《半导体物理器件V》ppt课件

1、第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管的构造根本任务原理理想双极结型晶体管中的电流传输爱伯斯-莫尔方程缓变基区晶体管基区扩展电阻和电流密聚基区宽度调变效应晶体管的频率呼应混接 型等效电路 晶体管的开关特性击穿电压P-N-P-N构造异质结双极晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管 1947.12.23 1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生日第一只点接触晶体管诞生-Bel-Bell Lab.(Bardeenl Lab.(Bardeen、ShockleyShockley、Brattain)Brattain) 1949 1949年提出年提出PNPN结和双极结型晶体管实际结和双极结

2、型晶体管实际-Bel-Bell Lab.(Shockley)l Lab.(Shockley)19511951年制造出第一只锗结型晶体管年制造出第一只锗结型晶体管-Bell La-Bell Lab.(Shockley) b.(Shockley) 1956 1956年制造出第一只硅结型晶体管年制造出第一只硅结型晶体管- -美德州美德州仪器公司仪器公司TITI 19561956年年BardeenBardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain获诺获诺贝尔奖贝尔奖 1956 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管年中国制造出第一只锗结型晶体管- -吉林大学吉林大学 高

3、鼎三高鼎三 1970 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量消费批量消费开展历史开展历史双极结型晶体管双极结型晶体管3.13.1双极结型晶体管的构造双极结型晶体管的构造 1.1.双极型晶体管有两种根本构造：双极型晶体管有两种根本构造：PNP PNP 型和型和 NPN NPN 型型双极结型晶体管双极结型晶体管3.13.1双极结型晶体管的构造双极结型晶体管的构造 2.2.双极型晶体管工艺复合图双极型晶体管工艺复合图双极结型晶体管双极结型晶体管3.13.1双极结型晶体管的构造双极结型晶体管的构造光刻硼分散窗口光刻硼分散窗口1 1衬底制备衬底制备 衬底为低阻衬

4、底为低阻N N型硅，电阻率在型硅，电阻率在 左右，沿左右，沿111111面切成面切成厚约厚约 的圆片，研磨抛光到外表光亮如镜。的圆片，研磨抛光到外表光亮如镜。cm001. 0m4003.3.制造工艺制造工艺2 2外延外延 外延层为外延层为N N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。 3 3一次氧化一次氧化 高温生长的氧化层用来阻挠硼、磷等杂质向硅中分散，高温生长的氧化层用来阻挠硼、磷等杂质向硅中分散，同时也起外表钝化作用。同时也起外表钝化作用。双极结型晶体管双极结型晶体管3.13.1双极结型晶体管的构造双极结型晶体管的构造5 5硼分散和二次氧化硼分散和二次氧化

5、 硼分散后在外延层上构成硼分散后在外延层上构成P P型区，热生长的氧化层用来阻挠磷型区，热生长的氧化层用来阻挠磷向硅中分散，并起钝化作用。向硅中分散，并起钝化作用。6 6光刻磷分散窗口光刻磷分散窗口 磷分散和三次氧化磷分散和三次氧化 磷分散后在磷分散后在P型区磷杂质补偿硼而构成型区磷杂质补偿硼而构成N+区，区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。光刻发射极和基极接触孔光刻发射极和基极接触孔9 蒸发铝蒸发铝 10在铝上光刻出电极图形在铝上光刻出电极图形 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 EBBEEVVVVCBBCCVVVV0,0

6、ECVV 双极晶体管四种任务方式任务区双极晶体管四种任务方式任务区基极对集电极电压基极对发射极电压1正向有源方式： 2反向有源方式： 3饱和方式： 4截止方式： 0,0ECVV 0,0ECVV 0,0ECVV 加在各加在各 PN 结上的电压为结上的电压为根据两个结上电压的正负，晶体管有根据两个结上电压的正负，晶体管有 4 种任务形状，种任务形状，双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 3.2.13.2.1共基极衔接晶体管的放大作用共基极衔接晶体管的放大作用 晶体管共基极放大电路图3 - 6 （ a）NPN BEqV BCqV E B C （b） 图图3-6 3-6 b

7、 bNPNNPN晶体管共基极能带图晶体管共基极能带图 晶体管放大电路有两种根本类型：共基极接法 与 共发射极接法 。双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 3.2.23.2.2电流分量电流分量 从发射区注入到基区中的电子流。从发射区注入到基区中的电子流。到达集电结的电子流。到达集电结的电子流。 基区注基区注入电子经过基区时复合所引起的复入电子经过基区时复合所引起的复合电流合电流从基区注入到发射区的空穴电流从基区注入到发射区的空穴电流发射结空间电荷区内的复合电流。发射结空间电荷区内的复合电流。集电结反向电流，它包括集电结反集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结

8、空间电荷区产向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流。生电流。 nEInCInCnEIIpEIrgI0CI双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 3.2.23.2.2电流分量电流分量 rgpEnEEIIII3-1 0CnCnErgpEBIIIIII3-2 0CnCCIII3-3 0BCEIII3-4 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 为描画晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率 3-5 3-7 基区输运因子 共基极直流电流增益 nEnEEnEpErgIIrIIIITnCTnEIIEccIII03-6 3.2.3.3.2.3.电流增益

9、电流增益 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 3-8 3-10 利用3-3式，3-7式可以改写成 思索到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为 TrgpEnEnCIIII0CECIII3-9 CI01CTVVCECIIIe 3.2.3.3.2.3.电流增益电流增益 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 VCB （V） 0 2 4 6 8 10 IC （mA） 2 4 6 8 10 mAIE0 10 6 8 4 2 有源区 饱和区 截止区 IC （mA） 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 VCE （V） AIB0 125

10、 75 100 50 25 （a） （b） 图图3-8 3-8 集电结电流集电结电流电压特性：电压特性：a a共基极情形，共基极情形，b b共发射极情形共发射极情形 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 式中定义式中定义 共发射极接法共发射极接法 0CBCCIIII3-11 0011CEBFECBCIIhIII3-12 1FEh100CCEII3-13 3-14 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2根本任务原理根本任务原理 学习要求学习要求掌握四个概念：发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发掌握四个概念：发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流

11、增益射极电流增益了解典型了解典型BJTBJT的根本构造和工艺过程。的根本构造和工艺过程。掌握掌握BJTBJT的四种任务方式。的四种任务方式。画出画出BJTBJT电流分量表示图，写出各极电流及其相互关系公式。电流分量表示图，写出各极电流及其相互关系公式。分别用能带图和载流子输运的观念解释分别用能带图和载流子输运的观念解释BJTBJT的放大作用。的放大作用。为什么公式为什么公式3-93-9可以写成公式可以写成公式3-103-10。解释理想解释理想BJTBJT共基极衔接正向有源方式下集电极电流与集电压无关共基极衔接正向有源方式下集电极电流与集电压无关的景象。的景象。解释理想解释理想BJTBJT共发射

12、极衔接正向有源方式下集电极电流与集电极共发射极衔接正向有源方式下集电极电流与集电极发射极间的电压无关的景象。发射极间的电压无关的景象。解释理想解释理想BJTBJT共基极衔接和共发射极衔接的输出特性曲线。共基极衔接和共发射极衔接的输出特性曲线。 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输1各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；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；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，并且不思索边缘效应，所以载流横向尺寸远大于基区宽度，并

13、且不思索边缘效应，所以载流 子运动是一维的；子运动是一维的；4基区宽度远小于少子分散长度；基区宽度远小于少子分散长度；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；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；发射结面积和集电结面积相等；7小注入，等等小注入，等等 3.3.13.3.1电流传输电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义：理想晶体管的主要假设及其意义：双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.13.3.1电流传输电流传输 双极结型晶体管双极结型晶体管3

14、.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输边境条件为：边境条件为： 中性基区中性基区0 0 少子电子分布及其电流：少子电子分布及其电流： xBx nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh100022npppnnndxndD3-16 TEVVppenn00 TCVVpBpenxn03-17 3-18 3.3.13.3.1电流传输电流传输 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输1.1.电子电流电子电流 3-16 3-193-20 0 xpnn

15、EdxxdnqADI1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（ BxxpnnCdxxdnqADI0111sinh()CTETnpVVVVBBnnnD nxqAecthexLLL 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输2.2.发射区少子空穴分布及其电流：发射区少子空穴分布及其电流： 边境条件：边境条件： 3-21 3-23a TEVVEEEepWp00EEEpxp pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh100双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管

16、中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输 假设假设 ，3-23a3-23a式可以写作：式可以写作： 3-23b 3-24 ExpEL EVVEEExxeppxpTE1100空穴电流为：空穴电流为：12TEVVEdEipEexNnqAD 0011EETVVEEEEExxpxppexW1ETEOVVpEEpEEPIWqADex 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.集电区少子空穴分布及其电流集电区少子空穴分布及其电流 边境条件：边境条件： 3-23 3-26 TCVVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCee

17、ppxp100 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCTx xLVVipCdCpCnqADeeNL3-25 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源方式正向有源方式1.1.少数载流子分布少数载流子分布 nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinhsinhsinh10003-27a 在在 的情的情况况下，下，3-27a3-27a式式简简化化 nBLx BVVppxxenxnTE103-27b 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极

18、结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输图图3-11 3-11 正向有源方式下晶体管各区少数载流子分布正向有源方式下晶体管各区少数载流子分布 正向有源方式下少数载流子分布曲线正向有源方式下少数载流子分布曲线双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.电流分量电流分量 1)1)发射区和搜集区电子电流：发射区和搜集区电子电流： 3-28 10TEVVnBnpnnEeLxcthLnqADI1csc0TEVVnBnpnnCeLxhLnqADI3-29 nBTLxhsec3-30 假设假设 BxnL12TEVVBainnEexN

19、nqADI3-31 22211nBTLx3-32 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输2)2)发射区和搜集区空穴电流发射区和搜集区空穴电流 3-24 3-33 3 3正偏压发射结空间电荷区复合电流：正偏压发射结空间电荷区复合电流： 3-34 12TEVVEdEipEpEexNnqADI20CipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL /202ETVViErgqAnWIe 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3-35 3-36 rgnCnEpEBIIIIITEV

20、VBeI2220(1)22ETETVVVVnBPEEidEEaniD xDWqAneeNxN Ln 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输4.4.晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 图图3-12 NPN 3-12 NPN 晶体管的静态电流晶体管的静态电流电压特性电压特性 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输5.5.共发射极电流增益共发射极电流增益 CBFEIIh1CrgCnCnECpEFEIIIIIIIh13-37 TEVVinEBanBnEdEpEBaFEenD

21、WxNLxDxNDxNh2022122双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输共发射极电流增益与任务电流的关系共发射极电流增益与任务电流的关系 图3-13 电流增益对集电结电流的依赖关系 10-9 10-1 10-7 10-5 10-3 102 101 100 10-1 hFE AIC 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输学习要求学习要求了解理想双极结型晶体管的根本假设及其意义。了解理想双极结型晶体管的根本假设及其意义。写出发射区、基区、集电区少子满足的分散方程并写出发射

22、区、基区、集电区少子满足的分散方程并解之求出少子分布。解之求出少子分布。双极结型晶体管双极结型晶体管3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极晶体管有四种任务方式，取决于发射结和集电结的偏置情况。(1)(1)正向有源任务方式：正向有源任务方式： 0 0， 0 0 EVCV TEVVppenn00 0Bpxn(2)(2)反向有源任务方式：反向有源任务方式： 0 0 0 EVCV 00 pnTCVVpBpenxn0(3)(3)饱和任务方式：饱和任务方式： 0 0， 0 0EVCV TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0(4) 截止任务方式截止任务方式: 0， 0EVCV 00Bp

23、pxnn3.4.13.4.1任务方式和少子分布任务方式和少子分布基区少子满足的边境条件为相应的边境条件为: 相应的边境条件为: 相应的边境条件为:双极结型晶体管双极结型晶体管3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程此外，此外， 0EEEpxpTEVVEEEePWP0 0CCpp0正向有源饱 和截 止反向有源图图3-14 晶体管四种不同任务方式对应的少数载流子分布晶体管四种不同任务方式对应的少数载流子分布/()0CTVVCCCP xP e双极结型晶体管双极结型晶体管对于 的情形3-19)简化为:3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程在电路分析中，不思索3-19式和3-24式中的负号

24、。0111sinhCTETnpVVVVBnEnnBnD nxIqActheeLLxL（）21ETVVipEdEEnqADeNxpEEIWnBLx 211CTETVVVVninEaBqAD nIeeN x3-19 3-24 3.4.2 3.4.2 爱伯斯爱伯斯莫尔莫尔Ebers-MollEbers-Moll方程方程 发射极注入到基极的电子电流为:基极注入到发射极的空穴电流为:双极结型晶体管双极结型晶体管暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流，那么暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流，那么nEpEEIII111211TCTEVVVVeaea3-40 EdEpEBanixNDxNDqA

25、na211BainxNnqADa212用类似的方法得到用类似的方法得到112221TCTEVVVVCeaeaI其中其中 BainxNnqADa221pCdCpCBaniLNDxNDqAna2223-41 3-42 3-43 (3-40(3-40和和3-423-42称为爱伯斯称为爱伯斯莫尔方程，简称为莫尔方程，简称为 E-M E-M 方程。方程。 2112aa3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程式中式中双极结型晶体管双极结型晶体管爱伯斯爱伯斯莫尔模型的等效电路图莫尔模型的等效电路图图3-15 Ebers-Moll 模型 aNPN一维晶体管，b将晶体管表示为有公共区域的背靠背衔接的二极管

26、，cEbers-Moll 模型等效电路cF叫做正向共基极电流增益。R 叫做反向共基极电流增益。3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管根据图3-15C可以写出10TEVVFFeII10TCVVRReII3-44 3-45 其中其中0FI和和0RI分别为两个二极管反向饱和电流。分别为两个二极管反向饱和电流。端电流为：端电流为：RRFEIIIRFFCIII3-46 3-47 联立3-44，3-45，3-46和3-47式得到1100TCTEVVRRVVFEeIeII1100TCTEVVRVVFFCeIeII3-48 3-49 3-483-48和和3-493-49式即

27、式即为为E-ME-M方程方程3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管将将3-48式与式与3-40式比较，式比较，3-49式与式与3-42式比较，得到式比较，得到3-50 022021012011RFFRRFIaIaIaIa由于由于 2112aa有有 00FFRRII3-513-51式称为互易关系。式称为互易关系。3-51 3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管 以上讨论的以上讨论的E-ME-M方程，只是一种非线性直流模型，方程，只是一种非线性直流模型，通常将它记为通常将它记为 模型。在模型。在 模型的根底上模型的根底上计及非

28、线性电荷储存效应和欧姆电阻，就构成第二级计及非线性电荷储存效应和欧姆电阻，就构成第二级复杂程度的复杂程度的 模型。第三级复杂程度的模型。第三级复杂程度的 模型那么还包括多种二级效应，如基区宽度调制，基模型那么还包括多种二级效应，如基区宽度调制，基区展宽效应以及器件参数随温度的变化等等。区展宽效应以及器件参数随温度的变化等等。 1ME 1ME 2ME 3ME 3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管 了解了解E EM M方程中四个参数的物理意义方程中四个参数的物理意义 根据根据E EM M方程写出四种方式下发射极电流和集电极电流表达式。方程写出四种方式下发射极电

29、流和集电极电流表达式。1100TCTEVVRRVVFEeIeII1100TCTEVVRVVFFCeIeII3-48 3-49 3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程学习要求学习要求了解并记忆了解并记忆BJT四种任务方式下的少子分布边境条件四种任务方式下的少子分布边境条件画出画出BJT四种任务方式下少子分布表示图。四种任务方式下少子分布表示图。了解写出方程了解写出方程3-42的根据。的根据。根据爱拜耳斯根据爱拜耳斯莫尔模型的等效电路图导出莫尔模型的等效电路图导出EM方程方程双极结型晶体管双极结型晶体管3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管 均匀基区晶体管：基区掺均匀基区晶体管：基区掺杂

30、为均匀分布。少子在基区主杂为均匀分布。少子在基区主要作分散运动，又称为要作分散运动，又称为 分散晶分散晶体管。体管。 1. 2N3866 1. 2N3866晶体管的杂质分布：晶体管的杂质分布：间隔x m图3-16 2N3866晶体管的杂质分布 缓变基区晶体管：基缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，区掺杂近似为指数分布，少子在基区主要作漂移运少子在基区主要作漂移运动，又称为动，又称为 漂移晶体管。漂移晶体管。双极结型晶体管双极结型晶体管3.3.基区少子分布基区少子分布 dxxdNxNVaaT3-52 dxNNqADIxnBxxaannp3-55 式式3-563-56中负号表示电流沿中负号表示

31、电流沿x x方向。方向。4.4.电子电流电子电流TEBVVxainnedxNnqADI023-56 3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管2.2.基区的缓变杂质分布，引起内建电场基区的缓变杂质分布，引起内建电场这个电场沿着杂质浓度添加的方向，有助于电子在大部分基区范围内这个电场沿着杂质浓度添加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。这时电子经过分散和漂移越过基区薄层，致使输运因子添加。输运。这时电子经过分散和漂移越过基区薄层，致使输运因子添加。双极结型晶体管双极结型晶体管把整个基区复合电流取为把整个基区复合电流取为3-57 3-58 0BxrgpnqAInx dx 根据基区输运因子的定义根

32、据基区输运因子的定义 11/1/nTrgnnrgrgnIIIIIII 01BxpnnqAnx dxI 把式把式3-553-55代入式代入式3-583-58并运用并运用，便得到，便得到 2nnnLDBBxxxaanTdxdxNNL021113-59 3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管5.5.基区输运因子基区输运因子对于均匀基区，3-58式化简为3-32式。 22211nBTLx双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求1.导出缓变基区晶体管基区内建电场公式导出缓变基区晶体管基区内建电场公式3-52。2.导出少子分布公式导出少子分布公式3-55。3.导出电流公式导出电流公式3-56。4 比

33、较基区输运因子公式比较基区输运因子公式3-59与均匀掺杂的基区输运因子公式与均匀掺杂的基区输运因子公式3-32。5.扩展知识：导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电扩展知识：导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电流分布表达式考研参考。流分布表达式考研参考。 3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管 假设把基极电流假设把基极电流 IB IB 从基极引线经非任务基区流到任务基区所产生的电压从基极引线经非任务基区流到任务基区所产生的电压降，当作是由一个电阻产生的，那么称这个电阻为基极扩展电阻，用降，当作是由一个电阻产生的，那么称这个电阻为基极扩展电阻，用

34、rbb rbb 表表示。由于基区很薄，示。由于基区很薄，rbbrbb 的截面积很小，使的截面积很小，使 rbb rbb 的数值相当可观，对晶体管的数值相当可观，对晶体管的特性会产生明显的影响。的特性会产生明显的影响。 任务基区：指正对着发射区下方的在任务基区：指正对着发射区下方的在 WB 范围内的基区，也称为范围内的基区，也称为 有源基区有源基区 或或 内内基区基区 。 非任务基区：指在发射区下方以外从非任务基区：指在发射区下方以外从外表到外表到 xjc 处的基区，也称为处的基区，也称为 无源基区无源基区 或或 外基区外基区 。3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚1.1.基

35、区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚 双极结型晶体管双极结型晶体管3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚有源电阻和无源电阻有源电阻和无源电阻 图3-17 基区中的横向基极电流和欧姆电压降，导致在发射结中，边缘 处有最大正向偏压1.1.基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚 电流集聚效应：电流集聚效应： 少数载流子的注入从基区少数载流子的注入从基区边缘起随着向内的深度而下降。边缘起随着向内的深度而下降。非均匀载流子的注入使得沿着非均匀载流子的注入使得沿着发射结出现非均匀的电流分布。发射结出现非均匀的电流分布。呵斥在接近边缘处有更高的电呵斥在接近边缘处有更高的电流密度

36、，这种景象称为电流集流密度，这种景象称为电流集聚效应聚效应双极结型晶体管双极结型晶体管2.中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图 图3-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚分析：交叉指状电极能有效抑制电流集聚效应？双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求了解了解BJTBJT基极扩展电阻和电流集聚效应。基极扩展电阻和电流集聚效应。掌握有源电阻、无源电阻、基区扩展电阻和电流集聚的概念。掌握有源电阻、无源电阻、基区扩展电阻和电流集聚的概念。为什么交叉指状电极能有效抑制电流集聚效应。为什么交叉指

37、状电极能有效抑制电流集聚效应。 3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚双极结型晶体管双极结型晶体管3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应 0011CCBFEBCEIIIh II 1.1.问题的提出问题的提出在共发射极电路正向有源方式下，对于给定的基极电流，集电极电流该当与集电极电在共发射极电路正向有源方式下，对于给定的基极电流，集电极电流该当与集电极电压无关。图压无关。图3-8(b)3-8(b)中的曲线斜率应为零。但图中的曲线斜率应为零。但图3-8(b)3-8(b)中的电流却随集电极电压的添加中的电流却随集电极电压的添加而添加。这种景象原因于晶体管的基区宽度调变效应，也

38、称为而添加。这种景象原因于晶体管的基区宽度调变效应，也称为EarlyEarly效应。效应。图图3-8 3-8 集电结电流集电结电流电压特性：电压特性：a a共基极情形，共基极情形，b b共发射极情形共发射极情形双极结型晶体管双极结型晶体管前面的讨论中默许有效基区宽度前面的讨论中默许有效基区宽度 是不变的，实践上是不变的，实践上 是集电结偏压的函数。是集电结偏压的函数。BxBx222111BnTTTTFExLh3-60 共发射极电流增益正比于共发射极电流增益正比于 ，当，当 添加时，集电结空间电荷区展宽，使添加时，集电结空间电荷区展宽，使有效基区宽度有效基区宽度 减小，如图减小，如图3-213-

39、21所示。所示。 减小使减小使 添加，从而集电极添加，从而集电极电流电流 将随的将随的 添加而添加。添加而添加。 2BxCEVBxBxFEhCICEV3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应2.2.基区宽度调变效应的分析：基区宽度调变效应的分析：FEh的变化：的变化：1)双极结型晶体管双极结型晶体管 2 2 的变化：的变化： 3-61 0CEICOFECCEIhII1100可见可见 也将随也将随 添加而添加，呈现出不饱和特性，如图添加而添加，呈现出不饱和特性，如图3-21b3-21b所示。所示。综合综合1 1，2 2 随随 的添加而添加。这就是的添加而添加。这就是EarlyEarly效应。

40、效应。0CEICEVCICEV3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应双极结型晶体管双极结型晶体管3.基区宽度减小使少子浓度梯度添加：基区宽度减小使少子浓度梯度添加： 图3-21 晶体管中的少数载流子分布(a)有源区任务， =常数， 改动时有效基区宽度与少数载流子分布的变化(b) 和 对应的基区少数载流子分布EBVCBV0CBICEOI3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应双极结型晶体管双极结型晶体管设设NPNNPN双极结型晶体管有效基区边境分别为双极结型晶体管有效基区边境分别为0 0和和 。在以下三种边境条件下解分散方程。在以下三种边境条件下解分散方程求少子分布和电流分布。讨论三种

41、边境条件下电流的大小。求少子分布和电流分布。讨论三种边境条件下电流的大小。 根据所得结果得出结论：当根据所得结果得出结论：当 添加时，集电结空间电荷区展宽，使有效基区宽度添加时，集电结空间电荷区展宽，使有效基区宽度减小，基区宽度减小，基区宽度 减小减小, ,使少子浓度梯度添加因使少子浓度梯度添加因 而添加。而添加。Bx/00(0),()0;(0),()0;0(0),()0.ETVVpppBpppBppBnn enxnnnxdnxnxdx正偏发射结零偏发射结发射极开路CEVBxCI3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应4.4.扩展知识考研参考：扩展知识考研参考：双极结型晶体管双极结型晶体管

42、学习要求学习要求解释基区宽度调变效应解释基区宽度调变效应推导推导 随随 的变化的变化BxFEh从基区宽度减小使少子浓度梯度添加因此从基区宽度减小使少子浓度梯度添加因此 添加的角度定量解添加的角度定量解释基区宽度调变效应扩展知识考研参考。释基区宽度调变效应扩展知识考研参考。 CI3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应推导推导 随随 的变化的变化BxCEOI双极结型晶体管双极结型晶体管3.83.8晶体管的频率呼应晶体管的频率呼应2.电流增益与频率的关系称为晶电流增益与频率的关系称为晶体管的频率呼应：体管的频率呼应：常数CBVECdIdI常数CEVBCfedIdIh图图3-22 3-22 电流

43、增益作为频率的函数电流增益作为频率的函数1.小信号的共基极和共发射极电流增益定义为：小信号的共基极和共发射极电流增益定义为：双极结型晶体管双极结型晶体管共基极截止频率共基极截止频率 ： 的大小下降为的大小下降为0.707 0.707 即即 的模量的平方等于的模量的平方等于 的一半或者说下降的一半或者说下降3dB3dB时的频率。时的频率。00共发射极截止频率共发射极截止频率 ： 的大小下降为的大小下降为0.707 0.707 下降下降3dB3dB时的时的频率。频率。 和和 也称为也称为3dB3dB频率。频率。fehFEh增益增益带宽乘积带宽乘积 ，它是，它是 的模量变为的模量变为1 1时的频率，

44、也叫做特征频率。时的频率，也叫做特征频率。 相对频率的曲线的斜率为相对频率的曲线的斜率为20dB/20dB/十进位，它可用下式来描画十进位，它可用下式来描画Tfehj103-62 可见在可见在 ， 的大小为的大小为0.7070.7070相对频率的曲线的斜率为相对频率的曲线的斜率为20dB/20dB/十进位，在十进位，在 时时 的大小下降的大小下降 3dB 3dB，因此也称因此也称 为为3dB3dB频率。频率。3.83.8晶体管的频率呼应晶体管的频率呼应图中的各种频率定义为：图中的各种频率定义为：双极结型晶体管双极结型晶体管利用利用 和和 之间的关系求得之间的关系求得fehjhhFEfe113-

45、63 式中式中 01T是模量为是模量为1 1时的频率，由时的频率，由3-633-63式，取式，取 ， 有，有，T1feh12FEThFEh3-65 由于是晶体管共射极接法任务的截止频率即带宽，故是晶体管共射极接法任务的截止频率即带宽，故T称为增益带宽乘积。称为增益带宽乘积。3.83.8晶体管的频率呼应晶体管的频率呼应双极结型晶体管双极结型晶体管低得多，但增益带宽之积接近于低得多，但增益带宽之积接近于再由再由 001FEh以上讨论阐明共发射极截止频率要比以上讨论阐明共发射极截止频率要比3.83.8晶体管的频率呼应晶体管的频率呼应3-66 001T0CTE+CTCCDCTE+CTC的情形，增益的情

46、形，增益带宽乘积为带宽乘积为 3-86 22BnFETxDh留意：增益留意：增益带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是完全一样的。完全一样的。 3.9混接型等效电路 双极结型晶体管双极结型晶体管 导出公式导出公式3-78、3-81、3-84 。 画出混接画出混接型等效电路。型等效电路。 3.9混接型等效电路 学习要求学习要求双极结型晶体管双极结型晶体管3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 由图由图3-25b中的电流脉冲驱动，使得晶体管运用于截止区与饱和区。中的电流脉冲驱动，使得晶体管运用于截止区与饱和区。图3-2

47、5 双极晶体管的开关运用：a电路图，b基极电流驱动， c输出VI 特性，d输出电流波形双极结型晶体管双极结型晶体管 在截止形状在截止形状, , 发射结和集电结都处发射结和集电结都处于反偏形状。集电极电流很小于反偏形状。集电极电流很小, ,阻抗很高，阻抗很高，晶体管处于晶体管处于“关态。关态。 在饱和形状集电极电流很大而且它在饱和形状集电极电流很大而且它的阻抗很低，所以晶体管被以为是的阻抗很低，所以晶体管被以为是“通通态。态。3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性,2 . 0,6 . 0VVVVCEEVVC4 . 0硅晶体管在饱和区硅晶体管在饱和区在饱和形状，集电极电流被负载电阻所

48、限制：在饱和形状，集电极电流被负载电阻所限制：LCECCCCSRsatVVsatII3-87 双极结型晶体管双极结型晶体管3-88 CCCBAFEFELIsatVIhh R在在“通和通和“断两个形状之间的转换是经过改动载流子的分布来完成的。断两个形状之间的转换是经过改动载流子的分布来完成的。 载流子分布不能立刻改动。需求一个过渡时间，称为开关时间。集电极电流载流子分布不能立刻改动。需求一个过渡时间，称为开关时间。集电极电流的典型开关波形示于图的典型开关波形示于图3-253-25d中，开关时间的定义中，开关时间的定义: 1.1.导通延迟时间导通延迟时间 导通延迟时间导通延迟时间tdtd是从加上输

49、入阶跃脉冲至输出电流到达最终值的百分之十是从加上输入阶跃脉冲至输出电流到达最终值的百分之十所阅历的时间。它遭到以下要素的限制：所阅历的时间。它遭到以下要素的限制：1 1从反偏压改动到新电平，结的耗尽层电容的充电时间；从反偏压改动到新电平，结的耗尽层电容的充电时间；2 2载流子经过基区和集电结耗尽层的渡越时间。载流子经过基区和集电结耗尽层的渡越时间。驱动晶体管进入饱和所需求的最小基极电流为：驱动晶体管进入饱和所需求的最小基极电流为：3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管图图3-26 3-26 饱和时的储存在基区和集电区中的电荷饱和时的储存在基区和集电区中

50、的电荷 同时表示了处在截止和有源区的基区电荷同时表示了处在截止和有源区的基区电荷3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管2.2.上升和下降时间上升和下降时间关断的下降时间关断的下降时间 ：表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分：表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分之十的时间间隔。这是上升时间的逆过程，并且遭到同样的要素限制。之十的时间间隔。这是上升时间的逆过程，并且遭到同样的要素限制。ft3.3.储存时间储存时间 从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到 之间之间的时间。的时间。stsatIC9 .

51、0上升时间上升时间 ：电流：电流 从从 的百分之十上升到百分之九十所需求的时的百分之十上升到百分之九十所需求的时间。它对应于在基区建立少数载流子分布以到达集电极饱和电流的百分之九十。间。它对应于在基区建立少数载流子分布以到达集电极饱和电流的百分之九十。该时间受输出时间常数的该时间受输出时间常数的 影响。影响。rtCIsatLTCRCCI3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管对延续性方程对延续性方程1-213a1-213a从从0 0至至 求一次积分令求一次积分令 nW0G pSSnppQdtdQWII0dxpqAQnWnS02-1062-106 ，得到，

52、得到 由由nBBBQdtdQi3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性用用 替代替代 0 0，用，用 替代替代 ，并用，并用 替代替代 ，便得到正向有源方，便得到正向有源方式的基区电荷控制方程：式的基区电荷控制方程：BiPIBQSQnp双极结型晶体管双极结型晶体管在稳态条件下，式中依赖于时间的项为零。由上式，基极电流可表示为在稳态条件下，式中依赖于时间的项为零。由上式，基极电流可表示为nBBQI当进入饱和时，总电荷为当进入饱和时，总电荷为BXBQQ ，电荷控制方程变为，电荷控制方程变为dtdQdtdQQQiBXBsBXnBB如今让我们忽然把基极电流从如今让我们忽然把基极电流从1BI

53、改动到改动到2BI，过量电荷开场减少，但有源电荷，过量电荷开场减少，但有源电荷BQ 0tst之间坚持不变。于是在这段时间内可以令之间坚持不变。于是在这段时间内可以令 在在 和和0dtdQB以及以及BAnBIQ3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管于是有于是有或或方程方程3.93a3.93a的通解为：的通解为： 2BxBxBBnsQdQQIdt)(2BABsBxBxIIQdtdQ特解为特解为 BABII2- /stBXQAe3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管BABsBXIIQ1BABstBBsBXIIeIIQ

54、s221在在 时，全部过量少数载流子被去除掉，时，全部过量少数载流子被去除掉， 。因此求得。因此求得stt 0BXQ221lnBBABBssIIIIt在在t= t= 时，方程时，方程3.933.93中的时间依赖项为零，并利用中的时间依赖项为零，并利用3.953.95式得到过量式得到过量电荷为电荷为03.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性这是方程这是方程3.93a3.93a的初始条件。于是得方程的初始条件。于是得方程3.93a3.93a的解为的解为双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求了解晶体管开关任务原理。了解晶体管开关任务原理。为什么晶体管开关需求开关时间？为什么晶体管开

55、关需求开关时间？了解晶体管开关时间所涉及的物理过程。了解晶体管开关时间所涉及的物理过程。3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管3.113.11击穿电压击穿电压1.共基极衔接共基极衔接 在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间允许的最高反向偏在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间允许的最高反向偏压压 : 阅历公式对于共基极电路：阅历公式对于共基极电路：0CBBVnCBOCBBVVM11图图3-273-27中，在中，在 处处 忽然添加忽然添加. .从集电极电流与发射极电流之间的关系来从集电极电流与发射极电流之间的关系来看，包含雪崩效应的有

56、效电流增益增大看，包含雪崩效应的有效电流增益增大M M倍，即倍，即0CBBVCIMa*3-99 3-100 晶体管中最高电压的根本限制与在晶体管中最高电压的根本限制与在P-N结二极管中的一样，即雪崩击结二极管中的一样，即雪崩击穿或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的穿或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的P-N结的性质，它还依结的性质，它还依赖于外部的电路构造。赖于外部的电路构造。双极结型晶体管双极结型晶体管当当M M接近无穷时满足击穿条件。接近无穷时满足击穿条件。3.113.11击穿电压击穿电压图图3-27 共发射极和共基极电路的击穿电压共发射极和共基极电路的击穿电压共发射极击穿电压比共基极击穿电压低很多。共发射极击穿电压比共基极击穿电压低很多。双极结型晶体管双极结型晶体管由于由于 ，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为)1 (hFE*FEhMMhFE1*1*3-101 当到达的条件当到达的条件 时，新的电流增益变为无穷，即发生击穿。时，新的电流增益变为无穷，即发生击穿。1M由于由于 非常接近于非常接近于1 1，当，当 不要比不要比1 1大很多时就能满足共发射极击穿条件。大很