12第三章双极型晶体管基本工作原理32-33(精)

Physics of Semiconductor Devices
§ 3.2、 § 3.3
晶体管基本工作原理 晶体管中的电流传输
Physics of Semiconductor Devices
3.2 基本工作原理
晶体管的工作模式
（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 根据发射结和集电结所处偏压的不同
2、基区输运因子
发射极注入到基极电子电流中，能够 到达集电极的电子电流所占的比例
3、共基极电流直流增益
a 是晶体管理论中的一个重 要参数，总是小于1的。
发射极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比例
Physics of Semiconductor Devices 改写 该式说明了共基极时，集电极电流与发射极电流的关系。当集电结反偏， 发射结正偏，上式有效。且集电极电流基本与集电结电压无关。
从基区注入到发射区的空穴电流，由于发射区重掺杂，IpE要比 InE小得多； Irg是发射结空间电荷区牦尽层内的复合电流； IC0
是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间
电荷区产生电流。
电流增益
1、发射极注射效率
Physics of Semiconductor Devices 发射极注入到基极的电子电流在 总的发射极电流中所占的比例
晶体管处于开关状态 往返于饱和（开）和 截止（关）区
晶体管输出特性曲线
3.3 理想双极型晶体管中的电流传输
理想晶体管的主要假设：
1、各区杂质都是均匀分布 2、PN结是理想的平面结 3、横向尺寸远大于基区宽度，不考虑边缘效应，载流子作
Physics of Semiconductor Devices
一维运动
共 发 射 极
集 电 结 电 流 电 压 特 性
Physics of Semiconductor Devices 发射结和集电结都处于正 向偏置 晶体管可能耗散的并不会使 之过热的最大功率。晶体管 不应运用于此曲线之外。
IB
发射结正偏、而集电结处于反向 偏置。此时，作为放大器使用
发射结和集电 结都处于反偏
VE＝ VBE ＝VB －VE； VC＝ VBC ＝VB －VC
Physics of Semiconductor Devices
晶体管的发大作用
正向有源模式时，晶体管处于放大状态
IE
电子
.
E
Physics of Semiconductor Devices
基区宽度窄是晶体管实 现放大的必要条件之一
各区少数载流子分布
发射结空间电荷区 的复合电流
IC0 集电结反向电流（集电结反向饱和
电流＋集电结空间电荷区产生电流）
晶体管放大工作时的 工作电流分量 共基极接法：
Physics of Semiconductor Devices
InE是从发射区注入到基区电子流； InC是到达集电结的电来自百度文库流；
InE- InC是基区注入电子通过基区时复合引起的复合电流，IpE是
在集电区，由空穴扩散方程和边界条件得：
集电区空穴扩散系数
集电区施主杂质浓度
（二） 正向有源模式
Physics of Semiconductor Devices
1、少数载流子分布
当晶体管处于正向有源模式即放大状态时， VE>0, VC<0，eVc/VT≈0
xB << Ln
Physics of Semiconductor Devices
？
由于发射结正偏，势垒降低 qVE，电 子将从发射区向基区注入，空穴将从 基区向发射区注入，基区出现过量电 子，发射区出现过量空穴。
Physics of Semiconductor Devices
过量载流子的浓度取决于发射结的偏压和掺杂浓度。当基区宽 度很小（远小于电子的扩散长度）时，从发射区注入到基区的 电子除少部分被复合，其余大部分能到达集电结耗尽区边缘， 集电结处于反偏压，集电结势垒增加了。来到集电结的电子被 电场扫入集电区，成为集电极电流。这个注入电流远大于反偏 集电结提供的反向饱和电流，是集电极电流的主要部分。如果 集电极回路中接入适当的负载，就可以实现信号放大。
Physics of Semiconductor Devices
边界条件：
经发射结注入的电流：
Physics of Semiconductor Devices
负号表示实际电流沿-x方向
同理，到达集电结的电流：
发射区内少子空穴分布可用类似于基区内所采用的方法，此时， 边界条件为： 发射区
Physics of Semiconductor Devices
！基区宽度窄是晶体管实现放大的必要条件之一，否则
注入到基区的过量电子在到达集电结之前就被复合殆尽
电流分量
发射区注入的电子流
Physics of Semiconductor Devices
InE IpE
InC
到达集电结的电子流
通过基区复合的复合电流（ InE -InC ）
基区注入到发射区的空穴电流
Irg
发射区热平衡少子浓度
在发射区，由空穴扩散方程和边界条件得：
LpE发射区空穴扩散长度
LpE<<xE
空穴电流为：
发射区空穴扩散系数 发射区施主杂质浓度
Physics of Semiconductor Devices
集电区内少子空穴分布也可用类似于基区内所采用的方法，此 时，边界条件为： 集电区
集电区热平衡少子浓度
4、集电区宽度远大于少子扩散长度 5、中性区的电导率足够高，串联电阻可忽略 6、发射结面积和集电结面积相等 7、小注入等
Physics of Semiconductor Devices
（一） 电流传输
耗 尽 区
耗 尽 区
各区均匀掺杂的NPN管的杂质分布
在中性基区(0≤ x ≤ xB)内，电子分布满足没有电场的稳态连 续性方程：
对于集电结正反两种偏压条件，上式变化为：
集 电 结 电 流 电 压 特 性
当VC 为负且很大时，又还原 为前式。
IE
晶体管输出特性曲线
Physics of Semiconductor Devices
对于共发射极接法：
定义：
共发射极直流电流增益
输入端
输出端
ICE0 是 IB=0时，集电极-发射极 的漏电流，也叫穿透电流。