《双极晶体管》课件.ppt

1、第三章 双极晶体管,晶体管(半导体三极管)是由两个PN结构成 的三端器件，由于两个PN结靠得很近，它具有放 大电信号的能力，因此在电子电路中获得了更广 泛的应用。 晶体管按使用要求的不同一般分为高頻管和 低頻管,小功率管和大功率管,高反压管和开关管 等。 低频小功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率小于1W的晶体管，主要用于各种电子 设备中的低放、功放管。,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

2、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。,其两个PN结分别称为发射结和集电结，两个结将晶体管分为发射区,基区和集电区,由三个区引出的电极分别称为发射极,基极和集电极。,一.晶体管的直流 特性 1.晶体管的基本 结构和杂质分布按 制作工艺和管芯结 构形式晶体管可分 为合金管,合金扩 散管,台面管,双扩 散管和平面管等,晶体管的基区杂质分布有两种形式。一种是均匀基区晶体管,载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，又称为扩散型晶体管；一种基区杂

3、质分布是缓变的，这类晶体管的基区存在自建电场,载流子在基区内除了扩散运动外,还存在漂移运动，而且常以漂移运动为主，又称漂移晶体管。,2.晶体管的放大机理 （1）晶体管的直流电流放大系数,工作在放大状态的NPN管终端电流,（3-101） 共基极直流电流放大系数： （3-102） 共发射极直流电流放大系数 ： （3-103）,在共基极运用时： （3-110） （3-111） （3-112） 晶体管要具备放大能力,必须满足以下条件： 发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多,以保证发射效 率接近1。 基区宽度小于少子扩散长度,保证基区输运系数接近1。 发射结必须正偏,使re小;集电结反偏,使 rc大。,对

4、NPN管： （3-104） 晶体管发射效率 ： （3-105） 基区输运系数 ： （3-106）,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：,集电区倍增因子 ： （3-107） 雪崩倍增因子M： （3-108） （2）晶体管的放大作用 在共发射极运用时： （3-109）,3.晶体管的输入,输出特性,共基极输入特性： 随 而指数上 升，与正向PN结特性一致。随着 增 加， 上升得更快，这是因为基区宽度W 随 增加而减少，从而 增大。 共基极输出特性： 时，集电极电 流为反向饱和电流； 按 的规律随 增加，若

5、 一定， 基本不随 变 化， 下将到0以后 才逐步下降到0， 这是因为只有当集电结处于正偏状态后， 才能阻止发射区注入基区的电子流向集电 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 ；随着 的增加， 以 的规律上升。随 增加 略上升，这是因为 减少而使 增大的结果。当 减少到一定值（硅管为0.7V）而使集电结正偏， 迅速下降，进入饱和区。,晶体管输出特性分为三个区域：为线性工作区，为饱和区，为截止区I区

6、工作的晶体管，发射结处于正偏，集电结处于反偏，区工作的晶体管，发射结和集电结均处于正偏；区工作的晶体管发射结和集电结都为反偏。,4晶体管直流电流电压方程 均匀基区晶体管的直流电流电压方程，假设： (1)发射结和集电结是理想的突变结，发射区、基区和集电区的杂质为均匀分布； (2)晶体管是一维的，发射结与集电结面积相等； (3)外加电压全部降落在PN结势垒区内； (4)发射区与集电区的长度比少子扩散长度大得多； (5)不考虑势垒区内的复合、产生，通过势垒区的电流不变； (6)小注入状态。,首先求出晶体管管内载流子浓度分布： （3-113） （3-114） （3-115） （3-116）,（3-11

7、7） （3-118） （3-119） （3-120）,基区非平衡载流子的连续性方程为： （3-121） （3-122） （3-123）,将边界条件代入得： （3-124） 将上式中的双曲函数按台劳级数展开，只取一次幂 ， （3-125）,在放大状态，集电结反偏，基区集电结界面的电子浓度趋近于零，则上式又可简化为： （3-126） 发射区和集电区的空穴浓度可以通过求解稳态空 穴连续性方程，再代入边界条件获得。 发射区少子浓度分布： （3-127）,按台劳级数展开，取一次幂得： （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： （3-129） （3-1

8、30）,（3-131） 再推导出均匀基区晶体管内电流密度的分布： 已假设外加电压全部降落在势垒区内，也就是晶 体管发射区、基区和集电区内没有电场，因而只 需考虑扩散电流。基区中的电子电流： （3-132）,通过发射结的电子电流密度即为X=0时的电流密度： (3-133) 通过集电结的电子电流密度即为X=Wb时的电流密度： (3-134) 当 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,则上式可简化为： (3-135) 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： (3-136) 发射区空穴电流密度： (3-137),发射结边界的空穴

9、电流密度： (3-138) 集电区的空穴电流密度： (3-139) 集电结边界的空穴电流密度： (1-140),从电流分布推导出晶体管的电流电压方程： (1-141),(1-142),当 基区很窄时： (1-143) (1-144),2 晶体管的电流放大系数 随着集电极电压的增加，集电结空间电荷区展宽，基区宽度减少，电流放大系数也随之变化；首先讨论短路（VCB=0）时的电流放大系数。 （1）均匀基区晶体管的发射效率 (1-145),(1-146) 在集电极短路时： (1-147),当 时， (1-148) (1-149) (1-150),基区输运系数 (3-151) 集电极短路即VC=0时：

10、(3-152) 将双曲函数展开为级数，取二次幂， (3-153),集电区倍增因子和雪崩倍增因子 当集电区的电阻率较高时，电子流在集电区将产 生电场，集电区内不仅有扩散电流还有漂移电流。 (3-154) (3-155) 根据电中性：,(3-156) (3-157) 对上式微分（这为广义的集电极倍增因子）： (1-158),(3-159) 对大部分正常工作的晶体管: 则NPN管的电流放大系数为： (3-160),将发射效率项展开，取一级近似，得： (3-161) (3-162),爱拜耳斯莫尔模型,爱拜耳斯莫尔(Ebers-Moll)方程 (3-163) (3-164),(3-165) (3-166

11、) 式(3-163)和(3-165)称为爱拜耳斯莫尔方程,任何形状的晶体管均存在： 针对图3-15（c)E-M等效模型有： （3-167） （3-168） 、 分别为两个二极管的反向饱和电流,端电流： （3-169） （3-170） （3-171） （3-172）,E-M模型参数与器件公共参数的关系 （3-173） （3-174） （3-175） （3-176） 互易关系：,上述E-M方程，只是一种非线性直流模型， 通常记为E-M1模型。 在E-M1模型的基础上计入非线性电荷储存 效应和欧姆电阻，构成复杂的E-M2模型。 如计入多种二级效应，如基区宽度调制，基 区展宽效应以及器件参数随温度的变

12、化等就构成 三级E-M3模型。,漂移晶体管,缓变基区晶体管,由于基区受主杂质的不均匀分布，在热平衡时在中性基区形成一内建电场抵消扩散电流。 内建电场主要作用： 一是缩短注入电子渡越基区所需要的时间，从而改善晶体管的高温特性； 二是基区渡越时间的减少，即电子在基区复合的几率下降，改善基区传输因子。,自建电场：,（3-177）,基区电子流： 忽略基区复合，即基区电子流不变。上式 两边乘以 并对x从x到 （基区）积分：,（3-178）,（3-179）,在正向有源工作模式下，基区内电子分布： （3-180） 以x=0处的电子浓度求得基区电子流： （3-181）,积分代表基区中总的杂质原子数，称为根摩尔

13、数；更窄的基区宽度，相应于更小的根摩尔数，可获得更大的电流。 整个基区复合电流： （3-182） 基区输运因子： （3-183）,（3-184） 3影响电流放大系数的一些因素 （1）发射结空间电荷区复合对发射效率的影响 在发射极电流很小的情况下，发射结空间电荷区的复合 电流可能比穿过发射结流入基区的少数载流子电流大。 这部分复合损失降低晶体管的发射效率。 （3-185）,（3-186） (2)发射区重掺杂对发射效率的影响 发射区重掺杂也会引起发射效率的下降，这主要是由于 禁带变窄和俄歇复合。,禁带变窄的影响 （3-187） V1=9mV N0=1017cm-3 C=0.5 （3-188） 是位

14、置的函数，nie也是位置的函数 nie的变化产生一自建电场，这一电场加速少子空穴 流向发射极，降低发射效率。,（3-189） E俄歇复合的影响 俄歇复合是带间复合，复合几率与n2p成正比，在重 掺杂半导体中，少子的寿命为俄歇寿命。少子寿命的减 小使得少子扩散长度减少，使得注入到发射区的空穴密 度增加，发射效率降低。 对较宽的发射区，SHR复合为主；对很窄的发射区 （小于2微米），以禁带变窄为主；对中等宽度的发射 区，须考虑两种因素的影响。 在发射极电流很小的情况下，必须考虑SHR的影响。,（3）表面复合对基区输运系数的影响 在实际晶体管中注入基区的少数载流子不仅在体内复 合，还有一部分将流到基

15、区表面，在表面复合，使得基 区输运系数下降。 （3-190） 在集电结反偏的情况下，注入到基区的电子流 ： （3-191）,（3-192）,（3-193）,（3-194）,(4)基区宽变效应对电流放大系数的影响 当结电压变化时，其空间电荷区将发生相应的变化。 集电结反偏增加，空间电荷区变宽，有效基区宽度减小，少数载流子密度梯度增加，电流增大，引起发射效率和基区输运系数的提高。,（3-195）,(5) 集电极电流对 电流放大系数的 影响 高电流时增 益下降是由于注 入的少子密度和 基区的多子相比 拟，使得发射结 电流中基区向发 射区注入的空穴 电流增加，致使 发射效率下降所 致。,（6）温度对电

16、流放大系数的影响 与发射效率成正比(禁带变窄)，故温度上升，使得增大。 发射区扩散长度随温度的升高而增加，故温度上升使增大。 基区扩散长度随温度的升高而增加，则基区输运系数也增大。 所以温度上升将引起电流放大系数增加。,5晶体管的反向电流 晶体管的反向电流是检验其质量的一个重 要参数。,（1）集电结反向电流ICBO：发射极开路时，集电极基极的反向 电流。,反向电流主要由少子电流及多子电流两部分组成，由于集电结加反向偏压，势垒区两边的少子密度比平衡时的少子密度低得多，因此基区中的少子(电子)及集电区中的少子(空穴)都向结区扩散，形成反向电流的少子部分。势垒区的产生电流是由势垒区中的复合中心提供的

17、，它是多子电流，也构成了反向电流，硅晶体管的反向电流主要是多子电流。 （3-196） （3-197） 还需关注表面漏电流的影响,（2）IEBO为集电极开路，发射极-基极反向电流。 （3-198） （3）ICEO为基极开路时，集电极-发射极反向电流。,当IB=0时，集电极和发射极电流都为ICEO （3-199） （3-200） （4）发射极浮动电压 在测量ICBO时，发射极是开路的，发射极-基极间存在一 电位差， 这称为发射极浮动电压。 （3-201）,6晶体管的击穿电压 （1）BVEBO和BVCBO 共基极连结时，VEBO和BVCBO分别由发射结和集电结的 雪崩击穿电压决定。 （2） BVCEO、BVCER、BVCEX、BVCES BVCEO 当VCE较高，集电结空间电荷区出现雪崩倍增