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第三章讲义双极晶体管

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3-1 双极结型晶体管基础

3-1 双极结型晶体管基础

发射区：掺 杂浓度较高
集电区：面 积较大
便于收集电子
C
集电极
B
基极
P N+ P++ E
发射极
基区：较薄，掺 杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
集成电路中双极型NPN晶体管的截面图
E
C
N P N
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。
B
ICBO
RB EB
IBE
ICE N P N IE
E
24
IC=ICE+ICBO ICE C
IB=IBE -ICBOIBE
B IB
ICBO
RB EB
IBE
ICE N P N IE
EC
E
25
以 PNP 管为例。忽略势垒区产生复合电流， 处于放大状态 的晶体管内部的各电流成分如下图所示
C
B
IC IE
N+
P
0
NE(x)
NB(x)
xje xjc
NC
N
0 xje xjc
x
3.1.2 偏压与工作状态
加在各 PN 结上的电压为 C
C
集电极
集电结
VBE VB VE , VBC VB VC VEB VE VB , VCB VC VB
BJT是非线性元件，其工 作特性与其工作模式有关
IB
I E I pE I nE , I B I nE I nr , I C I pC I pE I pr I E I nE I nr

第三章双极晶体管2019124164733535

第三章双极晶体管2019124164733535

2019/11/7
半导体器件物理
28
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 发射区连续性方程为
d2nE nE nE0 0
dx2
L2n E
q V E B
发射区少子浓度的边界条件 nE(xE)nE0e k T
发射区少子的分布
nE(LnE )nE0
n E (x ) n E 0 n E 0(e qE V k BT 1 )e (x x E )L nE
• 通过发射结的空穴电流密度为
IE pA qL p p D p B B B 0[e ( qE V k B T 1 )cW L tp B h B (e qC V k B T 1 )ch sW L p B c ] B
• 通过集电结的空穴电流密度为
IC p A qL p p D p B B B 0[e ( qE V k B T 1 )ch sW L p B c B (e qC V k B T 1 )cW L tp B h ] B
集电区少子的分布
nC(LnC)nC0
n C (x ) n C 0 n C 0(eqC V k BT 1 )e(x C x)L n C
通过集电结的电子电流密度为
2019/11/7
JnC JnC (x)xxCqL n D nn C C C 0(eqC V k BT 1 )
半导体器件物理
P-N-P均匀基区 晶体管的物理 结构、杂质分 布、电场分布 和平衡态能带 图
半导体器件物理
13
2019/11/7
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
半导体器件物理

第三章 BJT双极型晶体管

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

第三章双极型晶体管

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BJT器件解析

第三章BJT器件解析

* 基区自建电场 E的大小 ~
E = [( kT / q ) / pp(x)] ·[ dpp(x) / dx ] ≈ - [( kT / q ) / NB(x) ] ·[ dNB(x) / dx ] .
若杂质分布采用指数近似,则自建电场与位置无关:
E = - (kT/q)(η/W) = 常数, η称为电场因子. 23
相应地, 发射区中本征载流子浓度将由 ni2 变为
n i e 2 = ni2 exp[ΔEg / kT].
从而使得晶体管的注射效率↓(少子浓度↑所致) . ② Auger效应: Auger复合是电子与空穴直接复合、而将能量交给另一个自由 载流子的过程. N型半导体的Auger复合寿命τA ∝ 1/ n2 ; 在重掺杂时, τA 的数值很小. 在Si发射区掺杂浓度 >1019 cm-3 时, Auger复合寿命将小于SHR复合寿命 ( SHR复合寿命的典型值为10-7 s ). 则发射区少子寿命即由τA很小的 Auger过程决定; 从而使发射区的少子扩散长度↓, 注射效率↓.
W
∫ IVR = qA
[Δnp(x) / τn ] dx = IEnW2 / λLn2 (指数分布近似),
0
1/λ= [η- 1 + exp(-η) ] /η2 ≈ (η- 1)/ η2 ≈1 / η;
则输运系数为 β* = 1 – IVR / IEn = 1 - W2/ λLn2 .
③直流电流增益 ~ (掺杂浓度均是指平均值)
IB = IE - IC = (a11-a21){exp(qVBE/kT) - 1}
+ (a12-a22){exp(qVBC/kT) - 1},
* 可求得电流增益αo 和βo 与材料和结构参数之间的关系.

第三章-双极型晶体管的频率特性

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

第三章讲义双极型晶体管

第三章讲义双极型晶体管

发射区少子空穴寿命 p 随着俄歇复合的增加而降低。
A Cn1n02 NS， i 俄歇复合寿命
111
p T A
俄歇复合
通过复合中心复合
少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率↓。
3.基区表面复合
表面复合对基区输运系数的影响可表示为
0 *IneIIn rb eIsb1IIn rb eIIn sb e
3.3.4影响电流放大系数的因素
1. 发射结势垒复合对电流放大系数的影响
Ine
Ine
1
Ie IneIpeIre 1Ipe Ire
Ine Ine
考虑势垒复合
电流Ire后，小 电流下的电流
放大系数降低，
大电流下Ire可 以忽略。
2. 发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响
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
E、得到共基极和共射极 电流放大系数
3.3 晶体管的直流电流增益
四、电流增益 （1）发射效率
1
1
1 pB N BWB 1 E WB
nE N EWE
B WE
其 中 平 均 杂 质 浓 度 ：N B
1 WB
WB 0
N
B
x
dx
1 0
N E WE N WE E x dx
3.3 晶体管的直流电流增益
3.3 晶体管的直流电流增益
二、电流密度分布函数
jnBxqD L n n B B nB 0
eqV bekT1ch W L Bn Bx eqV bckT1ch L x nB shW BL nB
jn E jn B0 q D L n n B B n B 0 e q V b ek T 1 c th W L n B B e q V b ck T 1 c s c h W L n B B

第3章双极型晶体管及其基本放大电路

第3章双极型晶体管及其基本放大电路

iC / mA4Βιβλιοθήκη 饱和区3放
100 μA 80 μA 60 μA
截止区——iC接近零的区 域，相当iB=0的曲线的下 方。此时，发射结反偏，
集电结反偏。
2
大
40 μA
放大区——iC平行于uCE
1
I CEO
O
区 20 μA
I B =0 μA
截止区
轴的区域，曲线基本平行 等距。 此时，发射结正
3 6 9 12 uCE / V 偏，集电结反偏，电压大
双极型晶体管的型号和主要参数
2. 晶体管的封装
小、中功率晶体管图片(金属圆壳封装)
小、中功率晶体管图片(塑封)
大功率晶体管图片
3.3 放大的概念和放大电路的性能指标
3.3.1 放大的概念
基本放大电路一般是指由晶体管与其它电路元件所 组成的放大电路。 1. 放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅 度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。 2. 输出信号不能失真，即输出信号与输入信号之间在形状 上不能变样。
ICQ2
电流IBQ之比，定义：
1
ICQ ICEO ICQ
ICEO
O
I BQ
I BQ uCE CONST
Q IBQ
80 μA 60 μA
40 μA
20 μA
IB =0
3
6
9
12 uCE / V
输出特性曲线
②共基极组态直流电流放大系数
称为共基极直流电流放大系数。
ICQ ICEO ICQ
2.U(BR) EBO——e 集电极c-开mA+路+限时流电发阻 射结的击穿电压。 3.U(BR)CEO——c 基极b 开-e路mA集+V-+限电流电极阻和发射极间的击穿电压。 对路于的。U(B几R)个CER击表b穿示电Bbc压E-U间U在(mB(ABR接大R+)C)VEB+-有B限 V小OO-流电上电阻阻有，如U下(B关R)C系ES表示BE间是短

第三章 双极晶体管

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

03 双极型晶体管(BJT)解析

03 双极型晶体管(BJT)解析
晶体管之父 William Shockley
3
3.1 BJT的结构及内部载流子的传输
晶体管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。两 个PN结互相影响，使晶体管表现出不同于单个PN结的特性而具有信 号放大功能，因而成为各种电子电路的核心元件。 在晶体管中，参与导电的有空穴和电子两种载流子，又因为它 是由两个PN结构成，所以被称为双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor)。 由于BJT有三个电极, 因而又称为三极管。它有很多种类。按频 率分有高频管、低频管；按功率分有大、中、小功率管；按材料分 有Si和Ge管。 根据结构的不同，三极管一般有两种类型：NPN 型和 PNP 型。
14
(1) 当VCE=0V时，从输入回路看，由于发射结正偏，输入特性与半导 体二极管的正向特性曲线类似。 (2)当VCE0时，这个电压的极性有利于把发射区扩散到基极的电子收 集到集电极。如果VCE>VBE，则发射结正偏，集电结反偏。集电极开始 收集电子，基区复合减少，在同样的vBE下,IB减小，特性曲线右移。
第3章 双极型晶体管（BJT）
中山大学 郭东亮
1
1947年的晶体管（transistor）
1947年12月16日，美国新泽 西州的贝尔实验室里，3位科学 家——威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿 （Walter Brattain）成功地制造 出第一个晶体管，改变了人类的 历史。 1950年，William Shockley 开发出双极性接面晶体管 （bipolar junction transistor, BJT），也就是现在俗称的晶体管。
15
二、输出特性曲线

第三章双极结型三极管及放大电路基础资料

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

12第三章双极型晶体管基本工作原理32-33(精)

12第三章双极型晶体管基本工作原理32-33(精)

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
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
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：
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

003双极晶体管1a1

003双极晶体管1a1
以上是基区的电流分量，接下来看发射区的电流分量
发 射 区
0
发射区空穴电流(表达式)
书本77页有详细推导，同学自己看
IpE xqApE D dd E p xx
IpExqLp A p EE D pExmE exxmELpE
IpE xqL p A p EE D p ExmE exxmE L pE
本章主要介绍BJT的结构、工作原理，重点介 绍其载流子的运动规律和直流特性
分析方法：通过对器件工作时载流子的运动规律的 分析，把器件的电学特性和器件内部结构、材料、 工艺参数联系起来，为我们设计、使用晶体管提供 相应的理论基础。
1、晶体管的分类、基本结构及杂质分布
2、双极晶体管的放大原理
3、双极晶体管的直流伏安特性 4、双极晶体管的电流增益 5、反向直流参数及基极电阻
In
E 、Ip
E 、In
C 、Ip
、
C
3. 由这些电流分量得出晶体管的伏安特性方程
IE InEIpE
IC InCIpC
缓变基区晶体管的直流伏安特性
基 区
0
由连续性方程求各区的少子分布函数
基区少子分布(表达式)
nBxnB 0nB0shW L BsnB h x W B L n nB B W BshLxnB
淡紫色
青色 橙色
返回发射区
自建电场
返回集电区 自建电场
浅青绿色
由于工艺上的原因，相对均匀基区管，缓变基区管三
个区的杂质呈非均匀分布，所以其伏安特性和均匀基区管
也有很大差别
为什么呢？原因如下，具体见后面的分析
杂质的非 均匀分布
自建电场
伏安特性
杂质的非 均匀分布
自建电场

03模拟电子技术第三章_双极结型晶体管

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

第3章双极晶体管

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。

第三章 双极型晶体管及其放大电路

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

第三讲双极型晶体管

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。
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( NE >> NB )
8
3.2 晶体管的放大原理
NPN晶体管的几种组态
共基极 共射极 共集电极
0 0
IC
I I
E C
IB
共基e 极
N
共b 发射极
P
共收集极 N c
晶体管的共集电极接法
9
3.2.1、晶体管中载流子的传输
以共基极为例：
WB
1、发射结的注入
2、基区的输运与 复合
Ine
Inc
3、集电极的收集
A、对发射区、基区、集电区分别建立扩散方程 B、利用波尔兹曼分布关系建立边界条件 C、解扩散方程得到各区少子分布函数 D、利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数 E、由电流密度分布函数得到jne , jnc , jpe 。 F、求出发射效率和输运系数 G、得到共基极和共射极电流放大系数
20
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
IE IBIC
12
3.2.2、发射效率及基区输运系数 1、发射效率γ0
从发射结注入的电流有电子电流和空穴电流，即Ine和Ipe，但 只有正向注入的Ine中的大部分能达到集电区，构成IC的主要 部分，它显然对放大有贡献。因此从电流的传输和放大来看， Ine越大越好，Ipe越小越好。为了表示有效注入电流在总的发 射电流中所占的比例
发
发
集
集
射
发射区 射 基区 电 集电区
电
极
结
结
极
基极
npn晶体放大的机理是：发射区注入基区的电子绝大部分被集 电区收集成为集电极电流（发射结正偏，集电结）
1. 若基区宽度较大，Wb>Lnb，则注入到基区的电子（少子） 在到达集电区前就已经复合掉了，使大的正向电流只在左 边pn结中存在，右边pn结反偏，电流很小，两pn结互不相 干，没有放大作用。
精品jing
第三章双极晶体管
第 3 章 双极型晶体管
3.1 结构 3.2 放大原理 3.3 电流增益 3.4 特性参数 3.5 直流伏安特性 3.6 开关特性 3.7 小结
2
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
3.1.1晶体管的基本结构 由两个靠得很近的背靠背的PN结构成
c
b e
PNP
Ir
IE
IC
Ipe
ICBO
IB 10
各区少子分布
能带图
11
NPN晶体管的电流转换
Ine:发射结正向注入电子电流 Irb:基区复合电流
Icbo:集电结反向饱和电流
Ipe:发射结反向注入空穴电流 Inc:集电结电子电流
IE Ipe Ine ICInc Icbo IBIpeIrbIcbo
Ine Inc Irb
7
2. 发射结正偏时，发射区向基区注入电子的同时，基区也向
发射区注入空穴--由基极电流提供，但此电流不能形成集电 极电流，对放大作用没有贡献。故需要让发射区注入的电 子比基区注入的空穴多得多，即要求掺杂浓度的控制。
3.1.3、结构特点 （1）基区宽度远小于基区少子扩散长度
(WB << L) （2）发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度
1.共基极直流电流放大系数
0IIC EIInE eIIn nceIIn C c 0
0
2.共射极直流电流放大系数 IC
0
IC IB
IC IE IC
IE 1 IC
0 10
IE
16
晶体管共基极电流没有电流放大作用，但可有电压 及功率放大作用。
共射极电路既可作为电流放大，也可作为电压放大 及功率放大。
WB
Ine
Inc
Ir
IE
IC
Ipe
ICBIBຫໍສະໝຸດ O21坐标：
发
发
集
集
射
发射区 射 基区 电 集电区
电
极
结
结
极
We
xe 0 Wb xc
Wc
基极
22
一、少数载流子分布
（1）基区“少子”电 子密度分布
nB(x)
0
WB
nb xnb0nb0eqVBEkT1shW sL bh n bx W b Ln nbb0eqVBCkT1shLxnb
17
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。
18
3.3 晶体管的直流电流增益
任务：导出α0、β0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
19
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
25
3.3 晶体管的直流电流增益
二、电流密度分布函数
jnBxqD L n n B B nB 0
eqV bekT1ch W L Bn Bx eqV bckT1ch L x nB shW BL nB
jn E jn B0 q D L n n B B n B 0 e q V b ek T 1 c th W L n B B e q V b ck T 1 c s c h W L n B B
c
b e
NPN
3
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
4
5
6
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？
jn c jn B W B q D L n n B B n B 0 e q V b ek T 1 c s c h W L n B B e q V b ck T 1 c th W L n B B
26
23
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
p Ex p E 0 p E 0e q V b ek T 1 e x L p E
24
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
p C x p C 0 p C 0e q V b ck T 1 e x L p C
13
0
Ine IE
Ine Ine Ipe
1 1Ipe
Ine
I pe I ne
，则 0
14
2、基区输运系数β* 为了说明传输过程中效率的高低
0IIn nce
IneIrb Ine
1Irb Ine
Irb Ine
，则0
3、集电区倍增因子 *
Ic 1
I nc
15
3.2.3、晶体管电流放大系数