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第三章双极晶体管96056130页PPT

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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)

003双极晶体管1a1

003双极晶体管1a1

a、均匀基区晶体管---合金管
铟、镓，加热到铟镓与锗的共溶温度
制作工艺 三个区的杂质分布
b、缓变基区晶体管---平面管
淡紫色
青色 橙色
1019cm-3
浅青绿色
顶视图
1015cm-3 1017cm-3
制作工艺？（对照 顶视图讲解） 三个区的杂质分布
淡紫色
水绿色 橙色
浅青绿色
掺 杂 过 程
两种管的简单比较
RL
返回
2§.22.2.2晶晶体体管端管电流端的组电成 流的组成
2§.32.2.3描描述述晶体晶管电体流传输管作用电和放流大 性传能的参输数 作用和放大性能的参数
1. 共基极直流电流增益：
2. 从发射极输入电流中有多大比例传输到集电
3. 极。
0

I nc IE
2. 共射极直流电流增益：
发射极电流中传输到集电极部分与传输过程中

I nE IE

* 0

I nC I nE
提高直流电流增益的一般原则：尽可能的 减少输运过程中的损失。
2§.42.2.晶4 晶体体管管的放的大能放力大能力
Vi V0 GV Pi P0 GP
3.§2.3晶晶体体管的直管流伏的安特直性 流伏安特性 本节内容：
3.1 均匀基区晶体管的伏安特性 3.2 缓变基区晶体管有源放大区的伏安特性
按各区掺杂情况：NPN、 PNP 符号：NPN、 PNP（画于黑板）
(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管
半导体三极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
3DG110B
用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号

第三章双极晶体管2019124164733535

第三章双极晶体管2019124164733535

2019/11/2
半导体器件物理
23
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 由这一物理模型就可以求解各区中的少子连续方 程，得出各区的少子浓度分布和电流密度分布。 最后求出发射极电流IE，集电极电流IC与偏压VEB 和VCB的函数关系。
• 根据基本物理模型，可以写出稳态下的一维的电 流密度方程和连续性方程如下：
其中， 发射效率：
IEp IEp
IE IEp IEn
基区传输因子
T

I Cp I Ep
即
0 T
2019/11/2
半导体器件物理
18
Байду номын сангаас
中国科学技术大学物理系微电子专业
集电极电流表达式：
IC0IEICBO
下标CB: 表示C和B结的端电流 O: 表示对应的第三端与第二端之间为开态
为突变结。 ②小注入条件满足。即注入到基区的少子浓度远低于该区多子
浓度。 ③势垒区宽度远小于扩散长度，忽略耗尽区内的产生一复合作
用，通过势垒区的电流为常数。 ④器件中不存在串联电阻，晶体管三个中性区的电导率均足够
高，使得外加电压全部降落在势垒区中，势垒区以外无电 场。 ⑤器件的一维性。使载流子只沿x方向作一维运动，忽略了表 面复合等影响，且发射结和集电结两结面积相同且互相平 行。 ⑥发两射端区处宽的度少W子E和浓集度电等区于宽平度衡W时C都值远。大于少子扩散长度，在
通过发射结的电子电流密度为
2019/11/2
JnE Jn(E x)xxEqL nD nn E E E 0(eqB Vk ET 1 )
半导体器件物理
29
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 类似地，集电区连续性方程为

《双极型晶体管》课件

《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。

第三章 双极晶体管82页PPT

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

半导体物理与器件 课件 教学PPT 作者 裴素华 第3章 双极型晶体管

半导体物理与器件 课件 教学PPT 作者 裴素华 第3章 双极型晶体管

pe ( X 1 ) pe0 e qU E / kT
空穴扩散电流为
I p ( X1 ) A
qDpe p e0 qU E / kT （e 1 ） L pe
3.2. 3 晶体管的直流电流方程式
3. IVB表达式
IVB是注入基区的电子与基区中的空穴复合而形成的复合电流。 IVB=-q×单位时间内在基区中复合的电子数 在只考虑体内复合的情况下
4. ICBO的表达式
ICBO由电子漂移电流和空穴漂移电流IpCB两部分组成，即ICBO=InCB+IpCB
I nCB A qD nb n b 0 qU C / kT （e 1 ） Wb
qDpc pc0 qUC / kT （e 1 ） Lpc
qDpc pc0 qDnb nb 0 A （e qU C / kT 1 ] ） Wb LPc
nb ( X 2 ) nb0eqU E / kT
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 / kT
（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
nb ( X 3 ) nb0eqU C / kT nb0eqU C / kT 0 pc ( X 4 ) pc0eqU C / kT pc0eqU C / kT 0
3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布
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。

《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。

双极晶体管PPT课件


Irb I ne
Isb
1
I rb I ne
I sb I ne
体复合 表面复合
对均匀基区
对缓变基区
0*
1
Wb 2L2nb
SASWb Ae Dnb
S为表面复合速率
0*
1
Wb
L2nb
SASWb N B Ae Dnb NB 0
47
4. 基区宽变效应
基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度调变 效应（厄尔利效应）
Ine
I ne
1
Ie Ine I pe Ire 1 I pe Ire
Ine Ine
43
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
1）形成杂质带尾，禁带变窄 Eg Eg Eg'
Eg
3q3
16 s
NE
S kT
Eg ni ni2 ND NDeff
1
Dpe
N
BWb
)
1
Wb2 2L2nb
1
Dpe NBWb Dnb NEWe
Wb2 2L2nb
Dnb NEWe
或者
( 1
1
eWb
)
1
Wb2 2L2nb
1
eWb bWe
1
Wb2 2L2nb
bWe
1
eWb bWe
Wb2 2L2nb
29
4、共射极电流增益
0
0 10
1
10
41
3.3 晶体管的直流电流增益 3.3.3 提高放大系数的途径 1、减小基区宽度 （基区少子浓度梯度大，且复合损失小）

第三章 双极晶体管ppt课件

集电极电流表达式：
IC0IEICBO
下标CB: 表示C和B结的端电流 O: 表示对应的第三端与第二端之间为开态
28.04.2020
.
19
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 共发射极晶体管的电流放大系数（电流增 益）为
01 00IEI CIpCpICInC IpB
• 电路应用中，晶体管的共射级组态最常用， 即发射极作为公共端，基极和集电极为输 入和输出端。
.
13
28.04.2020
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
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。
28.04.2020
.
7
中国科学技术大学物理系微电子专业
双极型晶体管
n+
p
n
p+
n
p
28.04.2020
.
8
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 晶体管工艺与杂质分布 (a)合金管

【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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1948年，肖克莱发明了“结型晶体管 ”。1948年7月1日，美国《纽约 时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消 息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引 爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！
1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶 体管计算机 TRADIC
N=ND-NA 硼B、磷P分别采用预淀积、再分布两步扩散形 成高斯分布。
N=NSeexp(-x2/Le2)-Nsbexp(-x2/Lb2)+NC Le2=4Dete,De 磷扩散系数，te扩散时间 Lb2=4Dbtb,Db 硼扩散系数，tb扩散时间 NSe磷表面浓度，NSb硼表面浓度
3.1 双极型晶体管的工作原理
有源器件（Active Device） ：
工作时需要外部能量源的器件，该器件至少有一个输出 ，并且是输入信号的一个函数。
如：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管 、结型场效应晶体管…
原理：在器件的两个端点施加电压，控制第三端的电流
晶体管的诞生
1947年12月23日，美国物理 学家肖克莱（W·Shockley）
一是由从发射区注入到基区的电子电流形成的（iE1）；二是由基区的多子空穴越 过B-E结注入到发射区（iE2）,它也是正偏电流，表达形式同iE1
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.2 晶体管电流的简化表达式
基极电流:
一是iE2， 该电流正比于exp(VBE/Vt) ，记为iBa；另一是基区多子空穴 的复合流iBb,依赖于少子电子的数量，也正比于exp(VBE/Vt) 。故基极电 流正比于exp(VBE/Vt) 。
当VCC足够大，VR较小时，VCB>0 此时正向有源。 IC增大， VR增大，VCB减小，C结零偏 准饱和，C结反偏饱和 饱和时集电极电流不受控于VBE！
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.3 双极晶体管放大电路
双极晶体管和其他元件相连， 可以实现电压放大和电流放大
3.2 少子分布
对于正向有源工作npn器件，如何计算电 流？
和布拉顿和巴丁在著名的
贝尔实验室向人们展示了第 一个半导体电子增幅器，即 最初的晶体管。
获得了1956年若贝尔物理学 奖金
第一支晶体管表面积2cm2， 相当于现在十亿个晶体管
晶体管的诞生
1947年的圣诞前某一天，贝尔实验室中，布拉顿平稳地用刀片在三角形 金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随 即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他 们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫 起来。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40…… 实 验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克莱在这本笔记上 郑重地签了名。
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.3 工作模式
pn结电压大于0，正偏； 反之反偏
四种工作模式(npn)： 正向有源：Vbe>0，Vbc<0 饱和：Vbe>0，Vbc>0 反向有源：Vbe<0，Vbc>0 截止：Vbe<0，Vbc<0
3.1 双极型晶体管的工作原理
VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE
故无漂移电流 e,c区长度＞＞少子L，少子浓度为指数分
布（随 x） Xm＜＜少子L，忽略势垒复合及产生 满足小注入条件 不考虑基区表面复合
3.2 少子分布
3.2 少子分布
1. 基区电子（少子）浓度分布
解
D Bd2(nbd x x2 nb0)nbx B0 nb00
基区热平衡少子电子浓度
Pc0
集电区热平衡少子空穴浓度
3.2 少子分布
3.2.1 正向有源模式
3.2 少子分布
一 均匀基区晶体管（以npn为例）
假设： （采用一维理想模型） e,b,c三个区均匀掺杂，e,c结突变 e,c结为平行平面结，其面积相同，电流垂
直结平面 外电压全降在空电区，势垒区外无电场，
第三章 双极晶体管
3.1 双极晶体管的工作原理 3.2 少子的分布与直流特性 3.3 低频共基极电流增益 3.4 非理想效应 3.5 等效电路模型 3.6 频率特性 3.7 大信号开关特性 3.8 其他的双极晶体管结构
无源器件（passive device） ：工作时不
需要外部能量源（Source Energy）的器件。电阻、电 容、电感、二极管。
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1 双极型晶体管的工作原理
均匀基区：少子扩散—扩散晶体管 缓变基区：扩散+漂移—漂移晶体管 合金晶体管：
铟球+N型鍺+铟球，熔化-冷却-析出形成 再结晶层，PNP,分布均匀 平面扩散晶体管
3.1 双极型晶体管的工作原理
• 发射区，基区杂质分布非均匀 • 发射结近似为突变结 • 集电结为缓变结
集成电路中的常规npn管
3.1 双极型晶体管的工作原理
氧化物隔离的npn管横截面图
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.1 基本工作原理
发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度为1019，1017，1015 cm-3 BJT是非对称器件
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.1 基本工作原理
希望尽可能多的电子能到达集电区而不和基区中的多子空穴复合
3.1.1 基本工作原理
3达式
偏置在正向有源模式下的npn的少子分布图
理想情况，由于没有 复合，少子浓度线性。
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.2 晶体管电流的简化表达式
集电极电流： 假定：基区电子线性分布 集电极电流为扩散电流
结论：集电极电流由基极和发射极之间的电压控制，这就是晶体管的工作原理 发射极电流：
晶体管电流>少子扩散电流>少子分布？
本书重要符号:
NE,NB,NC 发射区、基区、集电区的掺杂浓度
xE,XB,xC 电中性发射区、基区、集电区的宽度
DE,DB,DC 发射区、基区、集电区的少子扩散系数
LE,LB,LC 发射区、基区、集电区的少子扩散长度
Pe0
发射区热平衡少子空穴浓度
Nb0