半导体物理_第十章

1、 第十章第十章 双极型晶体管双极型晶体管本章学习要点：本章学习要点：1. 1. 了解双极型晶体管的基本工作原理，并建立其电流电压关系；了解双极型晶体管的基本工作原理，并建立其电流电压关系；2. 2. 分析并推导出双极型晶体管内部少数载流子的分布情况；分析并推导出双极型晶体管内部少数载流子的分布情况；3. 3. 分析决定双极型晶体管共基极电流增益的影响因子并推导出分析决定双极型晶体管共基极电流增益的影响因子并推导出 其数学表达式；其数学表达式；4. 4. 了解双极型晶体管中的几个非理想效应；了解双极型晶体管中的几个非理想效应；5. 5. 建立双极型晶体管的小信号等效电路模型；建立双极型晶体管的小

2、信号等效电路模型；6. 6. 掌握分析双极型晶体管频率限制因素的方法；掌握分析双极型晶体管频率限制因素的方法；7. 7. 掌握分析双极型晶体管大信号开关特性的方法。掌握分析双极型晶体管大信号开关特性的方法。 双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar JunctionBipolar JunctionTransistorTransistor，BJTBJT），有时也简称为双极型晶），有时也简称为双极型晶体管或双极晶体管，之所以称为双极型器件，体管或双极晶体管，之所以称为双极型器件，是因为其工作过程中包含了是因为其工作过程中包含了电子和空穴两种电子和空穴两种载流子载流子的运动的运动. . 双极型

3、晶体管包含双极型晶体管包含3 3个独立的掺杂区域个独立的掺杂区域（NPNNPN或或PNPPNP），由此构成两个靠得很近且二），由此构成两个靠得很近且二者之间具有相互作用者之间具有相互作用PNPN结结，双极型晶体管的，双极型晶体管的工作原理与这两个工作原理与这两个PNPN结的特性密切相关。结的特性密切相关。10.1 10.1 双极型晶体管的基本工作原理双极型晶体管的基本工作原理组成情况：三个掺杂区，两个组成情况：三个掺杂区，两个PNPN结两种结构：结两种结构：NPNNPN型型BJTBJT：两个：两个N N型区中间夹着一个薄的型区中间夹着一个薄的P P型区；型区；PNPPNP型型BJTBJT：两个

4、：两个P P型区中间夹着一个薄的型区中间夹着一个薄的N N型区；型区； BJT BJT中中通常发射区掺杂浓度最高通常发射区掺杂浓度最高(10(101919/cm/cm3 3) )，基，基区次之区次之(10(101717，10101818) )，而收集区的掺杂浓度（，而收集区的掺杂浓度（10101515）则最低。则最低。实际实际BJTBJT的结构示意图的结构示意图例例1 1：传统双极型集成电路中的：传统双极型集成电路中的BJTBJT结构结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用埋层：减小串联电阻；隔离：采用PNPN结；结；实际实际BJTBJT的结构示意图的结构示意图例例2 2：先进的双层多晶硅：先进的双

5、层多晶硅BJTBJT结构结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；1. 1. 基本的工作原理基本的工作原理 NPNNPN型型BJTBJT与与PNPPNP型型BJTBJT是完全互补的两种双极是完全互补的两种双极型晶体管，将以型晶体管，将以NPNNPN型器件为例来进行讨论分析。型器件为例来进行讨论分析。理想情况下，一个均匀掺杂的理想情况下，一个均匀掺杂的NPNNPN型型BJTBJT的掺杂的掺杂分布如下图所示：分布如下图所示：正常工作时，正常工作时，BJTBJT器件的发射结（器件的发射结（E-BE-B结）处于正向偏结）处于正向偏置状态，而其收集结（置状态，而

6、其收集结（B-CB-C结）则处于反向偏置状态，结）则处于反向偏置状态，这种情况通常称为这种情况通常称为正向放大模式。正向放大模式。A. A. 发射结正偏，电子由发射结正偏，电子由N N型发射区越过发射结空间电型发射区越过发射结空间电荷区扩散进入基区，并在基区中形成非平衡过剩少子荷区扩散进入基区，并在基区中形成非平衡过剩少子电子的浓度分布，电子的浓度分布，基区中少子电子的浓度分布是发射基区中少子电子的浓度分布是发射结上外加正偏电压的函数，结上外加正偏电压的函数，发射区中的电子电流是流发射区中的电子电流是流过发射极电流的一个组成部分。过发射极电流的一个组成部分。 首先来讨论发生在正向放大模式首先来

7、讨论发生在正向放大模式BJTBJT中的主要中的主要物理过程：物理过程：B. B. 收集结反偏，因此基区中靠近收集结边界处少子电收集结反偏，因此基区中靠近收集结边界处少子电 子的浓度为零。子的浓度为零。C. C. 基区中的少子电子存在着比较大的浓度梯度，基区中的少子电子存在着比较大的浓度梯度，因此电子可以通过扩散流过基区，和正偏的因此电子可以通过扩散流过基区，和正偏的PNPN结结二极管类似，少子电子在通过中性基区的过程中二极管类似，少子电子在通过中性基区的过程中也会与其中的多子空穴发生一定的复合。也会与其中的多子空穴发生一定的复合。D. D. 电子扩散通过基区之后，将进入反偏的收集电子扩散通过基

8、区之后，将进入反偏的收集结空间电荷区中，收集结中的电场将把扩散过来结空间电荷区中，收集结中的电场将把扩散过来的电子拉向收集区，的电子拉向收集区，能够被拉向收集区的电子数能够被拉向收集区的电子数目取决于由发射区注入到基区中的电子数目。目取决于由发射区注入到基区中的电子数目。E. E. 流入到收集区中的电子数量（构成收集极电流入到收集区中的电子数量（构成收集极电流）取决于发射结上的偏置电压，此即双极型流）取决于发射结上的偏置电压，此即双极型晶体管的放大作用，晶体管的放大作用，即：即：BJTBJT中流过一个端点的中流过一个端点的电流取决于另外两个端点上的外加电压。电流取决于另外两个端点上的外加电压。

9、发生在正向放大模式发生在正向放大模式BJTBJT中的其它次要的物理过中的其它次要的物理过程还有：程还有：F.F.基区中的基区中的少子电子将与基区中的多子空穴相少子电子将与基区中的多子空穴相复合，复合，因此基区中的多子空穴必须得到补充，因此基区中的多子空穴必须得到补充，这个过程构成了基极空穴电流的一个组成部分这个过程构成了基极空穴电流的一个组成部分G. G. 由于发射结正偏，因此基区中的空穴也会越过发射由于发射结正偏，因此基区中的空穴也会越过发射结空间电荷区向发射区扩散，结空间电荷区向发射区扩散，但是由于基区掺杂浓度通但是由于基区掺杂浓度通常远远低于发射区的掺杂浓度，因此空穴由基区扩散至常远远低

10、于发射区的掺杂浓度，因此空穴由基区扩散至发射区所引起的空穴电流也将远远小于电子由发射区扩发射区所引起的空穴电流也将远远小于电子由发射区扩散至基区所引起的电子电流，散至基区所引起的电子电流，这个空穴电流也构成了基这个空穴电流也构成了基极电流和发射极电流的一个组成部分。极电流和发射极电流的一个组成部分。H. H. 反偏的收集区中也存在着一个反向漏电流，这个反反偏的收集区中也存在着一个反向漏电流，这个反向漏电流通常很小。向漏电流通常很小。 BJTBJT器件的一个主要工作目标就是要使得器件的一个主要工作目标就是要使得由发射区注入到基区的电子能够尽量多地被由发射区注入到基区的电子能够尽量多地被收集区收集

11、到。为此，收集区收集到。为此，基区中少子电子与多基区中少子电子与多子空穴之间的复合应该尽可能地减少，基区子空穴之间的复合应该尽可能地减少，基区宽度也必须小于少子的扩散长度宽度也必须小于少子的扩散长度，从而使两，从而使两个个PNPN结之间能够产生相互作用结之间能够产生相互作用。2. 2. 工作模式工作模式BJTBJT器件可以有四种工作模式：器件可以有四种工作模式：（1 1）当发射结处于正偏，而收集结处于反偏）当发射结处于正偏，而收集结处于反偏时，这也就是所谓的时，这也就是所谓的正向放大模式；正向放大模式；（2 2）当）当发射结处于零偏或反偏，收集结也处发射结处于零偏或反偏，收集结也处于反偏时，于

12、反偏时，BJTBJT器件发射区中的多数载流子电器件发射区中的多数载流子电子不会向基区中注入，因此器件发射极电流和子不会向基区中注入，因此器件发射极电流和收集极电流均为零，此时称为收集极电流均为零，此时称为截止模式；截止模式；（3 3）随着发射结正）随着发射结正向偏置电压的不断增向偏置电压的不断增加，收集结由反偏变加，收集结由反偏变为零偏甚至正偏，此为零偏甚至正偏，此时时BJTBJT即进入即进入饱和工饱和工作模式。作模式。发射结正偏，收集结发射结正偏，收集结正偏。正偏。 BJT BJT器件四种不同的工作模式所对应的器件四种不同的工作模式所对应的PNPN结结偏置情况如下页图所示。偏置情况如下页图所

13、示。（4 4）当）当BJTBJT器件的器件的发射结处于反偏，而收集结处发射结处于反偏，而收集结处于正偏时，于正偏时，则则BJTBJT处于处于反向放大模式。反向放大模式。由于由于BJTBJT器器件结构上的非对称性，其反向放大特性与正向放件结构上的非对称性，其反向放大特性与正向放大特性有很大差别。大特性有很大差别。BJTBJT器件四种不同的工作模式及其对应的器件四种不同的工作模式及其对应的PNPN结结偏置条件示意图偏置条件示意图10.2 10.2 少数载流子分布情况少数载流子分布情况 我们主要感兴趣的是双极型晶体管的各个我们主要感兴趣的是双极型晶体管的各个电流表达式，和理想电流表达式，和理想PNP

14、N结情况类似，这些电流结情况类似，这些电流都是都是BJTBJT中各个区域少数载流子浓度分布的函中各个区域少数载流子浓度分布的函数，因此首先确定在数，因此首先确定在不同工作模式下，双极型不同工作模式下，双极型晶体管中稳态条件下各个不同区域的少数载流晶体管中稳态条件下各个不同区域的少数载流子浓度分布。子浓度分布。1. 1. 正向放大模式正向放大模式考虑如下结构的一个均匀掺杂的考虑如下结构的一个均匀掺杂的BJTBJT器件。器件。正向放大模式下正向放大模式下BJTBJT中各区少子浓度分布示意图中各区少子浓度分布示意图 下图所示为工作在下图所示为工作在截止状态截止状态时时BJTBJT中不同区中不同区域的

15、少数载流子浓度分布。域的少数载流子浓度分布。 由于发射结和收集结均处于反向偏置状态，由于发射结和收集结均处于反向偏置状态，又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度，又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度，因此在这两个结的空间电荷区边界处的少数载因此在这两个结的空间电荷区边界处的少数载流子浓度均为零。流子浓度均为零。 下图所示为工作在截止状态时下图所示为工作在截止状态时BJTBJT中各区的中各区的能带情况示意图。能带情况示意图。 下图所示为工作在下图所示为工作在饱和状态饱和状态时时BJTBJT中不同区中不同区域的少数载流子浓度分布。器件发射结和收集域的少数载流子浓度分布。器件发射结和收集结均处于正

16、偏状态，结均处于正偏状态，但是发射结上的正偏电压但是发射结上的正偏电压还是略高于收集结上的正偏电压还是略高于收集结上的正偏电压，因此在基区，因此在基区内部仍然存在着过剩少子电子的浓度梯度，由内部仍然存在着过剩少子电子的浓度梯度，由此形成此形成BJTBJT器件的收集极电流。器件的收集极电流。 下图所示为工作在饱和状态时下图所示为工作在饱和状态时BJTBJT器件中各器件中各区的能带情况示意图区的能带情况示意图 最后，我们再给出最后，我们再给出BJTBJT处于处于反向放大状态反向放大状态时不时不同区域的少数载流子浓度分布。由于器件发射结同区域的少数载流子浓度分布。由于器件发射结处于反偏状态，而收集结

17、处于正偏状态，电子由处于反偏状态，而收集结处于正偏状态，电子由收集区注入到基区，最后扩散到发射结附近并被收集区注入到基区，最后扩散到发射结附近并被发射结电场拉向发射区，发射结电场拉向发射区，基区中的过剩少子电子基区中的过剩少子电子的浓度梯度也与正向放大状态正好相反。的浓度梯度也与正向放大状态正好相反。 下图所示为工作在反向放大模式时下图所示为工作在反向放大模式时BJTBJT器件器件中各区的能带情况示意图，这也与正向放大模中各区的能带情况示意图，这也与正向放大模式时式时BJTBJT器件中各区的能带情况呈对称状态。器件中各区的能带情况呈对称状态。 但是由于但是由于BJTBJT中三个区域掺杂浓度的不

18、同以中三个区域掺杂浓度的不同以及几何结构上发射区与收集区的非对称性，反及几何结构上发射区与收集区的非对称性，反向放大模式下向放大模式下BJTBJT的电流增益将大大下降。如下的电流增益将大大下降。如下图所示，由于发射极的面积远小于收集结的面图所示，由于发射极的面积远小于收集结的面积，因此由收集区注入到基区的电子只有很少积，因此由收集区注入到基区的电子只有很少一部分能够被发射区所收集。一部分能够被发射区所收集。2. 2. 简化的晶体管电流关系简化的晶体管电流关系 首先我们将通过简化的分析来获得首先我们将通过简化的分析来获得NPNNPN型型BJTBJT中各个端点电流与端点电压之间的关系，从而中各个端

19、点电流与端点电压之间的关系，从而得到得到BJTBJT基本放大作用原理的物理图像，然后我基本放大作用原理的物理图像，然后我们再给出详细的推导过程。们再给出详细的推导过程。 一个处于正向放大模式一个处于正向放大模式BJTBJT器件内部各区域器件内部各区域中的少数载流子浓度分布如下页图所示。中的少数载流子浓度分布如下页图所示。 由发射区注入过来的电子扩散通过基区，然由发射区注入过来的电子扩散通过基区，然后被收集结空间电荷区中的电场拉向收集区，后被收集结空间电荷区中的电场拉向收集区，因此因此BJTBJT器件的收集极电流可表示为：器件的收集极电流可表示为： 其中其中A ABEBE为发射结面积，为发射结面

20、积，n nB0B0为热平衡条件下基为热平衡条件下基区中的电子浓度，电子沿着区中的电子浓度，电子沿着+x+x方向流动，因此方向流动，因此电流沿着电流沿着-x-x方向，则有：方向，则有： 由上式可见，由上式可见，BJTBJT器件的收集极电流受发射器件的收集极电流受发射结上外加电压的控制，即：结上外加电压的控制，即：BJTBJT中流过一个端中流过一个端点的电流取决于另外两个端点上的外加电压，点的电流取决于另外两个端点上的外加电压，此即双极型晶体管的放大作用。此即双极型晶体管的放大作用。理想情况下，由理想情况下，由发射区注入到基区的电子电流与收集极电流相等。发射区注入到基区的电子电流与收集极电流相等。

21、 而由基区注入到发射区的空穴电流则为：而由基区注入到发射区的空穴电流则为： 由此可见，由此可见，BJTBJT中收集极电流与发射极电流中收集极电流与发射极电流之比为一个常数，即：之比为一个常数，即： 上式中上式中称为称为BJTBJT器件共基极电流增益，器件共基极电流增益，由上述分析可知，由上述分析可知，i iC CiiE E，即，即11，由于，由于i iE2E2与与晶体管的放大作用无关，因此我们总是希望这晶体管的放大作用无关，因此我们总是希望这个电流成分越小越好，也就是希望个电流成分越小越好，也就是希望BJTBJT的的共基共基极电流增益尽可能接近极电流增益尽可能接近1 1。 由上述分析可见，发射

22、极电流成分由上述分析可见，发射极电流成分i iE2E2实际上实际上也是基极电流的一个组成部分，也是基极电流的一个组成部分，基极电流的另基极电流的另一个组成部分则是基区中的多子空穴与电子的一个组成部分则是基区中的多子空穴与电子的复合电流复合电流i iBbBb，这二者都与，这二者都与exp(vexp(vBEBE/V/Vt t) )成正比，成正比，因此因此BJTBJT器件的收集极电流与基极电流之比也为器件的收集极电流与基极电流之比也为常数，即：常数，即： 上式中上式中称为称为BJTBJT器件的共发射极电流增益，器件的共发射极电流增益，大约为大约为100100左右。左右。3. 3. 双极型晶体管的放大

23、作用双极型晶体管的放大作用双极型晶体管的电流放大作用和电压放大作用双极型晶体管的电流放大作用和电压放大作用示意图示意图10.3 10.3 低频信号下的共基极电流增益低频信号下的共基极电流增益 前面我们已经介绍过，前面我们已经介绍过，BJTBJT器件的器件的基本工作基本工作原理就是收集极电流受到发射结电压的控制作原理就是收集极电流受到发射结电压的控制作用。用。而共基极电流增益也就是定义为而共基极电流增益也就是定义为BJTBJT器件的器件的收集极电流与发射极电流之比。收集极电流与发射极电流之比。1. 1. 影响共基极电流增益的因素影响共基极电流增益的因素 其中其中J JnEnE为基区中为基区中x=

24、0 x=0处由于少子电子的扩散所处由于少子电子的扩散所引起的电流；引起的电流；J JnCnC为基区中为基区中x=xx=xB B处由于少子电子的处由于少子电子的扩散所引起的电流；扩散所引起的电流；J JRBRB则为则为J JnEnE与与J JnCnC之差，它是之差，它是由基区中过剩少子电子与多子空穴的复合所引起由基区中过剩少子电子与多子空穴的复合所引起的，必须由基极提供的空穴电流；的，必须由基极提供的空穴电流；J JpEpE为发射区中为发射区中x=0 x=0处由于少子空穴的扩散所引起的电流；处由于少子空穴的扩散所引起的电流；J JR R为正偏发射结中的载流子复合电流；为正偏发射结中的载流子复合电

25、流；J Jpc0pc0为器件为器件收集区中收集区中x=0 x=0处由于少子空穴的扩散所引起处由于少子空穴的扩散所引起的电流；的电流；J JG G为反偏收集结中的载流子产生电流。为反偏收集结中的载流子产生电流。 其中其中J JRBRB、J JpEpE和和J JR R这三个电流仅仅流过发射这三个电流仅仅流过发射结，并没有流过收集结，而结，并没有流过收集结，而J Jpc0pc0和和J JG G这两个电流这两个电流则仅仅流过收集结，并没有流过发射结。则仅仅流过收集结，并没有流过发射结。因此因此这些电流成分对晶体管作用或电流增益并没有这些电流成分对晶体管作用或电流增益并没有任何贡献。任何贡献。直流情况下

26、直流情况下BJTBJT器件的共基极电流器件的共基极电流增益定义为：增益定义为： 我们真正感兴趣的实际上是器件的收集极我们真正感兴趣的实际上是器件的收集极电流如何随着发射极电流的改变而变化，即在电流如何随着发射极电流的改变而变化，即在正弦小信号情况下，正弦小信号情况下，BJTBJT器件的共基极电流增器件的共基极电流增益可定义为：益可定义为： 上述几个因子的定义对于上述几个因子的定义对于PNPPNP型型BJTBJT器件来器件来说，也是完全类似的，只是公式中的说，也是完全类似的，只是公式中的电子电流电子电流和空穴电流要互相对调一下。和空穴电流要互相对调一下。在理想情况下我在理想情况下我们总是希望们总

27、是希望=1=1，但实际的，但实际的总是小于总是小于1 1的。的。2.2.影响电流增益因素的数学推导影响电流增益因素的数学推导发射极注入效率因子：考虑理想情况下的发射发射极注入效率因子：考虑理想情况下的发射极注入效率因子，则有：极注入效率因子，则有： 利用已经求得的正向放大模式下利用已经求得的正向放大模式下BJTBJT中各区的少中各区的少数载流子浓度分布，上述两个电流密度表示为：数载流子浓度分布，上述两个电流密度表示为： 另外，复合因子中通常还必须另外，复合因子中通常还必须考虑表面复考虑表面复合效应的影响合效应的影响，如下图所示，当电子由发射区，如下图所示，当电子由发射区注入到基区之后，由于基区

28、表面复合效应的影注入到基区之后，由于基区表面复合效应的影响，有一部分电子还将会向基区表面扩散。响，有一部分电子还将会向基区表面扩散。3. 3. 小结小结 以上对以上对NPNNPN型型BJTBJT器件的少数载流子浓度分布器件的少数载流子浓度分布以及电流增益做了分析，上述分析对以及电流增益做了分析，上述分析对PNPPNP型型BJTBJT器器件也是完全适用的，件也是完全适用的，只是电子和空穴的浓度必须只是电子和空穴的浓度必须对调，同时外加电压的极性和电流的方向也必须对调，同时外加电压的极性和电流的方向也必须反转。反转。对于共基极放大，对于共基极放大，BJTBJT的直流电流增益为：的直流电流增益为：1

29、0.4 BJT10.4 BJT中的几个非理想效应中的几个非理想效应 在前面的讨论中，我们实际上假设了在前面的讨论中，我们实际上假设了BJTBJT器件是器件是均匀掺杂的、满足小注入条件、发射区均匀掺杂的、满足小注入条件、发射区和基区宽度恒定、禁带宽度恒定、结电流密度和基区宽度恒定、禁带宽度恒定、结电流密度均匀且未进入击穿状态。均匀且未进入击穿状态。若上述任意一条不满若上述任意一条不满足，则器件特性就会偏离理想状态下的情况。足，则器件特性就会偏离理想状态下的情况。1. 1. 基区宽度调制效应：基区宽度调制效应： 在前面的讨论中，我们一直默认为在前面的讨论中，我们一直默认为BJTBJT器件器件的中性

30、基区宽度的中性基区宽度x xB B是恒定的，是恒定的，然而事实上然而事实上x xB B是收是收集结上反向偏置电压的函数，当收集结上反偏集结上反向偏置电压的函数，当收集结上反偏电压增大，则其势垒区宽度增加，电压增大，则其势垒区宽度增加，并向中性基并向中性基区中扩展，从而使中性基区宽度变窄，区中扩展，从而使中性基区宽度变窄，由此导由此导致基区中少数载流子浓度梯度的增大，最终引致基区中少数载流子浓度梯度的增大，最终引起扩散电流的增加，起扩散电流的增加，这个效应通常称为基区宽这个效应通常称为基区宽度调制效应，或称为厄立（度调制效应，或称为厄立（EarlyEarly）效应。）效应。 随着收集结反偏电压的

31、增加，收集结空间随着收集结反偏电压的增加，收集结空间电荷区展宽，并向基区中扩展，从而导致基区电荷区展宽，并向基区中扩展，从而导致基区宽度变窄、基区中少数载流子浓度梯度增加的宽度变窄、基区中少数载流子浓度梯度增加的情况如下图所示。情况如下图所示。 厄立效应在厄立效应在BJTBJT输出特性曲线上的反映如下输出特性曲线上的反映如下图所示。图所示。理想情况下器件收集极电流与收集结理想情况下器件收集极电流与收集结上的反偏电压无关，即输出电导为零；上的反偏电压无关，即输出电导为零；然而由然而由于基区宽度调制效应，器件的输出电导不为零，于基区宽度调制效应，器件的输出电导不为零，输出特性曲线变斜，斜线交点处的

32、电压值称为输出特性曲线变斜，斜线交点处的电压值称为厄立电压，通常在厄立电压，通常在100-300V100-300V之间。之间。可见，考虑基区宽度调制效应之后，可见，考虑基区宽度调制效应之后，BJTBJT器件的器件的收集极电流与收集结上的外加反向电压相关收集极电流与收集结上的外加反向电压相关。2. 2. 大注入效应：大注入效应： 我们在前面用来求解少数载流子浓度分布我们在前面用来求解少数载流子浓度分布的双极输运方程是在小注入条件下得到的，的双极输运方程是在小注入条件下得到的，而而当当V VBEBE不断增大之后，注入的少数载流子浓不断增大之后，注入的少数载流子浓度有可能接近甚至超过多数载流子的浓度

33、。度有可能接近甚至超过多数载流子的浓度。 此时如下图所示，此时如下图所示，在大注入情况下，为了在大注入情况下，为了满足电中性条件，在基区中满足电中性条件，在基区中x=0 x=0处多数载流子处多数载流子空穴的浓度也将会有所增加。空穴的浓度也将会有所增加。 大注入条件下基区大注入条件下基区多数载流子浓度的增多数载流子浓度的增加将带来两方面的影加将带来两方面的影响：响：一是引起基区向一是引起基区向发射区反向注入空穴发射区反向注入空穴电流的增大，从而导电流的增大，从而导致器件发射结注入效致器件发射结注入效率的下降，最终使得率的下降，最终使得电流增益在大注入情电流增益在大注入情况下出现下降的趋势况下出现

34、下降的趋势. . 当器件的收集极电流增大到一定程度之后，当器件的收集极电流增大到一定程度之后，电流增益将开始下降，电流增益将开始下降，这是因为基区中多数载流这是因为基区中多数载流子浓度增加导致器件发射结注入效率下降的结果子浓度增加导致器件发射结注入效率下降的结果 在小电流情况下，在小电流情况下，器件的电流增益也有器件的电流增益也有很大下降，很大下降，这是由于这是由于小电流条件下发射结小电流条件下发射结空间电荷区中的载流空间电荷区中的载流子复合效应而引起的子复合效应而引起的 大注入条件下基区多数载流子浓度增加带来大注入条件下基区多数载流子浓度增加带来的另一方面的影响：在小注入条件下，的另一方面的

35、影响：在小注入条件下，NPNNPN型型BJTBJT器件基区中器件基区中x=0 x=0处多数载流子空穴的浓度为：处多数载流子空穴的浓度为： 因此在大注入条件下因此在大注入条件下n np p(0)(0)随随V VBEBE增大的速率增大的速率将逐渐逼近下述关系：将逐渐逼近下述关系： 由上式可见，在发由上式可见，在发射结由小注入逐步进射结由小注入逐步进入到大注入的过程中，入到大注入的过程中，收集极电流随着收集极电流随着V VBEBE增增大的速率也将逐渐减大的速率也将逐渐减慢慢，如右图所示，可，如右图所示，可见大注入效见大注入效应非常类似于应非常类似于PNPN结中结中串联电阻的影响。串联电阻的影响。3.

36、3.发射区禁带宽度变窄效应发射区禁带宽度变窄效应 在前面做了这样的假设，即在前面做了这样的假设，即随着发射区掺随着发射区掺杂浓度的增加，杂浓度的增加，BJTBJT器件发射结的注入效率将器件发射结的注入效率将会持续增大。会持续增大。事实上，随着发射区掺杂浓度的事实上，随着发射区掺杂浓度的增加，杂质原子之间的间距将不断减小，由此增加，杂质原子之间的间距将不断减小，由此导致杂质原子产生相互作用，引起杂质能级的导致杂质原子产生相互作用，引起杂质能级的分裂，分裂，形成杂质能带，掺杂浓度进一步增加，形成杂质能带，掺杂浓度进一步增加，杂质能带也将进一步展宽，最终将与导带底相杂质能带也将进一步展宽，最终将与导

37、带底相连，从而导致有效的发射区禁带宽度变窄。连，从而导致有效的发射区禁带宽度变窄。 下页图所示为通过理论计算和实验测得的硅下页图所示为通过理论计算和实验测得的硅BJTBJT器件中发射区禁带宽度随着掺杂浓度的变器件中发射区禁带宽度随着掺杂浓度的变化关系。化关系。禁带宽度变窄将导致本征载流子浓度禁带宽度变窄将导致本征载流子浓度增加，因为：增加，因为： 当发射区掺杂浓度增加到使得其禁带宽度开当发射区掺杂浓度增加到使得其禁带宽度开始出现变窄效应时，始出现变窄效应时，p pE0E0就会开始增大，就会开始增大，此时发此时发射结的注入效率就会出现下降的趋势，因此在射结的注入效率就会出现下降的趋势，因此在发射

38、区为重掺杂的情况下，发射区为重掺杂的情况下，BJTBJT器件的电流增器件的电流增益也会有所下降。益也会有所下降。4.4.发射极电流集边效应发射极电流集边效应 对于一个典型的平面集成化对于一个典型的平面集成化BJTBJT器件来说，器件来说，其基区宽度通常不会超过一个微米，因此位其基区宽度通常不会超过一个微米，因此位于发射区下方的于发射区下方的内基区电阻就会比较大，这样内基区电阻就会比较大，这样基极电流在这个电阻上就会产生比较大的压降基极电流在这个电阻上就会产生比较大的压降. . 而器件的发射区通常为重掺杂，因此整个而器件的发射区通常为重掺杂，因此整个发射区可以看作是一个等势体。发射区可以看作是一

39、个等势体。由于由于BJTBJT器件器件的发射极电流与其发射结上的压降成指数关系，的发射极电流与其发射结上的压降成指数关系，因此流过整个发射结的电流就会出现集边效应。因此流过整个发射结的电流就会出现集边效应。 由于由于BJTBJT器件的发射极电流与其发射结上器件的发射极电流与其发射结上的压降成指数关系，因此流过整个发射结的电的压降成指数关系，因此流过整个发射结的电流就会出现集边效应。流就会出现集边效应。 如下图所示，对于实际的平面集成化如下图所示，对于实际的平面集成化BJTBJT器器件来说，基区可分为件来说，基区可分为本征基区本征基区（位于发射结下（位于发射结下方）和方）和非本征基区非本征基区（

40、位于发射结下方以外）两（位于发射结下方以外）两部分。部分。 本征基区电阻的影响如下图所示，当基极电本征基区电阻的影响如下图所示，当基极电流流过本征基区电阻时将产生压降，由此导致流流过本征基区电阻时将产生压降，由此导致BJTBJT器件的发射结电流出现集边效应。器件的发射结电流出现集边效应。 当当BJTBJT器件中出现发射结电流集边效应时器件中出现发射结电流集边效应时, ,靠近发射结边缘处的电流密度将远远大于发射靠近发射结边缘处的电流密度将远远大于发射结中心处的电流密度，因此整个发射结流过的结中心处的电流密度，因此整个发射结流过的总电流将不随发射结面积的增加而线性增大，总电流将不随发射结面积的增加

41、而线性增大，而只随着发射结周长的增加而线性增大。而只随着发射结周长的增加而线性增大。 对于大电流的对于大电流的功率型功率型BJTBJT器件采器件采用用多发射极长条和多发射极长条和多基极长条交错排多基极长条交错排列的插指状并联结列的插指状并联结构，构，以避免发射结以避免发射结电流集边效应，并电流集边效应，并充分利用充分利用BJTBJT有效有效的发射结面积，同的发射结面积，同时减小基极电阻。时减小基极电阻。5. 5. 非均匀基区掺杂效应非均匀基区掺杂效应 在前面一直假设在前面一直假设BJTBJT的基区掺杂浓度是均匀的基区掺杂浓度是均匀的，实际情况却并非完全如此，例如在双扩散的，实际情况却并非完全如

42、此，例如在双扩散型型BJTBJT中，器件基区的掺杂浓度就是非均匀的。中，器件基区的掺杂浓度就是非均匀的。 图中的图中的BJTBJT器件采器件采用均匀掺杂的用均匀掺杂的N N型硅衬型硅衬底材料，底材料，然后由表面然后由表面向衬底体内扩散受主向衬底体内扩散受主杂质，形成补偿的杂质，形成补偿的P P型型基区，基区，最后再采用同最后再采用同样的方法形成二次补样的方法形成二次补偿的偿的N N型发射区型发射区。 在第四章中我们已经介绍过，器件内部缓变在第四章中我们已经介绍过，器件内部缓变的杂质分布将引起内建电场，的杂质分布将引起内建电场，BJTBJT器件中非均器件中非均匀的基区掺杂浓度也会在基区中形成一个

43、匀的基区掺杂浓度也会在基区中形成一个内建内建电场电场。对于。对于P P型基区来说，型基区来说，在热平衡状态下，在热平衡状态下，多数载流子空穴的电流应该为零，即：多数载流子空穴的电流应该为零，即： 由上页图中可见，由上页图中可见，基区掺杂浓度的梯度为负基区掺杂浓度的梯度为负值，因此内建电场的方向沿着值，因此内建电场的方向沿着x x轴的负方向。轴的负方向。当当电子由电子由N N型发射区注入到型发射区注入到P P型基区中之后，将通型基区中之后，将通过扩散运动流向收集区，过扩散运动流向收集区，此时内建电场将对这此时内建电场将对这些电子的扩散运动起到加速作用，因此这个内些电子的扩散运动起到加速作用，因此

44、这个内建电场也称为加速场。建电场也称为加速场。6. BJT6. BJT器件的击穿电压：器件的击穿电压： 在在BJTBJT器件中，通常存在着两种截然不同的器件中，通常存在着两种截然不同的击穿机理。击穿机理。第一种是所谓的基区穿通击穿机理第一种是所谓的基区穿通击穿机理。当收集结上外加反偏电压时，收集结空间电荷当收集结上外加反偏电压时，收集结空间电荷区宽度将逐渐扩展。随着收集结上反偏电压的区宽度将逐渐扩展。随着收集结上反偏电压的不断增加，收集结空间电荷区有可能扩展至整不断增加，收集结空间电荷区有可能扩展至整个基区个基区 当收集结反偏电压为当收集结反偏电压为V VR2R2时，收集结空间电时，收集结空间

45、电荷区则已经扩展至整个荷区则已经扩展至整个基区，发射结势垒高度基区，发射结势垒高度降低，降低，此时收集结反偏此时收集结反偏电压的微小增加就会引电压的微小增加就会引起晶体管中电流的急剧起晶体管中电流的急剧增大，此即所谓的基区增大，此即所谓的基区穿通击穿。穿通击穿。 根据下图所示的基区穿通击穿模型，忽略发根据下图所示的基区穿通击穿模型，忽略发射结空间电荷区宽度的影响，我们可以计算出射结空间电荷区宽度的影响，我们可以计算出发生基区穿通击穿时器件收集结上外加的反偏发生基区穿通击穿时器件收集结上外加的反偏电压，即：电压，即： BJTBJT器件中常见的另一种击穿机理则是所器件中常见的另一种击穿机理则是所谓

46、的雪崩击穿谓的雪崩击穿，只不过此时需要考虑晶体管电，只不过此时需要考虑晶体管电流放大作用的影响。流放大作用的影响。10.5 10.5 混合混合型等效电路模型型等效电路模型(H-P(H-P模型模型) ) 要对双极型晶体管的电路进行分析和计算，要对双极型晶体管的电路进行分析和计算，就必须要用到就必须要用到BJTBJT器件的等效电路模型。目前已器件的等效电路模型。目前已经有多种不同类型的经有多种不同类型的BJTBJT器件模型，包括器件模型，包括Ebers-Ebers-mollmoll模型和模型和Gummel-PoonGummel-Poon模型，前者主要用于开模型，前者主要用于开关电路的分析和计算，后

47、者则主要用于线性放大关电路的分析和计算，后者则主要用于线性放大电路的模拟和分析。电路的模拟和分析。 我们将要介绍的我们将要介绍的混合混合型等效电路模型型等效电路模型也也是一种主要用于是一种主要用于线性放大电路模拟分析线性放大电路模拟分析的的BJTBJT器器件模型。件模型。 如下页图所示，左边为一个用于小信号放如下页图所示，左边为一个用于小信号放大的共发射极大的共发射极BJTBJT器件，右边则为器件，右边则为BJTBJT器件的剖器件的剖面结构示意图，其中面结构示意图，其中C C、B B、E E为晶体管的外部电为晶体管的外部电极引线端，而极引线端，而CC、BB、EE点则为理想点则为理想BJTBJT

48、器器件内部的收集区、基区和发射区。首先我们可件内部的收集区、基区和发射区。首先我们可以分别构造出以分别构造出BJTBJT器件不同端点电极之间的等效器件不同端点电极之间的等效电路。电路。 按照上图所示结构，我们可以构造出按照上图所示结构，我们可以构造出BJTBJT器件外部输入电极器件外部输入电极B B、E E之间的等效电路。电阻之间的等效电路。电阻r rb b是基极电极是基极电极B B与内基区与内基区BB之间的基区串联电之间的基区串联电阻阻，器件发射结，器件发射结E-BE-B处于正偏状态，因此处于正偏状态，因此C C和和r r分别是器件发射结的扩散电容和扩散电分别是器件发射结的扩散电容和扩散电阻

49、阻，这与，这与PNPN结的小信号等效电路模型是完全相结的小信号等效电路模型是完全相同的。同的。 另外从下图中我们可以看到，另外从下图中我们可以看到，扩散电容和扩散电容和扩散电阻都是与发射结势垒电容扩散电阻都是与发射结势垒电容C Cjeje相并联的，相并联的，最后最后r rexex是发射极外部引线电极与发射区之间的是发射极外部引线电极与发射区之间的串联电阻，串联电阻，该电阻通常很小，一般在该电阻通常很小，一般在1-21-2个欧个欧姆之间。姆之间。 也可以构造出共发射极状态下也可以构造出共发射极状态下BJTBJT器件外部器件外部输出电极输出电极C C与与EE之间的等效电路，之间的等效电路，其中电阻

50、其中电阻r rc c是收集极电极是收集极电极C C与内部收集区与内部收集区CC之间的串联电之间的串联电阻，阻，C CS S是收集区与衬底之间反偏是收集区与衬底之间反偏PNPN结之间的势结之间的势垒电容，垒电容，受控电流源受控电流源g gm mV Vbebe反映的是反映的是BJTBJT器件器件收集极电流受发射结电压的控制关系，收集极电流受发射结电压的控制关系，电阻电阻r r0 0则是器件输出电导则是器件输出电导g g0 0的倒数，它主要由厄立效的倒数，它主要由厄立效应决定。应决定。 最后构造出反偏最后构造出反偏C-BC-B结之间的等效电路，结之间的等效电路，其中其中C C是反偏是反偏C-BC-B

51、结的势垒电容，而电阻结的势垒电容，而电阻r r则是反偏则是反偏C-BC-B结的扩散电阻结的扩散电阻。一般情况下。一般情况下r r在兆欧姆的数量级，往往可以忽略不计，电在兆欧姆的数量级，往往可以忽略不计，电容容C C通常也比通常也比C C要小，但是由于负反馈作用引要小，但是由于负反馈作用引起的密勒效应，起的密勒效应，C C的影响通常不能忽略。的影响通常不能忽略。 将上述三部分等效电路组合起来，就形成了一将上述三部分等效电路组合起来，就形成了一个个BJTBJT器件完整的混合器件完整的混合型等效电路模型，具体型等效电路模型，具体的等效电路结构如下页图所示。的等效电路结构如下页图所示。 在实际的电路分

52、析过程中，由于上述完整在实际的电路分析过程中，由于上述完整的混合的混合型等效电路模型中包含较多的电路元型等效电路模型中包含较多的电路元件，因此往往采用计算机来进行计算求解。另件，因此往往采用计算机来进行计算求解。另外，在某些特定条件下，我们也可以对上述完外，在某些特定条件下，我们也可以对上述完整的混合整的混合型等效电路模型进行简化处理。型等效电路模型进行简化处理。10.6 BJT10.6 BJT的频率限制因素的频率限制因素 这一节中将讨论限制这一节中将讨论限制BJTBJT器件频率特性的几器件频率特性的几个主要因素。个主要因素。 双极型晶体管实际上是一种双极型晶体管实际上是一种渡越时间渡越时间器

53、件，器件，当输入信号的频率增大，渡越时间与输入信号的当输入信号的频率增大，渡越时间与输入信号的周期相比拟时，此时输出响应就会跟不上输入信周期相比拟时，此时输出响应就会跟不上输入信号的变化，因而电流增益也会出现下降的趋势。号的变化，因而电流增益也会出现下降的趋势。 1. 1. 时间延迟因子：时间延迟因子： 可以将载流子由发射区渡越到收集区总的延可以将载流子由发射区渡越到收集区总的延迟时间划分为以下四个独立的部分。迟时间划分为以下四个独立的部分。r re e为发射结的扩散电阻，为发射结的扩散电阻，C Cp p为发射结的寄生电为发射结的寄生电容。容。 上式中第二项，上式中第二项，BJTBJT器件基区渡越时间为少数器件基区渡越时间为少数载流子扩散通过中性基区所需的时间载流子扩散通过中性基区所需的时间，对，对NPNNPN型型BJTBJT晶体管，基区中的电子电流密度可表示为：晶体管，基区中的电