第3章_双极晶体管

电流密度方程：
dn 电子扩散电流： J n qDn dx
空穴扩散电流： J p qD p dp
dx
电子漂移电流： J nq E n n
空穴漂移电流： J pq E p p
3.3.1 均匀基区晶体管直流电流增益
均匀基区晶体管一维理想模型 以NPN晶体管共基极连接为例，并采用一维模型及下列近似 ： （1）发射结、集电结为理想突变结，且为平行平面结； （2）NE、NB、NC均为常数； （3）外加电压全部降落在PN结势垒区，其他为电中性区； （4）电流为小注入； （5）不考虑PN结势垒区的复合产生电流； （6）不考虑表面复合电流。
(1)非平衡少数载流子电子的一维扩散方程：
d nb x nb x nb 0 Dnb 0 2 dx τ nb
2
nb x Ae
x
Lnb
Be
x
Lnb
nb x nb0 nb x
Lnb Dnb τnb
(2).基区“少子”的边界值
x 0时，
合金管结构及杂质分 布
硅平面管结构与杂质分布

2.硅平面管－ 缓变(非均匀)基区晶体管 ：
杂质分布的特点：
E、B区内杂质分布非均匀 NE(x)、NB(x)、NC 发射结和集电结为缓变结。
3.1.3 晶体管的实际结构 1.晶体管纵向结构
x je
--发射结结深 ---集电结结深
x jc
Wb 0 ---冶金基区宽度
x Wb
Wb qVBE kT Wb qVBC kT qDnb nb 0 J nb Wb 1 cth e 1 csc h e Lnb Lnb Lnb
当
Wb L 1 nb
* 0
步骤是：

1）从实际问题中抽象出理论模型，提出基本假设。 2）求出各区在外电压下“非少子”的边界值。 3）解连续性方程，求出各区“非少子”的密度分布。 4）由电流密度方程和少子密度分布求各分电流密度。 5）求出Jne、Jnc、Jpe等电流密度。 得到晶体管电流 增益与内部参数关系。
'
qD pe Pe 0 qVBE kT qD pe pe 0 qVBE kT 1 J pe xe 1 W e 1 e Lpe We th e Lpe


(We
LPe )
3).集电区空穴电流密度分布
dpc x " J pc x " qDpc dx "
（a）当Wb Lnb，
z 1, shz z,
x x sh Lnb Lnb
qVBC kT
（b）当 VBC kT ，VBC 0，即e q
0
x x qVBE kT nb x nb 0 nb 0 e 1 1 nb 0 Wb Wb
晶体管的一维模型坐标：
放大工作： 晶体管发射结正偏。 发射结两侧有“少子”积 累。 设势垒区很窄，载流子服 从波尔兹曼分布 。 集电结反偏，势垒区电 场增大，势垒高度增高； 势垒区边界“少子”被 抽出， “少子”密度近似 为 0。
1、各区“少子”密度分布
1).P型基区“少子”电子密度分布

基区电子电流的边界值为：
x0
Wb qVBC kT qDnb nb 0 Wb qVBE kT J nb 0 1 csc h e 1 cth e Lnb Lnb Lnb
IC 0 IE
共基极晶体管偏置电路
发射结正偏VBE， 集电结反偏VBC
1.能带图 2.各区少子分布
3.各区电流分量
I ne
－发射结正向注入电子电流 －发射结反向注入空穴电流 －基区复合电流 －集电结电子电流 －集电结反向饱和电流
I pe
I rb
I nc I CBO
从图中关系可得到 晶体管各极电流：
当 We
'
LPe ,
z 1, shz z,sh
P e0 We
We LP e

We LP e
Pe x Pe 0
e
qVBE
kT
' 1 We x
3)、集电区的“少子”空穴密度分布
WC LPC
P c x P c0 P c 0 (e
nb x nb 0e
qVBE
kT
x 1 Wb
2)、发射区“少子”空穴密度分布 (1).少子空穴一维扩散方程
d 2 Pe x ' dx
'2

Pe x ' Pe 0 L
2 pe
0
(2).发射区少子密度的边界值
x We时，P e (We ) P e0
2.
基区输运系数

0
I nc I ne I rb I rb 0 1 I ne I ne I ne
3.集电区倍增因子

I rb ，则 0 I ne

IC I nC
一般情况下忽略反向饱和电流 I CBO，
1

3.2.4、共基极直流电流放大系数 0
1
1
其中，R□e
e
We
, R□b
b
Wb
分别是发射区、基区的方块电阻
（单位： □）
J pe J ne

J pe ( xe ) J nb (0)
(qDpe Pe 0 qDnb nb 0 Lnb
qVBE / kT )( e 1) Lpe
th

1
We Lpe

Wb qVBE / kT Wb qVBC / kT cth ( )( e 1) csc h ( )( e 1) L L nb nb
3.1.1晶体管的基本结构
双极晶体管结构示意图及电学符号
（a）PNP晶体管
（b）NPN晶体管 二个PN结：发射结、 集电结 三个区：发射区、基区、集电区； 三个电极：发射极、基极、 集电极。
3.1.2 晶体管的杂质分布

1.锗合金管 －均匀基区晶体管
杂质分布的特点：
三个区内杂质均匀分布: NE、NB、NC 发射结和集电结为突变结。
；
nb (0) nb 0e
x Wb 时，
qVBE kT
nb Wb nb 0e
qVBC
kT
nb Wb nb 0e
qVCB
kT
0
(3)、基区“少子”电子密度分布
qVBC qVBE W x x b kT kT nb 0 e 1 sh 1 sh nb 0 e Lnb Lnb nb x nb 0 Wb sh L nb
3.晶体管结构特点
①Wb<<Lnb，实现不衰减的电流传输。 ②NE>>NB，
外延平面晶体管制造工艺
3.1.5 IC中的晶体管
3.2 晶体管的放大原理
以均匀基区NPN晶体管为例来讨论
3.2.1 晶体管直流电流放大系数
IC 0 IE
IC 0 IB
3.2.2、晶体管内载流子的传 输
发射结正向偏置电路
1. N＋P结（发射结）正向电压， 势垒高度降低，扩散电流占优势， 正向电流大。 正向PN结的结电阻很小
集电结反向偏置电路
2.集电结加反向电压， PN结势垒高度增大,载流子漂移占优势， 反向电流很小、饱和。 反向PN结的结电阻很大
(a)“背对背”联接的二极管
(b)Wb<<Lnb的晶体管
，
J pe J ne
2).发射区空穴电流密度分布
dpe ( x ') J pe x ' qD pe dx '
qDpe Pe 0 J pe x ' e Lpe
qVBE kT
ch 1 sh


We x ' Lpe Lpe We

x ' xe
当
x xe 0 时：
I E I ne I pe I C I nc I CBO I B I pe I rb I CBO
3.2.3、发射效率及基区输运系数
1、发射效率
I ne I ne 0 I E I ne I pe
1 I pe 1 I ne
I pe I ne
，则 0
第3 章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
双极晶体管(1)
双极晶体管的结构 双极晶体管放大原理 双极晶体管电流增益 反向直流参数与基极电阻 双极晶体管直流伏安特性
(Bipolar Junction Transistor—BJT )
3.1 双极晶体管的结构
3.1.1 晶体管的基本结构 3.1.2晶体管的杂质分布 3.1.3晶体管的实际结构 3.1.4晶体管的结构特点 3.1.5集成电路中的晶体管
0 0 1 0
晶体管共发射极电路
晶体管放大三要素：
① Wb<<Lnb，实现不衰减的电流传输。
②发射结为单边结，NE>>NB 。 ③发射结正向偏置，集电结反向偏置。
3.3 双极晶体管电流增益
直流电流增益即直流电流 放大系数
0 , 0 0 , Ine , I pe , Inc , ICBO , Irb
时，
双曲函数展开成泰勒级数并取一级近似，有
Wb x ch 1, Lnb
VBC kT , q
x ch 1, Lnb
Wb Wb sh , Lnb Lnb
qVBC kT
且 VBC 0,
所以 e
0,
故得
qDnb nb 0 qVBE kT J nb e Wb
'
x xe =0时，P e ( xe ) P e 0e
'
qVBE kT
(3).发射区非平衡少数载流子空穴的密度分布
Pe 0
e
qVBE
Pe x ' Pe 0
sh
kT 1 We LP e
sh
W x' e LPe
x " xc 0 qD pc pc 0 qVBC kT J pc xc 1 e L pc
xe We Wb
xc Wc
53
3、均匀基区晶体管电流增益
1)、共基极直流电流放大系数 0
发射效率
J ne 0 JE 1 J pe J ne 1 Dpe N BWb Dnb N EWe 1 eWb R□e 1 1 R□b bWe 1
Wb0 x jc x je
Wb ---有效基区宽度
Wb Wb0 ( xmcb xmeb )
2.晶体管管芯平面图形

条形 园形 梳状 覆盖式 网格式
图3.1.4圆形 (1)平面图形 (2) 纵向结构
图3.1.5梳状(1)平面图形 (2) 纵向结构
3.1.4、晶体管的结构特点
" qVBC kT
1)e
x
"
Lpc
Pc 0e
0
x
"
Lpc
x" xc 0
Pc xc Βιβλιοθήκη BaiduPc 0e
q VBC
kT
x " Wc P c W C P c0
(Wc Lpc ,Wc )
2.电流密度分布：
1)基区电子扩散电流密度
dnb x J nb x qDnb dx qVBE kT Wb x x qVBC kT n e 1 ch n e 1 ch b0 b0 qDnb Lnb Lnb Lnb Wb sh L nb
IC I ne I nc I C 0 0 0 I E I E I ne I nc
1 0 I pe 1 I ne
I rb 0 1 I ne

3.2.5、共射极直流电流放大系数
IC IC 0 I B I E IC
IC IE IC 1 IE