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第3章_双极结型晶体管

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第三章--双极型晶体管

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

双极型晶体管

双极型晶体管
大
3 2 5 晶体管的主要参数 3.2.5
晶体的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数 直流参数、交流参数、极限参数 1. 直流参数 (1) 直流电流放大系数 ①共发射极组态直流电流放大系数 对共射组态的电流放大系数， 在UCE不变的条件下，输出 集电极电流ICQ与输入基极 电流IBQ之比，定义：
i C / mA
ICM
饱 和 区
过流区
过 PCM 损 耗 区 作 区
截止区
过电流区是集电极电流达到 ICM和超过ICM以上的部分。
过 电 压 区
u CE / V
安 全 工
过损耗区由晶体管的集电极 最大功率损耗值确定，是一 条曲线。 过电压区由U (BR)CEO决定。 曲线中间部分为安全工作区 曲线中间部分为安全工作区。
N
P
N
IE
IEP IBN
b
电子
ICN ICBO IB
空穴
IC
c
IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN
e IEN
IB= IEP + IBN - ICBO
2. 晶体管电极电流的关系 发射极电流：IE= IEN+IEP 集电极电流：IC=ICN+ICBO ICN=IEN-IBN 基极电流： 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN IB=IEP+IBN-ICBO 且有IEN>>IEP
3.2.7 晶体管的型号及封装
1. 晶体管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下: 用字母表示同一型号中的不同规格 3 D G 110 B 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管

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)

3和5章简答

3和5章简答
23、比较各击穿电压的大小时可知，BVCBO（>>）BVCEO ，BVCBO（>>）BVEBO。
24、随着信号频率的提高，晶体管的αω, βω的幅度会(下降），相角会（滞后）。
25、在高频下，基区渡越时间τb对晶体管有三个作用，它们是：（复合损失使小于1β0*小于1）、（时间延迟使相位滞后）和（渡越时间的分散使|βω*|减小）。
12、当晶体管处于放大区时，理想情况下集电极电流随集电结反偏的增加而（不变）。但实际情况下集电极电流随集电结反偏增加而（增大），这称为（基区宽度调变）效应。
13、当集电结反偏增加时，集电结耗尽区宽度会（增宽），使基区宽度（变窄），从而使集电极电流（增大），这就是基区宽度调变效应（即厄尔利效应）。
4、什么是有效沟道长度调制效应？如何抑制有效沟道长度调制效应？
答：沟道有效长度随VDS的增大而缩短的现象成为-；抑制有效沟道长度效应的措施：减小VDS增大NA。
5、什么是MOSFET的跨导gm？写出gm的表达式，并讨论提高gm的措施。
答：跨导是MOSFET的对称特性的斜率，它反映了MOSFET的栅源电压VGS对漏电极ID的控制能力。提高措施：增大沟道宽度，减少沟道长度，增加VGS等。
4、N沟道MOSFET中，VGS越大，则沟道中的电子就越（多），沟道电阻就越（小），漏极电流就越（大）。
5、在N沟道MOSFET中，VT>0的称为增强型，当VGS=0时MOSFET处于（截止）状态；VT<0的称为耗尽型，当VGS=0时MOSFET处于（导通）状态。
6、由于栅氧化层中通常带（正）电荷，所以（P）型区比（N）型区更容易发生反型。
10、当N沟道MOSFET的VGS<VT时，MOSFET（不）导电，这称为（增强型）导电。

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

《模拟电子技术基础》第3章 双极型晶体管及其基本放大电路

《模拟电子技术基础》第3章 双极型晶体管及其基本放大电路

3.2 双极型晶体管
3.2.4 晶体管的共射特性曲线
2.输出特性曲线—— iC=f(uCE) IB=const
以IB为参变量的一族特性曲线
(1)当UCE=0V时，因集电极无收集
作用，IC=0；
(2)随着uCE 的增大，集电区收集电
子的能力逐渐增强，iC 随着uCE 增加而
增加；
(3)当uCE 增加到使集电结反偏电压
电压，集电结应加反向偏置电压。
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
1. 晶体管内部载流子的传输
如何保证注入的载流
子尽可能地到达集电区？
P
N
IE=IEN + IEP
IEN >> IEP
IC= ICN +ICBO
ICN= IEN – IBN
IEN>> IBN
ICN>>IBN
N
IEP
IE
3. 晶体管的电流放大系数
(1) 共基极直流电流放大系数
通常把被集电区收集的电子所形成的电流ICN 与发射极电流
IE之比称为共基电极直流电流放大系数。
ത
I CN

IE
由于IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN，且ICN>> IBN，ICN>>IEP。通常ത
的值小于1，但≈1，一般
ത
为0.9-0.99。
ത
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
3. 晶体管的电流放大系数
(2) 共射极直流电流放大系数
I C I CN I CBO I E I CBO ( I C I B ) I CBO

ebers-moll模型

ebers-moll模型

极 晶 体 管（ Unipolar Transistor ）。在 NPN 和 PNP 晶 体 管 中 ，两 种 载 流 子 同
时 对 电 流 传 输 起 重 要 作 用 。 从 而 把 NPN 和 PNP 晶 体 管 称 为 双 极 结 型 晶 体 管
（ BJT ⎯ Bipolar Junction Transistor ）。
q Vc 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 子
电流远大于反偏集电结所提供的反向饱和电流，是集电极电流的主要部分。 如果在集电极回路中接入适当的负载就可以实现信号放大。
从以上分析可见，基区宽度很窄是晶体管实现放大作用的必要条件之 一 。 如 果 基 区 较 宽 （ 大 于 电 子 扩 散 长 度 ）， 注 入 到 基 区 的 过 量 电 子 在 到 达 集
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 。过 量 载 流 子 浓 度 取 决 于 发 射 结 偏 压 的 大 小 和 掺 杂 浓 度 。当 基 区 宽 度 很 小（ 远 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 掉 外 ，其 余 大 部 分 能 到 达 集 电 结 耗 尽 区 边 缘 。集 电 结 处 于 反 向 偏 压 ，集 电 结 势 垒 增 加 了
（3） 饱和模式：
VE >0， VC >0；
（4） 截止模式：
VE <0， VC <0。
3.2.1 晶体管的放大作用
以 正 向 有 源 工 作 模 式 为 例 说 明 晶 体 管 的 放 大 作 用 。图 3-6 表 示 晶 体 管 偏 置在正向有源模式下的情形。

第3章 双极结型晶体管(二)

第3章 双极结型晶体管(二)
基极接触
n
p
发射极
分析： 交叉指状电极能有效克服电流集聚 效应？
型基极 型集电极
n
发射极接触
图5-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图
5.7基区宽度调变效应
1.问题的提出
IC 0 IC IB 1 1 hFE I B I CE 0
图5-8 （b）共发射极情形
5.7基区宽度调变效应
VE 0， VC 0
VE VT
n p x B 0
n p xB n p0 eVC VT
E
(3)饱和工作模式：
相应的边界条件为: np 0 (4) 截止工作模式: VE <0， VC <0 相应的边界条件为:
n p0eV
VT
n p xB n p0 eVC VT
2.基区宽度调变效应的分析：
前面的讨论中默认有效基区宽度是 1)
x B 不变的，实际上 x B 是集电结偏压的函数。
hFE 的变化：
hFE 2L2 T T 2n 1 1 T 1 T xB
（3-60）
2 共发射极电流增益正比于 x B ，当 VCE 增加时，集电结空间电荷区展宽，使
I n qAnp xvx
（5-67）
dx vxdt
一个电子渡过基区所需要的时间
B
xB
0
xB qAnp x dx dx 0 v x In
（5-68）
5.8晶体管的频率响应
根据（5-55）式
1 B Dn

xB
0
dx xB N a x dx x N a x
0 1 j
，
（5-62）

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

电子科技大学《微电子器件》课件PPT(3-1)

电子科技大学《微电子器件》课件PPT(3-1)
第 3 章 双极结型晶体管
3.1 双极结型晶体管基础
PN 结正向电流的来源是多子，所以正向电流很大 ；反向 电流的来源是少子，所以反向电流很小。
如果能用其他方法给反偏 PN 结Байду номын сангаас供大量少子，就能提高 反偏 PN 结的电流。
给反偏 PN 结提供少子的方法之一是在其附近制作一个正偏 PN 结，使正偏 PN 结注入的少子来不及复合就被反偏 PN 结收集 而形成很大的反向电流。反向电流的大小取决于其附近正偏 PN 结偏压的大小。
E
CE
C
P NP
NP N
B
B
E
C
E
C
B
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。
0
NE(x)
N+ P
xje
NB(x) NC
xjc
N
0 xje xjc
x
3.1.2 偏压与工作状态
PN P
通过改变正偏 PN 结的偏压来控制其附近反偏 PN 结的电流 的方法称为 双极晶体管效应 ，由此发明的双极结型晶体管获得 了诺贝尔物理奖。
双极结型晶体管 ( Bipolar Junction Transistor ) 简称为双极 型晶体管，或晶体管。
3.1.1 双极结型晶体管的结构
双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型，其结构 示意图和在电路图中的符号如下
定义：发射结正偏，集电结 零偏 时的 IC 与 IE 之比，称为
共基极直流短路电流放大系数，记为 ，即
IC
VEB 0,VCB 0

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

第三章 双极结型晶体管习题)

第三章 双极结型晶体管习题)

第三章双极结型晶体管(习题)第三章3–1．画出PNP晶体管在平衡时以及在正向有源工作模式下的能带图。

画出晶体管的示意图并表示出所有的电流成分，写出各级电流表达式。

画出发射区、基区、集电区少子分布示意图。

3–2．考虑一个NPN硅晶体管，具有这样一些参数：xB?2?m，在均匀掺杂基区Na?5?1016cm?3,?n?1?s,A?。

若集电结被反向偏置，InE?1mA，计算2在发射结基区一边的过量电子密度、发射结电压以及基区输运因子。

3–3．在3–2的晶体管中，假设发射极的掺杂浓度为1018cm?3，xE?2?m，?pE?10ns，发射结空间电荷区中，?0??s。

计算在InE?1mA时的发射效率和hFE。

3–4．一NPN晶体管具有以下规格：发射区面积=1平方密耳，基区面积=10平方密耳，发射区宽度= 2?m，基区宽度= 1?m，发射区薄层电阻为2?/200?/，基区薄层电阻为，集电极电阻率=?.cm，发射区空穴寿命=1ns，基区电子寿命=100ns，假设发射极的复合电流为常数并等于1?A。

还假设为突变结和均匀掺杂。

计算用半对数坐标画出曲线。

IE?10?A、100?A、1mA、10mA、100mA以及1A时的hFE。

中间电流范围的控制因素是什么？3-5．根据式或式，证明对于任意的2xBLn值公式和变成a11??qAni[DnNaLn2(cothxBLnxBLn)?DPENdExE] a12?a21?qADnniNaLn2cscha22??qAni[证明，若xBDnNaLn(cothxBLn)?DPCNdCLPC]Ln 3–6．证明在有源区晶体管发射极电流–电压特性可用下式表示IE?IE01??F?ReVE/VT+qAniWE2?0eVE/VT其中IE0为集电极开路时发射结反向饱和电流。

提示：首先EM方程导出IF0?IE01??F?R。

3–7．忽略空间电荷区的复合电流，证明晶体管共发射极输出特性的精确表达式为 -VCE?VTln注意：首先求出用电流表示结电压的显示解。

第3章 双极结型晶体管2

第3章 双极结型晶体管2

3.4爱拜耳斯-莫尔方程
小结 ➢ 给出了BJT在四种工作模式下少子分布边界条件和少子分布示意图。0 eVE VT 1 R I R0 eVC VT 1
I C F I F 0 eVE VT 1 I R0 eVC VT 1
（3-48）
I C F I F 0 eVE VT 1 I R0 eVC VT 1
（3-49）
✓ 了解E－M方程中四个参数的物理意义 ✓ 根据E－M方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。 ※ 作业：习题3-5、3-6、3-7。
3.5缓变基区晶体管
3.5缓变基区晶体管
3.4爱拜耳斯-莫尔方程
根据图3-15C可以写出
I F I F 0 eVE VT 1
I R I R0 eVC VT 1
其中 I F0和 I R0 分别为两个二极管反向饱和电流。
端电流为： I E I F R I R IC F IF IR
联立（3-44），（3-45），（3-46）和（3-47）式得到
I E I F 0 eVE VT 1 R I R0 eVC VT 1 I C F I F 0 eVE VT 1 I R0 eVC VT 1
（3-48）和（3-49）式即为E-M方程
（3-44） （3-45）
（3-46） （3-47） （3-48） （3-49）
3.4爱拜耳斯-莫尔方程
暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流，则
I E I pE InE a11 eVE VT 1 a12 eVC VT 1
式中
a11

qAni2
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Dn
d 2np dx
2

n p n p0
n
VE VT
0
VC VT
n 边界条件为： p 0 n p 0 e
n p x B n p 0 e

解为： x n n
p
p0
n p 0 eVE
VT
xB x sinh Ln 1 n p 0 eVc VT 1 xB sinh Ln 20
x sinh Ln xB sinh Ln
I nE qADn
Dn n p 0 Ln
dn p x dx
VT
x 0
I nE qA
cth x B （eVE Ln
9
3.2.2电流分量
10
3.2.2电流分量
电流分量之间的关系
I E I nE I pE I rg
I B I pE I RE I nE I nC I C 0
I C I nC I C 0
I E IC I B 0
11
3.2.3电流增益
为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率
（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； （7）小注入，等等
18

理想晶体管的结构示意图：
Nd Na
xE
0
WE
xB
xC x
图 3-10 各区均匀掺杂 NPN 晶体管的杂质分布
19
3.3.1载流子分布不电流分量
一、基区载流子分布及电流 中性基区（ 0x x B ）少子电子分布及其电流：
式中定义
hFE
1
IC0 1
共发射极直流电流增益 IB=0时，集电极－发射极漏电流，也 称为穿透电流。
16
I CE 0
伏安特性曲线
饱和区 10 8
125 100 75
10 8 6
IC （mA ）
10 8 6 4 2 0 10 0 2 4 6
IC （mA ）
6 4 2
4 2
有源区
50 25
第3章 双极结型晶体管
1
晶体管的収展史
1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生
1949年提出PN结和双极结型晶体管理论 1951年制造出第一只锗结型晶体管 1956年制造出第一只硅结型晶体管 1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖
1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三） 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产

VT
1

ni2 I nc qADn eVE N a Ln
VT
xB 1 csc h Ln
I nE
ni2 qADn eVE N a Ln
VT
xB 1 coth Ln
I nc qADn
14

当集电结处于正向偏压时：
I C I E I C 0 (e

VC / VT
1)
上式中，当VC为负的很大时，将还原为反向 向偏置的情况。
15
共发射极电流增益
I C I C I B I C 0
IC0 IC IB hFE I B I CE 0 1 1

e
VC VT
1

I nE
ni2 qADn eVE N a Ln
VT
xB 1 coth Ln
I nc qA
Dn n p 0 Ln
1 eVE sinh( xB ) Ln
VT
xB VC 1 cth e Ln
n eVE N a Ln
2 i
VT
xB 1 csc h Ln
T sec h( )
xB Ln
当xB Ln时
I nE
ni2 qADn eVE N a xB
2 1 xB T 1 2 2 Ln
28
VT
1
当晶体管处于放大状态
I nE ni2 qADn eVE N a xB
22

VT
xE x sinh L pE 1 x E WE sinh L pE

若 x E L pE ，（3-3-11）式可以写作：
pE x pE 0 pE 0 e
VE VT
WE x 1 1 xE WE
pC xC pC 0 eVC 边界条件：
VT
pC pC 0
1 e
pC x pC 0 pC 0 e
I pC x qADpC
qAD pC

VC VT

x xC L pC
pC 0 VC e LpC

VT
1 e

x xC LpC
1 1 ） xB sinh L n

e
VC VT
1

I nC qADn
dn p x dx
x xB
qA
Dn n p 0 Ln
1 eVE xB sinh( ) Ln
21
VT
xB VC 1 cth e Ln
B （d）
图 3-2 （a）理想的一维 NPN 双极结晶体管， （b）图（a）的电路符号 （c）理想的一维 PNP 双极结晶体管， （d）图（c）的电路符号
4
1、由两个相距很近的PN结组成，基区 宽度远远小于少子扩散长度，分为： NPN和PNP两种形式
2、发射区为重搀杂，发射结为P+N或 者N+P，基区是两个PN结的公共端
3、 双极晶体管的主要作用是对电流或 者电压的放大。
5
3.2双极结型晶体管的基本工作原理
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
（1）正向有源模式
（2） 反向有源模式： （3）饱和模式： （4）截止模式
VE 0 VE 0
8
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。
(3)从发射区注入基区，进入集电区的电子电流远大 于集电结反偏所提供的发祥饱和电流，是集电极电 流的主要成分。 (4)晶体管实现放大的必要条件之一：基区宽度很窄
I nE I nE I E I nE I pE I RE
的意义：从发射区注入到基区的电子电流，
在总的发射极电流中所占的比例。
12
基区输运因子
T
I nC T I nE
T 的意义：发射区注入到基区的电子电流中
能到达集电极的电子电流比例。
共基极直流电流增益

I nE
I nC T I pE I rg

VC VT
1 e

x xC L pC
26 图3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布
二、电流分量
在正向有源模式下 有：
I nE qA
Dn n p 0 Ln
cth x B （eVE Ln
VT
1 ）
1 x sinh B L n
x 1 1 xE
p E x p E 0 p E 0 e

VE VT

空穴电流为：
I pE WE qADpE
pE 0
xE
eVE
VT
1
VT
qADpE
23
ni2 e VE N dE x E

1

三、集电区少子空穴分布及其电流
I B I pE I nE I nC I RE
DPE Dn xB qAn 2 N dE xE 2 N a Ln
ni2 eVC N dC LpC

VT
1 e

( x xC ) / L pc
24
ห้องสมุดไป่ตู้
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
xB x sinh Ln 1 n p 0 eVc VT 1 xB sinh Ln x sinh Ln xB sinh Ln
I E 0 mA
0 2 4 6 8 VCB （V ） （a ）
I B 0 A
8 10
截止区
VCE （V ） （b ）
集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形
17
3.3理想双极结型晶体管中的电流传输
理想晶体管假设:
（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；