电阻RB的影响
1、由基区自偏压效应导致的电流集边效应 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流
过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发 射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极 电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此而产生发射 极电流集边效应（也称为基区电阻自偏压效应）。
• 基极电阻 rB 大致由下面四部分串联构成： ( 1 ) 基极金属电极与基区的欧姆接触电阻 rcon ( 2 ) 基极接触处到基极接触孔边缘的电阻 rB3 ( 3 ) 基极接触孔边缘到工作基区边缘的电阻 rB2 ( 4 ) 工作基区的电阻（发射极正下方） rB1 • 所以： rB rcon rB3 rB2 rB1
4-双极晶体管-文档资料230页
Inverse-active Mode Junction between E and B is in forward bias and junction between B and C is in reverse bias.
Current Gain
IE=IEp+IEn IC=ICp+ICn IB=IE-IC=IEn+(IEp-ICp)-ICn
Carrier Profile in Active Mode
Carrier distribution in this region
To derive the current-voltage expression for an ideal transistor, we assume the following:
forward reverse forward reverse
C-B reverse forward
forward reverse
Mode
active inverted saturation cutoff
An idealized p-n-p transistor in thermal equilibrium, that is ,where all there leads are connected together or all are ground.
inhLxp inhW Lp
When W/Lp<<1, the distribution equation can be simplified as
pnxpn0eqE V B kT 1W x pn0 1W x
Modern BJT
BJT basically consists of two neighbouring pn junctions back to back:
Current Gain
IE=IEp+IEn IC=ICp+ICn IB=IE-IC=IEn+(IEp-ICp)-ICn
Carrier Profile in Active Mode
Carrier distribution in this region
To derive the current-voltage expression for an ideal transistor, we assume the following:
forward reverse forward reverse
C-B reverse forward
forward reverse
Mode
active inverted saturation cutoff
An idealized p-n-p transistor in thermal equilibrium, that is ,where all there leads are connected together or all are ground.
inhLxp inhW Lp
When W/Lp<<1, the distribution equation can be simplified as
pnxpn0eqE V B kT 1W x pn0 1W x
Modern BJT
BJT basically consists of two neighbouring pn junctions back to back:
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.1 晶体管结构与工作原理
2.缓变基区晶体管的电流放大系数
（1）基区晶体管中存在的自建电场
P型
N(x) 等 效 负 电 荷
区
Nb(x)
等效正电荷 区
E
Pb (x)
x
基区存在杂质浓度梯度，同时基区多数载流子空穴也存在浓度 梯度，因此就要往浓度低的方向扩散，其结果破坏了基区的电中 性条件，使基区靠近发射区的一侧带负电，靠近集电区的一侧带 正电，这样就形成一个自右向左的电场。
4.1 晶体管结构与工作原理
2. 晶体管的载流子传输
I nE
I nC
E
IVR
C
IE
IC
x1 x2
x3
x4
UE
I pE
B IB
I CBO
UC
1.发射区注入
2.基区输运
3.集电结收集
I E I pE InE I B I pE IVR I CBO IC I nC ICBO
4.1 晶体管结构与工作原理
B SiO 2 x je
2.平面管
E
B Al
ND NA
N
P
Wb
x jc
N
N
C
N
0
x je P
N
x jc
x
三个区域的杂质分布是不均匀的。由于此晶体管的基区和发 射区是由两次扩散工艺形成的，因此称为双扩散管。
4.1 晶体管结构与工作原理 4.1.2 晶体管的电流传输
1. 晶体管的载流子分布
I C I nC I CBO
I nC InE I E
4.1 晶体管结构与工作原理
4.1.3 晶体管的直流电流放大系数 1.电流放大系数定义和电流放大能力
（1）共基极直流电流放大系数α0
0
IC IE
IE N E
P IB B
N
IC
C
α0反映出发射极输入电流IE中有多大比例传输到集电极成为输出 电流IC，或者说由发射极发射的电子有多大比例传输到集电极。由于 前面讲到的传输过程中的两次损失，α0总是小于1。
化，也就是说晶体管具有电流放大能力。
晶体管要具有放大能力，必须具有哪些条件？
4.1 晶体管结构与工作原理
1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，以保证发射效率γ0
很接近于1. 2）基区宽度Wb远小于LnB，保证基区输运系数很接近于1。 3）发射结正偏，使电子从发射区注入基区；集电极反偏，将电 子从基区收集到集电区。
发射效率
1 1 RSe
1
1
eWb
RSb
b x je
4.1 晶体管结构与工作原理
（4）缓变基区晶体管的基区输运系数
0*
1
IVR InE
1
Wb2
4 nbDnb
1
Wb2 4L2nb
（5）缓变基区晶体管的电流放大系数
0
00*
1 1 RSe
(1
Wb2 4L2nb
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
交流基区输运系数β*的分析计算的方法和交流发射效率γ完全一样
*
* 0
1
1
j b
b reCDe
发射结扩散电容的充放电时间常数
τb也可称为基区渡越时间，意思就是电子穿越基区所用的时间， τb和基区宽度以及电子在基区的扩散速度有关。
WC x jc xmB x
4.2 晶体管的直流特性 2. BUCEO
BUCEO是基极开路时，集电极与发射极间的击穿 电压，有下列关系式：
BVCEO
BVCBO
n
式中n为常数。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。
4.2 晶体管的直流特性
b
Wb2
Dnb
4.3 晶体管的频率特性
3．集电结势垒区渡越过程对电流放大系数的影响
载流子以极限速度穿过集电结势垒区所需的时间为
s
xm vm
集电结空间电荷区输运系数：
d
1
1 j s
1
2 1 j d
d s 2 集电结空间电荷区延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
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
0
IC IB
（3）α0和β0的关系
0
IC IB
IC IE IC
IC IE 1 IC IE
0 10
（4）晶体管的放大能力和具备放大能力的条件
C IC N
IB
P
B
N
IE E
β0一般在20-200之间，所以IB的微小变化将引起IC的很大变
可见，减小基区体内复合电 流IVR是提高基区输运系数的有 效途径，而主要措施是减薄基区 宽度W，使基区宽度远小于电子 在基区的扩散长度。
4.1 晶体管结构与工作原理
0
IC IE
I nC IE
I nE IE
I nC InE
0
* o
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。
IC I E ICBO
2
2mA
1 0
24
1mA 0mA 6 8 10 UCB / V
4.2 晶体管的直流特性
1.共发射极晶体管特性曲线
共发射极输入特性曲线
输入特性曲线与正向PN结伏 安特性相似。当集电结处于反 偏时，由于基区宽度减小，基 区内载流子的复合损失减少，IB 也就减少。所以，特性曲线随 VCE的增加而右移。
1.共基极晶体管特性曲线
共基极输入特性曲线
IE / mA
UCB 10V 5V 0V
共基极输入特性曲线实际就是正向
PN结的特性曲线，由于基区宽变效应， 0 0.2 0.4 0.6 0.8 UBE / V
输入特性曲线随UCB增大而右移
IC / mA
5
IE 5mA
共基极输出特性曲线
4
4mA
3
5mA
三极电流关系
IE IB 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
4.3 晶体管的频率特性
4.3.1 晶体管的频率特性和高频等效电路 1.晶体管的频率特性和频率参数 , / dB
当晶体管工作频率高到一定程度 40 3dB
时，电流放大系数将随工作频率的 30
升高而下降，同时也发生了相移。 20
如图为幅频特性曲线的示意图，反 10
映了晶体管的放大倍数随频率变化
4.集电结势垒电容充放电效应对电流放大系数的影响
集电区衰减因子
inc
ie
rc
rcs ic
iCTc
C
CTc
B
c
ic ic iCTc
1
1 jrcsCTc
1
1
j c
c rcsCTc
集电极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
4.3.3 晶体管的电流放大系数
Aeq
Dpeni2 x je Ne
eqVE
kT
IVR
AeWb
q
nb
nb
Ae
qWbnb0
2 nb
eqVE
kT
4.1 晶体管结构与工作原理
（3）缓变基区晶体管的发射效率
方块电阻的概念
RS
a
aW
W
a
a I
它的大小决定于单位面积 薄层中所含的杂质总量。若
薄层内杂质分布不均匀：
W x
RS W
微电子技术专业
4.1 晶体管结构与工作原理 4.1.1 晶体管的基本结构与杂质分布
晶体管的基本结构与符号
集电极 C
集电极 C
集电区
C
N
集电结
B
B
基区
P
基极
N
发射结
E
发射区
发射极
E
集电区
C
P
集电结
B
B
基区
N
基极
P
发射结
E
发射区
发射极
E
4.1 晶体管结构与工作原理 1. 合金管
IB / μA
VE 0V
80
60
5V
40
20 ICBO0 0.2 0.4 0.6 0.8 UBE / V
4.2 晶体管的直流特性
共发射极输出特性曲线
IC I B ICEO
注意：基区宽变效应使 输出特性曲线微微上翘。
IC / mA 10 8 6 4 2
0 24
IB 50μA 40μA
4.2 晶体管的直流特性
2. ICEO
I nC ICBO
ICEO ICBO I nC (1 )ICBO
式中的β是集电极电流为ICEO时
的小电流放大系数，比正常工作时
的β要小得多。因此，一般来讲