深圳大学微电子学基础原理第三章双极型晶体管
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第三章--双极型晶体管
c
b e
PNP
c b
e
NPN
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
3.1.2 BJT的杂质分布 1.锗合金管-均匀基区晶体管 特点： 三个区杂质均匀分布 2结为突变结
2.硅平面管-缓变基区晶体管 特点： E、B区杂质非均匀分布 2结为缓变结
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
“背靠背”的2个二极管有放大作用吗？
I ne IE
I ne Ine I pe
1 1 I pe
I ne
I pe Ine
，则 0
2、基区输运系数β*
0
I nc I ne
Ine Irb I ne
1
I rb I ne
I rb I ne
，则
0
3、集电区倍增因子 *
Ic 1
I nc
3.2.3、晶体管电流放大系数
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
（3）、集电区少数载 流子分布
pC(x)
0
x
pC
x pC0 pC0
e 1 e qVbc kT
x LpC
3.3 晶体管的直流电流增益
二、电流密度分布函数
jnB
3.3 晶体管的直流电流增益
任务：导出α 0、β 0的定量关系式
0 0 0
0
0 10
0
1 1 I pe
I ne
0
1
I rb I ne
3.3.1 均匀基区晶体管的电流增益 均匀基区晶体管直流电流增益推导思路
双极晶体管的工作原理
双极晶体管的工作原理
双极晶体管是一种半导体器件，用于控制电流流动并放大电信号。
它由三个区域组成：P型区域、N型区域和P型区域，其中N型区域在P型区域上方和下方，形成一个PNP结构。
这种结构使得双极晶体管能够控制电流的流动。
在正常工作时，双极晶体管的基极与发射极之间的电位差被用作控制电池。
当控制电池通电时，它创建了一个足够的电场来使P型区域中的空穴通过P-N结向N型区域流动。
这些空穴与N型区域中的电子相遇并产生复合效应，产生电流。
当控制电池关闭时，流动的电子和空穴即停止流动。
双极晶体管的工作原理基于PNP结构形成的电流放大器。
以一个简单的放大器电路为例，它由一个基极电阻、输入信号和一个电阻负载组成。
输入信号通过基极电阻传递到基极，这会在基极电路中产生一个小电流。
这个电流被放大器电路进行增加，最后通过电阻负载传递到输出端口。
这种放大的效果是通过控制电池的大小来实现的，它控制了从基极向发射极流动的电流。
一旦控制电池变大，电流就开始流动；如果控制电池变小，电流就会停止。
这是因为控制电池决定了PNP结中从基极向发射极的电流量。
总之，双极晶体管的工作原理基于PNP结构形成的电流放大器，通过控制电池的大小来实现电流流动控制和信号放大。
《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。
《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。
第三章 双极晶体管82页PPT
高频小功率晶体管，指特征频率大于 3MHz，功率小于1W的晶体管，主要用于高频振 荡电路、放大电路中。
低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较 多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放 管，各种大电流输出稳压电源中作为调整管，低 速开关电路中作开关管。
高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz ， 功率大于1W的晶体管，用于无线通 讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、 开关和稳压电路中。
区。此时，晶体管进入饱和区。
共发射极输入特性：与正向PN结伏安
特性相似，随集电结电压增加而基极电流
减少 ；这是因为集电结电压增加使基区宽
度减小，基区复合电流减少，故基极电流
减少。
共发射极输出特性：当基极电流为0时，
流过晶体管的电流为
；ICE随O 着 的增I B 加，
以 I的C 规律上IB 升。随 增加 略V CE上升，I C
这是因为 减少而W使B 增大的结 果。当
减少到一V C定E 值（硅管为0.7V）而使集电结
正偏， 迅速下降I，C 进入饱和区。
•晶体管输出特性பைடு நூலகம் 为三个区域：Ⅰ为线 性工作区，Ⅱ为饱和 区，Ⅲ为截止区．I 区工作的晶体管，发 射结处于正偏，集电 结处于反偏，Ⅱ区工 作的晶体管，发射结 和集电结均处于正偏； Ⅲ区工作的晶体管发 射结和集电结都为反 偏。
• • • M IEn Icn Ic ' IC IE IEn Icn Ic '
（3-104）
晶体管发射效率 ：
IEn IEn 1
IE IEnIEp 1IEpIEn 基区输运系数 ：
（3-105）
Icn IEnIvb1Ivb
IEn
低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较 多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放 管，各种大电流输出稳压电源中作为调整管，低 速开关电路中作开关管。
高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz ， 功率大于1W的晶体管，用于无线通 讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、 开关和稳压电路中。
区。此时，晶体管进入饱和区。
共发射极输入特性：与正向PN结伏安
特性相似，随集电结电压增加而基极电流
减少 ；这是因为集电结电压增加使基区宽
度减小，基区复合电流减少，故基极电流
减少。
共发射极输出特性：当基极电流为0时，
流过晶体管的电流为
；ICE随O 着 的增I B 加，
以 I的C 规律上IB 升。随 增加 略V CE上升，I C
这是因为 减少而W使B 增大的结 果。当
减少到一V C定E 值（硅管为0.7V）而使集电结
正偏， 迅速下降I，C 进入饱和区。
•晶体管输出特性பைடு நூலகம் 为三个区域：Ⅰ为线 性工作区，Ⅱ为饱和 区，Ⅲ为截止区．I 区工作的晶体管，发 射结处于正偏，集电 结处于反偏，Ⅱ区工 作的晶体管，发射结 和集电结均处于正偏； Ⅲ区工作的晶体管发 射结和集电结都为反 偏。
• • • M IEn Icn Ic ' IC IE IEn Icn Ic '
（3-104）
晶体管发射效率 ：
IEn IEn 1
IE IEnIEp 1IEpIEn 基区输运系数 ：
（3-105）
Icn IEnIvb1Ivb
IEn
第三章 双极结型晶体管
2010-1-5
科学出版社 高等教育出版社中心
2
3.1双极结型晶体管的结构
科学出版社 高等教育出版社中心
3.1双极结型晶体管的结构
• 教学要求（3.1节和3.2节）
1.掌握概念：发射效率 基区输运因子 共基极电流增益 共发射极电 流增益 穿透电流
2.了解典型BJT的基本结构和工艺过程。 3.掌握BJT的四种工作模式及偏压条件。 4.画出BJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。 5.分别用能带图和载流子输运的观点解释BJT的放大作用。 6.解释理想BJT共基极连接正向有源模式下集电集电流与集电压无关
科学出版社 高等教育出版社中心
3.3理想双极结型晶体管中的电流传输
• 3.3.1电流传输
理想晶体管的主要假设及其意义： （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；
8
3.2基本工作原理
科学出版社 高等教育出版社中心
3.2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 分别为基极对发射极和基 极对集电极的电压。则四种工作模式是：
（1） 正向有源模式：VE >0，VC <0；
（3-3-3）
三个极电流之间满足：
2010-1-5
科理
• 小结
6. 共基极直流电流增益 定义α 为
《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。
第三章 双极型晶体管及其放大电路
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大
PN结状态
发射结零偏或反偏 集电极反偏 发射结正偏 集电极反偏 发射结正偏 集电极正偏
uBE ＜Uon ≥ Uon
iC ICEO βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
13
饱和
≥ Uon ＜βiB
3.1.4 晶体管的使用常识
1. 三极管的主要参数 晶体管的参数可分为性能参数和极限参数两大类。值得注意 的是，由于制造工艺的离散性，即使同一型号规格的管子，参数 也不完全相同。 （1）晶体管的主要性能参数有：
2. 输出特性曲线
I C f (U CE )
I B 常数
图3-6为某个晶体管的输出特性曲线。
在不同的 下，可得出不同的曲 线，所以晶体管的输出特性曲线是一 组曲线。可分为四个工作区域：
（1）放大区：输出特性曲线的近似于水平 I I 部分是放大区。在放大区，C I B。 C 和 I B 图3-6 成正比的关系。晶体管处于放大状态的条件 （3）饱和区：饱和区是对应于 U CE 较小（ U CE U BE ）的区域，此 是发射结正偏，集电结反偏。 时集电结处于正向偏置，以致使I C 不能随 I B 的增大而成比例增大。 I I I （2）截止区： B 0 的曲线以下的区域称为截止区。 B 0时，C I CEO 。 I C I B ，此时发射结和集电结都处于正向偏置。 在饱和区 对于NPN型硅管 U BE 0.5V时，已开始截止，但是为了截止可靠，常 （4）击穿区：当U CE 大于某一值后， I C 开始剧增，这个现象称为 使 U BE 0 。发射结零偏或反偏，截止时集电结也处于反向偏置。 一次击穿。晶体管一次击穿后，集电极电流突增，只要电路中有 合适的限流电阻，击穿电流不过大，时间又很短，晶体管是不致 于烧毁的。当集电极电压降低后，三极管子仍能恢复正常工作， 所以一次击穿过程是可逆的。
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管是一种常用的半导体器件，可用于放大信号和作为开关。
它由三个连续的区域构成：发射区、基区和集电区。
在正常工作状态下，双极型晶体管中的基区被电压偏置，使其与发射区和集电区之间形成两个二极管。
这两个二极管分别为发射结和集电结。
当一个正向偏置电流被施加在发射结上时，发射结就会成为一个缓慢变化的放大器。
发射结的沟道会形成一个电子云，这个电子云会带电，电流在发射结得到放大。
当从集电结到基区的电流增大时，由于集电结反偏，它将呈指数增加，最终使根据KCL（基尔霍夫电流定律）达到稳定。
当在基结-发射结之间施加截断电压时，集电结会关闭，使得电流在双极型晶体管中被截断，即将其作为开关使用。
总之，双极型晶体管通过控制基结电流来调节集电结电流。
在工作原理中，发射结起到放大的作用，而集电结起到开关的作用。
这使得双极型晶体管成为一种常用的器件，适用于各种电子电路中的放大和开关功能。
第3章双极晶体管413页PPT
降低基极电阻？
rb1 n(R 1b L S 2 eeR 2 b L S eeb R 1b L S 2 ebS R bL ce)
（1）减小发射区宽度Se、基区宽度Sb、发射区与基 区之间距离Seb、增加条的长度Le，但受到工艺条 件的限制。
（2）增加发射极条的数目n，但受到面积限制，条数 越多，需要的基底面积越大。
3.4 晶体管的反向特性及基极电阻
反向截止电流：增加器件的空载功耗，对放大无贡 献，越小越好
击穿电压：反映晶体管耐压能力，越高越好 基极电阻：增加器件功耗，越小越好
3.4 晶体管的反向特性及基极电阻
3.4.1 晶体管反向电流 一、定义
晶体管某二个电极间加反向电压，另一电极开路时流过管中的电流称其 反向电流。 1、IEBO：集电极极开路，发射极与基极间反偏，流过发射结的电流。 2、ICBO：发射极开路，集电极和基极间反偏，流过集电结的电流。 3、ICEO：基极开路，发射极和集电极间反偏，流过发射极和集电极的电流。
20lg0 3dB f f
特征频率 fT
1 0 2
1
fT 0 f
3dB
dB
fβ
fT fα f
谢谢！
13
ic
ib
VCE
dIC dIB
VCE
3dB
6分贝/ 倍 频
1 0 2
3dB
dB
fβ
fT fα f
20lg
放大系数的分贝表示： 20lg
共基极截止频率
f
0 2
20lg0 3dB
f f
共射极截止频率
电β
流 放
3dB
大 系
0
数 （
2
rb1 n(R 1b L S 2 eeR 2 b L S eeb R 1b L S 2 ebS R bL ce)
（1）减小发射区宽度Se、基区宽度Sb、发射区与基 区之间距离Seb、增加条的长度Le，但受到工艺条 件的限制。
（2）增加发射极条的数目n，但受到面积限制，条数 越多，需要的基底面积越大。
3.4 晶体管的反向特性及基极电阻
反向截止电流：增加器件的空载功耗，对放大无贡 献，越小越好
击穿电压：反映晶体管耐压能力，越高越好 基极电阻：增加器件功耗，越小越好
3.4 晶体管的反向特性及基极电阻
3.4.1 晶体管反向电流 一、定义
晶体管某二个电极间加反向电压，另一电极开路时流过管中的电流称其 反向电流。 1、IEBO：集电极极开路，发射极与基极间反偏，流过发射结的电流。 2、ICBO：发射极开路，集电极和基极间反偏，流过集电结的电流。 3、ICEO：基极开路，发射极和集电极间反偏，流过发射极和集电极的电流。
20lg0 3dB f f
特征频率 fT
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谢谢！
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ic
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20lg
放大系数的分贝表示： 20lg
共基极截止频率
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共射极截止频率
电β
流 放
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大 系
0
数 （
2
【学习课件】第三章双极晶体管
(b)缓变基区晶体管。如各种扩散管。由于基区 中存在自建电场，以漂移为主，
18.11.2020
.
10
中国科学技术大学物理系微电子专业
(a)
(b)
(c)
NPN晶体管共基极(a)、共发射极（b）和共集电极 （c）的三种连接法
18.11.2020
.
11
中国科学技术大学物理系微电子专业
2、晶体管的放大原理
IC IB
IE
.
6
中国科学技术大学物理系微电子专业
§3.1 晶体管的基本原理
1、基本结构及其杂质分布 • 基本结构
由两个P-N结共用一个基区组成的。 在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电 结。中间区域就叫基区，而另两个区与结 相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子，分别称作发射极， 基极和集电极。
.
13
18.11.2020
中国科学技术大学物理系微电子专业
P-N-P均匀基区 晶体管正常偏 置条件下的的 物理结构、杂 质分布、电场 分布和平衡态 能带图
.
14
中国科学技术大学物理系微电子专业
3、晶体管端电流的组成
工作在放大状态下pnp晶体管的各个电流分量 为：
• IEP：从发射区注入的空穴电流， • IEN：从基区注入到发射区的电子电流， • ICN：集电区－基区结附近的热电子漂移到
• 从P-N结理论的讨论中已知电流输运是由电 子和空穴两种载流子组成的，故由P-N结组 成的晶体管又称作双极晶体管。双极晶体 管是最重要的半导体器件之一。
• 1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明。
18.11.2Βιβλιοθήκη 20.2中国科学技术大学物理系微电子专业
双极型晶体管
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10
中国科学技术大学物理系微电子专业
(a)
(b)
(c)
NPN晶体管共基极(a)、共发射极（b）和共集电极 （c）的三种连接法
18.11.2020
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11
中国科学技术大学物理系微电子专业
2、晶体管的放大原理
IC IB
IE
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6
中国科学技术大学物理系微电子专业
§3.1 晶体管的基本原理
1、基本结构及其杂质分布 • 基本结构
由两个P-N结共用一个基区组成的。 在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电 结。中间区域就叫基区，而另两个区与结 相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子，分别称作发射极， 基极和集电极。
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18.11.2020
中国科学技术大学物理系微电子专业
P-N-P均匀基区 晶体管正常偏 置条件下的的 物理结构、杂 质分布、电场 分布和平衡态 能带图
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14
中国科学技术大学物理系微电子专业
3、晶体管端电流的组成
工作在放大状态下pnp晶体管的各个电流分量 为：
• IEP：从发射区注入的空穴电流， • IEN：从基区注入到发射区的电子电流， • ICN：集电区－基区结附近的热电子漂移到
• 从P-N结理论的讨论中已知电流输运是由电 子和空穴两种载流子组成的，故由P-N结组 成的晶体管又称作双极晶体管。双极晶体 管是最重要的半导体器件之一。
• 1947年由贝尔实验室的一个研究小组发明。
18.11.2Βιβλιοθήκη 20.2中国科学技术大学物理系微电子专业
双极型晶体管
第三章双极晶体管124164733535共121页
18.11.2019
半导体器件物理
15
中国科学技术大学物理系微电子专业
Current Gain
IE=IEp+IEn
IC=ICp+ICn
IB=IE-IC=IEn+(IEp-ICp)-ICn
18.11.2019
半导体器件物理
16
Current Flow中国科学技术大学物理系微电子专业
I
EB n
emitter
IC IB
IE
半导体器件物理
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中国科学技术大学物理系微电子专业
§3.1 晶体管的基本原理
1、基本结构及其杂质分布 • 基本结构
由两个P-N结共用一个基区组成的。 在两个结中，一个叫发射结，一个叫集电 结。中间区域就叫基区，而另两个区与结 相对应的被称作发射区和集电区。 器件具有三个电极端子，分别称作发射极， 基极和集电极。
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理想晶体管的电流一电压方程
• 均匀基区P-N-P晶体管电流一电压方程：
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• 提高电流增益的主要措施有： 1. 提高发射区掺杂浓度或杂质总量，增大正
向注入电流， 2. 减小基区宽度， 3. 提高基区杂质分布梯度， 4. 提高基区载流子寿命和迁移率，以增大载
流子的扩散长度。
18.11.2019
半导体器件物理
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x2
L2p
2np np np0 0
x2
L2n
18.11.2019
半导体器件物理
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• 中性基区少子分布的表达式为
从器件结构讨论双极型晶体管与mos管工作原理
从器件结构讨论双极型晶体管与mos管工作原理
双极型晶体管和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOS管）在器件结构和工作原理上有明显的差异。
双极型晶体管由两个背靠背的PN结组成，其工作原理基于电荷载流子的运动。
在基极电压的作用下，空穴和电子分别在NPN或PNP结中注入，形成电流。
双极型晶体管的电流控制能力较强，但功耗也相对较大。
而MOS管（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）则是在栅极和漏极之间形成一个电场，通过控制栅极电压来控制源/漏极中的电子数，从而控制电流的流动。
在MOS管的通道中，存在一个薄型氧化物绝缘层（也称为栅氧化层）。
当栅极施加一定电压时，绝缘层下的半导体会产生一个反向偏置，形成导电通道。
简而言之，双极型晶体管主要依赖于载流子的运动来实现电流的控制，而MOS管则是通过控制电场来调节电子的数量和流动。
这两种器件各有特点，适用于不同的应用场景。
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p c (X 4 ) p c 0 e qC U /k Tp c 0 e qC U /k T 0 第2章 PN结的机理与特性
3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成
1. 晶体管内的电流传输
NPN型晶体管电流传输示意图
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
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3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成
IB≈ Ip(X1)+ IVB
（3-10）
（3） 集电极电流IC 通过集电结和集电区的电流主要有两股组成：
IC= In(X4)+ ICBO
（3-11）
因为ICBO很小，（3-11）式可近似表示为
微电子学基础理论
IC=≈In(X4)
（3-12）
第2章 PN结的机理与特性
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3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
11
3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输
3. 载流子的输运过程
微电子学基础理论
（a）少子分布示意图 （b）载流子输运过程示意图 晶体管中载流子分布及其输运过程示意图
第2章 PN结的机理与特性
ห้องสมุดไป่ตู้
3. 载流子的输运过程
（1）根据正向PN结特性，发射区注入基区靠发射结边界X2处的电子 浓度为
2. 晶体管各端电流的形成
（4） 晶体管三端电流之间的关系 由上面的分析可以得出 In(X2)= IVB + In(X3)= IVB+ In(X4)
将（3-13）式代入（3-8）式，得 IE= Ip(X1)+IVB+In(X4)
2. 晶体管各端电流的形成
（1） 发射极电流IE 从上面的分析与讨论可知，发射极的正向电流IE是由两股电 流组成的：
IE=Ip(X1)+ In(X2)
（3-8）
（2） 基极电流IB 基极电流IB是由三部分组成的：
IB= Ip(X1)+ IVB-ICBO
（3-9）
由于通常情况下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示为
表1 晶体管各电极电流分配表
发射极电流IE （mA)
1
2
3
4
5
集电极电流IC （mA)
0.98
1.96
2.94
3.92
4.90
基极电流IB （mA)
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
晶体管的电压放大系数为：
KU
U出 U入
RL r
晶体管的功率放大应等于它的电流放大系数与电压放大系数的乘积，
微电子学基础理论
KP
RL r
2
第2章 PN结的机理与特性
3.2 晶体管的电流放大特性
几点假设:
发射结和集电结均为理想的突变结，且结面积相等（用A表示）； 各区杂质为均匀分布，载流子仅做一维传输，不考虑表面的影响； 外加电压全部降落在PN结势垒区，势垒区以外不存在电场； 发射结和集电结势垒区宽度远小于少子扩散长度，且不存在载流 子的产生与复合，因而通过势垒区的电流不变； 发射区和集电区的宽度远大于少子扩散长度，而基区宽度远小于 少子扩散长度； 注入基区的少子浓度比基区多子浓度低得多，只讨论小注入情况。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
3.1.3晶体管的工作原理
晶体管最重要的作用是具有放大电信号的能力。为 什么紧靠着的两个PN结具有放大作用？要晶体管具有 放大作用首先要有适当的电路。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
3.1.3晶体管的工作原理
晶体管的放大能力
微电子学基础理论
基区厚度很大的NPN结构的电流流通与少子分布示意图
（b）杂质分布
锗合金晶体管的结构与杂质分布
合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都是
均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电结
均是突变结。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
3.1.2晶体管的制备与杂质分布
2. 平面晶体管 平面晶体管结构与杂质分布如图所示
平面工艺最主要的特点是：利用SiO2稳定的化学性能，能耐高温，具有掩蔽 杂质原子扩散和良好的绝缘性能，与光刻技术相配合，可进行选择扩散，这样使 平面晶体管具有更为合理的电极形状，薄的基区，钝化的表面，因此在功率、噪
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第三章 双极型晶体管
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
1
1 晶体管的结构和工作原理 2 晶体管的电流放大特性 3 晶体管的直流特性曲线 4 晶体管的频率特性
5 晶体管的开关特性
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第2章 PN结的机理与特性
目录
2
3.1 晶体管的结构与工作原理
3.1.1晶体管的基本结构
声、稳定性、可靠性等方面达到一个较高的水平。
微电子学基础理论
第2章 PN结的机理与特性
3.1.2晶体管的制备与杂质分布
3. 外延平面晶体管
在平面晶体管制造工艺的基础上又发展了一种外延平面晶体管。 其结构与杂质分布如图所示
（a）管芯结构 （b）杂质分布 硅外延平面管结构及杂质分布示意图
由图可见，双扩散外延平面晶体管的基片电阻率很低，集电极串联电阻很小， 使集电极饱和压降减小，晶体管可做得很小，基区宽度Wb很薄，从而使外延平面 晶体管在频率特性、开关速度和功率等方面都有很大的提高与改善，因此，成为 目前生产最主要的一种晶体管。
晶体管就有两种基本组合形式：P-N-P型或N-P-N型，它们的结 构和符号如图所示，其符号中的箭头方向表示发射结电流的方向。
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（a）管芯结构
（b）符号
晶体管的结构和符号
第2章 PN结的机理与特性
3.1.2晶体管的制备与杂质分布
1. 合金晶体管 PNP型合金管结构与杂质分布如图所示
（a）管芯结构
第2章 PN结的机理与特性
晶体管的放大能力
具有放大作用的晶体管在结构上需要满足什么条件呢？
➢ 具有NPN或PNP三层结构； ➢ 基区宽度非常薄，薄的程度远小于非 平衡少子的扩散长度； ➢ 发射区的杂质浓度要远大于基区杂质浓度。
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第2章 PN结的机理与特性
晶体管的放大能力
表1给出了型号为3DG6晶体管（硅高频小功率管），在集电结UCC=6V条 件下测量所得的实际数据。
nb(X2)nb0eqU E/k T
由基区注入发射区靠发射结边界X1处的空穴浓度为
pe(X1)pe0eqU E/k T
（2） 根据反向PN结特性，集电结两边界X3和X4处的少子浓度分别 为
n b (X 3 ) n b 0 e qC U /k T n b 0 e qC U /k T 0
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