晶体管基极电流的重要作用

1、晶体管基极电流的重要作用问题：晶体管共发射极组态和共集电极组态的放大机理分别怎样？为什么增大晶体管的发射结面积，不一定能增大工作电流？为什么晶体管存在一个最大工作电流的限制？xie meng-xian. (电子科大，成都市)众所周知，双极型晶体管（bjt）的基极电流ib很小，并且要求ib越小越好（因为电流放大系数bic/ib）。虽然基极电流很小，但是它对晶体管的性能却往往起着决定性的作用。l 与基极电流有关的问题：问题1：双极型晶体管是一种电流控制器件。在共发射极组态中，发射极电流的大小直接就控制着输出的集电极电流，但没有电流放大作用（这里的集电极电流ic与发射极电流ie相差不大，其差别就等于

2、基极电流ib）。共发射极组态和共集电极组态都具有较大的电流放大作用，并且都是输入基极电流来控制、并实现放大作用的；为什么在这两种晶体管组态中，很小的基极电流能够导致晶体管输出很大的发射极电流或集电极电流呢？即为什么共发射极组态和共集电极组态能够进行放大？这与基极电流的控制作用有关。问题2：双极型晶体管的工作电流完全是通过发射结的电流，但是不断增大发射结面积时，却并不一定能增加电流，这是为什么？这与基极电流所引起的附加效应（晶体管的二级效应）有关。l 基极电流的基本性质：晶体管基极电流主要包含有四个分量（以npn晶体管为例）：从基区注入到发射区的空穴电流（该电流分量主要是影响到发射结注射效率，与

3、发射区和基区的掺杂浓度、即与两边的多数载流子浓度有关）；在基区中与注入的少子（电子）进行复合的空穴电流（该电流分量主要是影响到基区输运系数，与基区少子扩散长度有关）；与发射结势垒中复合中心的复合电流（该电流分量也主要是影响到发射结注射效率）；通过集电结的反向饱和电流（icbo，是少子扩散电流）。对于放大性能较好的晶体管，影响最大的基极电流分量主要是第项。而第项并不直接影响到晶体管的电流放大系数。可见，晶体管基极电流主要是多数载流子电流；并且基极电流的方向是垂直于发射极-集电极电流的，即为一种横向电流。l 基极电流的重要作用有如下两种：（1）控制作用：如果向npn晶体管的基区增加一些空穴，则为了

4、保持发射结两边的平衡（发射结电压vbe一定时），就必将在发射区中增加相等数量的电子，即等效于增加了发射区掺杂浓度，从而也就使得注入到基区头部的电子浓度由n(o)增加为n(o)，如图中的虚线所示。可见，基区多数载流子浓度的增加，就增大了少子浓度分布的梯度，于是也就提高了少子扩散电流密度，结果导致输出集电极电流增大。基区头部的少子浓度n(o)与基区平衡少子浓度npo之间的关系为：n(o)= n po expqvbe/kt当基极电流增大时，即增加了基区中的空穴浓度，则为了保证基区的电中性要求，就必将同时增加相等数量的电子浓度，即少子浓度npo将相应地增大，所以基区中少子浓度的分布梯度将会随着基极电流

5、的增大而增大，从而导致集电极电流也将随着基极电流的增大而增大，这就是晶体管的放大作用。根据基极电流对集电极电流的这种控制作用，即可说明晶体管的共发射极组态和共基极组态的放大作用：共发射极组态：输入的电压信号是加在正偏的发射结之上的，但本质上导致晶体管放大的还是由于基极电流引起基区少子浓度梯度增大的结果，即基极电流的控制作用。共集电极组态：虽然输入的电压信号是加在反偏的集电结之上的，但集电结电压的变化对晶体管电流的影响可以忽略（只是early效应使得电流不完全饱和）；因此，实际上这时控制晶体管工作的还是基极电流，正是由于基极电流的增大，使得基区少子浓度梯度增大，才导致发射极电流、集电极电流发生相

6、应地增大晶体管放大。因为晶体管的共发射极组态和共基极组态的放大都是由于基极电流的控制作用所致，只是输出电流不同（一个是集电极电流，另一个是发射极电流），所以这两种放大组态都具有较好的放大性能：共发射极组态的电流放大系数为 b = (ic-icbo)/ibic/ib；共集电极组态的电流放大系数为 b ie/ib = (ic+ib)/ib = b+1.（2）引起附加效应：因为bjt的基区厚度很薄，所以当有横向电流流过时，必将会产生一定的电阻基极电阻（基区扩展电阻）。因此，当基极电流从基极流向发射极中心时，在基极电阻上即将产生一定的电压降，使得发射极边缘处的电位高于发射极中心的电位，于是就会导致发射

7、极中心区域的正偏电压过低、而不能很好地注入少数载流子，能够注入少数载流子的就只是发射极的周边，这就是所谓发射极电流集边效应。正是由于发射极电流集边效应，就使得较大面积的发射结不能完全起到注入少数载流子的作用，因此直接增大发射结的面积，并不能提高电流。只有通过改进发射极图形（例如采用指条形）、以增大发射极的周长才能增大电流。可见，为了提高单位发射结面积的电流容量，就应该减小基极电阻和降低基极电流。与基极电流有关的发射极电流集边效应，还将会促进晶体管大电流效应kirk效应（基区宽度扩展效应）和webster效应（基区电导调变效应）的发生，这就将进一步影响到晶体管的性能。kirk效应或webster效应的严重后果就是导致晶体管的电流放大系数下降，所以晶体管的放大工作要受到一个最大工作电流的限制最大集电极电流icm（是电流放大系数降低到一半时的集电极电流）。因此，为了提高晶体管的大电流放大性能，除了尽量减小kirk效应和webster效应以外，还需要减弱发射极电流集边效应。对