第三章双极晶体管直流特性ppt课件

1、第三章第三章 双极型晶体管的直流特性双极型晶体管的直流特性内容内容3.1 双极晶体管基础双极晶体管基础3.2 均匀基区晶体管的电流放大系数均匀基区晶体管的电流放大系数3.3 缓变基区晶体管的电流放大系数缓变基区晶体管的电流放大系数3.4 双极晶体管的直流电流电压方程双极晶体管的直流电流电压方程3.5双极晶体管的反向特性双极晶体管的反向特性3.6 基极电阻基极电阻发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射结结集集电电结结发发射射极极集集电电极极基极基极1、双极型晶体管的结构 双极型晶体管的结构示意图如图所示。双极型晶体管的结构示意图如图所示。它有两种类型它有两种类型:npn型和型和pnp型。型。

2、e-b间的pn结称为发射结(Je) c-b间的pn结称为集电结(Jc) 中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示Base）； 一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示Emitter）； 另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示Collector）。两种极性的双极型晶体管两种极性的双极型晶体管 双极型晶体管的符号在图的下方给出，双极型晶体管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。 从外表上看两个从外表上看两个N区区,(或两个或两个P区区)是对称是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂

3、浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。其厚度一般在几个微米至几十个微米。 加在各加在各PN 结上的电压为：结上的电压为：PNP 管：管：NPN管：管： 根据两个结上电压的正负，晶体管可有根据两个结上电压的正负，晶体管可有 4 种工作状态：种工作状态：E 结结 工作状态工作状态放大状态，用于模拟电路放大状态，用于模拟电路饱和状态，用于数字电路饱和状态，用于数字电路截止状态，用于数字电路截止状态，用于数字电路倒向放大状态倒向放大状态C 结结 CBBCEBBEVVVVVV,BCCBBEEBVVVVVV,2、偏压与工作状态

4、、偏压与工作状态放大状态：放大状态：饱和状态：饱和状态：截止状态：截止状态：倒向放大状态：倒向放大状态：3、少子分布与能带图、少子分布与能带图 NPN 晶体管在平衡状态下的能带图：晶体管在平衡状态下的能带图：ECEFEVNNP 4、NPN 晶体管在晶体管在 4 种工作状态下的能带图：种工作状态下的能带图： NPN 晶体管在晶体管在 4 种工作状态下的能带图：种工作状态下的能带图：放大状态：放大状态：饱和状态：饱和状态：截止状态：截止状态：倒向放大状态：倒向放大状态： （1） 基区必须很薄，即基区必须很薄，即WB NB 。 晶体管放大电路有两种基本类型，即晶体管放大电路有两种基本类型，即 共基极

5、接法共基极接法 与与 共发射共发射极接法极接法 。 先讨论共基极接法以先讨论共基极接法以PNP 管为例）：管为例）：BECBPNPNENBNCIEIBICnnpIFVEVEECEVVE0IFVCnpIRVCVC0IRCRcdVdIr1IFIRVEVCnpnIFIRVEVCnpnICIEEBCBIErErCRLVJrdndpJJJdpJdnJrJP区区N区区pxnx0 为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下 PN 结中结中的电流：的电流： 忽略势垒区产生复合电流，忽略势垒区产生复合电流， 处于放大状态的晶体管内部的处于放大状态的晶体管内部的各电流成分

6、如下图所示：各电流成分如下图所示：pEIpCInEIprInrInrnEEprpEpCCnrnEBnEpEEIIIIIIIIIIIII, 从从 IE 到到 IC ，发生了两部分亏损：，发生了两部分亏损： InE 与与 In r 。 要减小要减小 InE ，就应使，就应使NE NB ； 要减小要减小In r ，就应使，就应使WB LB 。pEIpCInEIprInrI 定义：发射结正偏，集电结零偏时的定义：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与与 IE 之比，称之比，称为共基极直流短路电流放大系数，记为为共基极直流短路电流放大系数，记为，即：，即：0, 0CBEBVVECIIBECBPNPNENB

7、NCIEIBIC 共发射极接法：共发射极接法： 定义：发射结正偏，集电结零偏时的定义：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与与 IB 之比，称之比，称为共发射极直流短路电流放大系数，记为为共发射极直流短路电流放大系数，记为，即：，即：0, 0CBEBVVBCIIECBNPIEIBICPE 根据根据 ，及，及 的关系，可得的关系，可得与与之间有如之间有如下关系：下关系：ECII 对于一般的晶体管，对于一般的晶体管，= 0.9500.995， = 20200 。1CEBIII1ECEECBCIIIIIIIpEnEnEpEpEEpEEpEJJJJJJJII11 定义：由发射结注入基区的少子电流定义：由

8、发射结注入基区的少子电流 IpE 与总的发射极电流与总的发射极电流IE 之比，称为之比，称为 注入效率或注入效率或 发射效率），记为发射效率），记为 ，即：，即：pEIpCInEIprInrI2、电流放大系数中间参数的定义、电流放大系数中间参数的定义 定义：基区中到达集电结的少子电流定义：基区中到达集电结的少子电流 IpC 与从发射结注入与从发射结注入基区的少子电流基区的少子电流 IpE 之比，之比， 称为称为 基区输运系数，记为基区输运系数，记为*，即：，即：pEpCpEpCJJII 由于空穴在基区的复合，使由于空穴在基区的复合，使 JpC JpE 。pEIpCInEIprInrI3.基区传

9、输系数基区传输系数 1)用电流密度方程求基区传输系数用电流密度方程求基区传输系数用连续性方程用连续性方程求解基区非平求解基区非平衡载流子浓度衡载流子浓度00(0)exp1()exp10EBBBCBBBBqVppkTqVpWpkT222( )( )0BBoBppxpd pxdxLsinh( )(0)sinhBpBBBpWxLpxpWLBpWL( )(0) 1BBBxpxpW BBBBBBLWLxWpxpsinhsinh0 这里必须采用薄基区二极管的精确结果这里必须采用薄基区二极管的精确结果 ，即，即: BBBBBWxBBpCBBBBBBBxBBpELWLpqDdxdpqDJLWLWLpqDdxd

10、pqDJBsinh10,sinhcosh00pB(0)pB(x)x0WB近似式，忽略基区复合近似式，忽略基区复合精确式，考虑基区复合精确式，考虑基区复合 再利用近似公式：再利用近似公式： ( x 很小时），得：很小时），得：2211secxxh2211BBLWBBBBpEpCLWhLWJJseccosh1 根据基区输运系数的定义，得：根据基区输运系数的定义，得： 静态下的空穴电荷控制静态下的空穴电荷控制方程为：方程为：2)利用电荷控制法来求利用电荷控制法来求* 。BBBBBpCpEprWpqQJJJ2)0( 另一方面，由薄基区二极管的另一方面，由薄基区二极管的 近似近似 公式：公式： BBBp

11、EWpqDJ0 从上式可解出：从上式可解出： ，代入，代入 Jpr 中，得：中，得： BBpEBqDWJp0BEC0WBJpEJpC 上式中，上式中， 即代表了少子在基区中的复合引起的电即代表了少子在基区中的复合引起的电流亏损所占的比例。要减少亏损，应使流亏损所占的比例。要减少亏损，应使WB，LB。221BBLW 的典型值：的典型值：WB =1m，LB =10 m ，= 0. 9950 。BBBpCpEWpqJJ2)0(22211211BBpEpCBBpEpCLWJJLWJJ BBpEBqDWJp0BBBpEDWJ2222BBpELWJ3、基区渡越时间、基区渡越时间b 定义：少子在基区内从发射

12、结渡越到集电结所需要的平均定义：少子在基区内从发射结渡越到集电结所需要的平均时间，称为少子的时间，称为少子的 基区渡越时间，记为基区渡越时间，记为 。 可以设想，在可以设想，在 期间，基区内的少子全部更新一遍，因而：期间，基区内的少子全部更新一遍，因而：b。将：。将： 代入，得：代入，得：b。因而。因而 又可表为：又可表为：* 注意注意 与与 的区别如下：的区别如下：bBprBBJQBBbDW22pEBbJQ BBBpEBBBWpqDJWqpQ0,)0(212221BBLWBb 1BBBDW212，pCBpEBbJQJQBb 1* 的物理意义：的物理意义：时间，时间， 代表少子在单位时间内的复

13、合几率，因而代表少子在单位时间内的复合几率，因而 就代表就代表少子在基区停留期间被复合的几率，而少子在基区停留期间被复合的几率，而 则代表未复合则代表未复合掉的比例，也即到达集电结的少子电流与注入基区的少子电流掉的比例，也即到达集电结的少子电流与注入基区的少子电流bBbBb1B1 4、表面复合的影响自学）、表面复合的影响自学）之比。之比。代表少子在基区停留的平均代表少子在基区停留的平均 5、注入效率、注入效率 定义：由发射结注入基区的少子电流定义：由发射结注入基区的少子电流 IpE 与总的发射极电流与总的发射极电流IE 之比，称为之比，称为 注入效率或注入效率或 发射效率），记为发射效率），记

14、为 ，即：，即：pEnEnEpEpEEpEEpEJJJJJJJII11pEIpCInEIprInrI 当当 WB LB 及及 WE NB ，即，即NB /NE） 1 ，则上，则上式可近似写为：式可近似写为： 知：知： ， 代入代入 中，中， 再利用爱因斯坦关系：再利用爱因斯坦关系： ，得：，得：注意：注意：DB 、DE 代表少子扩散系数，代表少子扩散系数，B 、E 代表多子迁移率。代表多子迁移率。BBBEEEqNqNNq1,1,1BBEBEEBEWDWD 1qkTDDEBBEBEEBWW 1得：得：111EBBBEEEBBBEED W ND W ND W ND W NWLL 利用利用 方块电阻

15、方块电阻 的概念，的概念， 可有更简单的表达式。方块电阻可有更简单的表达式。方块电阻表示一个正方形薄层材料的电阻，记为：表示一个正方形薄层材料的电阻，记为：R口口 。WdxxNqR0)(1口NWqWLWLR1口 对于均匀材料：对于均匀材料： 对于厚度方向对于厚度方向x方向上不均匀的材料：方向上不均匀的材料：。的典型值为：口口9900.0,1000,101BERR 1 1BERR口口BBBEEEWRWR1口口 对于均匀掺杂的发射区与基区，有：对于均匀掺杂的发射区与基区，有：中，可将中，可将 表示为最简单的形式：表示为最简单的形式：BEEBWW 1 代入前面得到的代入前面得到的 公式公式1 122

16、121BEBBRRLW口口1 由由 ，可得：，可得：EpCECECJJJJII1 222BEBBRRLW口口口口 6、电流放大系数与亏损因子、电流放大系数与亏损因子上式中：上式中： ，称为，称为 亏损因子。亏损因子。121121122122BEBBBEBBRRLWRRLW口口口口*pEJpEJ，将其代入少子电流方程，求出，将其代入少子电流方程，求出 与与 ，进而，进而 基区杂质分布的不均匀会在基区中产生一个内建电场，使基区杂质分布的不均匀会在基区中产生一个内建电场，使少子在基区内以漂移运动为主，故缓变基区晶体管又称为少子在基区内以漂移运动为主，故缓变基区晶体管又称为 漂移漂移晶体管。晶体管。

17、以以NPN 管为例，结电压为管为例，结电压为 VBE 与与 VBC 。 本节主要思路：令基区多子电流为零，解出基区内建电场本节主要思路：令基区多子电流为零，解出基区内建电场求出基区渡越时间求出基区渡越时间 ，最后求出：，最后求出： Bb1* xnJBnE,BQBbnEQJ 1、内建电场的形成、内建电场的形成杂质浓度分布图：杂质浓度分布图：0jCxjExPNN xNB0 xjCxjEx xNECN 在实际的缓变基区晶体管中，在实际的缓变基区晶体管中， = 4 8 。 设基区杂质浓度分布为：设基区杂质浓度分布为： 式中式中 是表征基区内杂质是表征基区内杂质变化程度的一个参数：变化程度的一个参数：

18、当当 = 0 时为均匀基区。时为均匀基区。BBBWxNxNexp)0()()()0(lnBBBWNNexp)0()(BBBNWNBW0BBWNx 0BN xNB 由于由于 ， ，故对电子起加速作用，称为，故对电子起加速作用，称为加速场加速场 。 令基区多子电流为零：令基区多子电流为零：0)()(xpqdxxdpqDJBpBpp 得内建电场为：得内建电场为：00dxdNBdxxdpxpDBBpp)()(1 小注入时，基区中总的多子浓度即为平衡多子浓度：小注入时，基区中总的多子浓度即为平衡多子浓度：)()()(xNxpxpBBOBdxxdNxNDBBnn)()(1 将基区电场将基区电场 代入电子电

19、流方程中，可得注入基区的少子代入电子电流方程中，可得注入基区的少子电流为：电流为： 2、基区少子分布与少子电流、基区少子分布与少子电流BBBBnEnnBnnBdndnndNJqDqnqDqDdxdxNdx 00BBWWnEBnBBJN dxqDd n N 01exp)(0kTqVnWnBCBBB BBnEBnBBdndNJNxqDNndxdx BBnd n NqDdx ()()(0)(0)nBBBBBBqDnWNWnN (0)(0)nBBqD nNBWBpBdxNqR011口口 根据非均匀材料方块电阻表达式，缓变基区的方块电阻为：根据非均匀材料方块电阻表达式，缓变基区的方块电阻为：于是于是 J

20、nE 可表示为：可表示为：1exp)0()0(2kTqVNnnBEBiB1exp02kTqVdxNnqDBEWBinB 000BBBBnEWBqD nnJNx dx1exp1exp21212kTqVnRqkTkTqVnDRqJBEiBnpBEinBpnE口口 下面求基区少子分布下面求基区少子分布 nB (x) : 在前面的积分中将下限由在前面的积分中将下限由 0 改为基区中任意位置改为基区中任意位置 x ，得：，得：( )( )BnBBnEWBxqD nx NxJN dx由上式可解出由上式可解出 nB (x) 为：为： ( )( )( )0 exp( )1exp1BBWnEBBxnBWnEBx

21、nBBBnEBnJnxNx dxqD NxJxNdxqD NxWx WJWqD对于均匀基区：对于均匀基区： 0lim101nEBBBnBBJWxxnxnqDWW纵轴：纵轴：横轴：横轴： xnWJqDBBnEBBWx1exp1( )BnEBBnx WJWnxqD211eBBbDW23、基区渡越时间与基区输运系数、基区渡越时间与基区输运系数 2202BWBBBbnEnEnqnx dxQWeJJD 对于均匀基区，对于均匀基区， BBbDW2lim2011222BBbDW 当当 时，时， 分别为：分别为： 这表这表明明 由于内建电场的存在使少子的渡越时间大为减小。由于内建电场的存在使少子的渡越时间大为

22、减小。864，112，6414361083 当当 较大时，上式可简化为：较大时，上式可简化为：进一步可求得基区输运系数进一步可求得基区输运系数 为：为：*2211bBBBWL4、注入效率与电流放大系数、注入效率与电流放大系数 已知从发射区注入基区的电子电流为：已知从发射区注入基区的电子电流为：类似地可得从基区注入发射区的空穴电流为：类似地可得从基区注入发射区的空穴电流为：上式中：上式中：1exp2B1kTqVnRqkTJBEipnnE口1exp2EkTqVnRqkTJBEipnpE口EBWEnWBpdxNqRdxNqR0E0B11,1口口口口1111111BEBEnEpEpEnEnEEnERR

23、RRJJJJJJJ口口口口于是可得缓变基区晶体管的注入效率为：于是可得缓变基区晶体管的注入效率为：以及：以及：22112111111EBBBEBBBRWLRRWLR 口口口口5、 小电流时小电流时 的下降的下降 实测表明，实测表明， 与发射极电流与发射极电流 IE 有如下图所示的关系。有如下图所示的关系。 上式中：上式中：nErEBErEpEnEnEEnEJJRRJJJJJJ111口口口口 原因：发射结正向电流很小时，发射结势垒区复合电流原因：发射结正向电流很小时，发射结势垒区复合电流 JrE 的比例增大，使注入效率下降。当的比例增大，使注入效率下降。当 JrE 不能被忽略时有：不能被忽略时有

24、：kTqVnLNxJJBEiBEdnErE2exp2 当电流很小，即当电流很小，即 VBE 很小时，很小时， 很大，使很大，使 很小，从而很小，从而 很小。很小。nErEJJ 随着电流的增大，随着电流的增大， 减小，当减小，当 但仍不能被忽略但仍不能被忽略时，有：时，有：nErEJJ1nErEJJnErEBEJJRR11口口 当电流很大时，当电流很大时， 又会开始下降，这是由于大注入效应和又会开始下降，这是由于大注入效应和基区扩展效应引起的。基区扩展效应引起的。 当电流继续增大到当电流继续增大到 可以被忽略时，则有：可以被忽略时，则有：nErEJJ11BERR口口 6、重掺杂的影响、重掺杂的影

25、响 重掺杂效应：当重掺杂效应：当 NE 太高时，不但不能提高注入效率太高时，不但不能提高注入效率 ，反而会使其下降，从而使反而会使其下降，从而使 和和 下降。下降。 原因：发射区禁带宽度变窄原因：发射区禁带宽度变窄 与与 俄歇复合增强。俄歇复合增强。 对于室温下的对于室温下的 Si ：212163kTNqqEsEsG1022.52118meVNEEG (1) 禁带变窄禁带变窄GEVEVECECEGEGE 发射区禁带变窄后，会使其本征载流子浓度发射区禁带变窄后，会使其本征载流子浓度 ni 发生变化：发生变化： kTERRJJkTERRnnRRJJkTqVnRqkTJkTqVnRqkTJnkTEn

26、kTEENNnkTENNnGBEnEpEGBEiBiEBEnEpEBEiEEnppEBEiBBnpnEiBGiBGGvciEGvciBexp11,exp,1exp,1exp,expexp,exp112212212222口口口口口口口口而先增大。但当而先增大。但当 NE 超越超越 后，后， 反而下降，反而下降， 当当NE 增大时，增大时， 减小，减小， 增加，增加， 随随NE 增增大大1BERR口口口口 kTEGexp319105 1cm）（从而导致从而导致 与与 的下降。的下降。 (2) 俄歇复合增强俄歇复合增强EEEDN kTERRJJGBEnEpEexp111口口ELpEJ8、异质结晶体管

27、、异质结晶体管HBT） 上式中，上式中， ，当，当 时，时， ， 那么那么 ： GEGBGEEEGBGEEE0GE kTERRRRGexp11B1EB1E口口异口口同1exp kTEG同异7、低发射区杂质浓度晶体管本小节内容自学）、低发射区杂质浓度晶体管本小节内容自学） 选择不同的材料来制作发射区与基区，使两区具有不同的选择不同的材料来制作发射区与基区，使两区具有不同的禁带宽度，则有：禁带宽度，则有：第三章第三章 习题习题1、4、（、（ ）5、（、（ ）8、12、17、23、 思考题：思考题：15、25、26、27、28、29、30穿通电压）穿通电压）1218,2scmDmWBB241210,

28、18mAscmDEB 本节以缓变基区本节以缓变基区NPN 管为例，推导出在发射结和集电结管为例，推导出在发射结和集电结上均外加任意电压时晶体管的电流电压方程。电流的参考方向上均外加任意电压时晶体管的电流电压方程。电流的参考方向和电压的参考极性如下图所示。和电压的参考极性如下图所示。EBCIEIBICVCEVBEVBCNN+P+- - - - 推导电流电压方程时，利用扩散方程的解具有线性迭加性推导电流电压方程时，利用扩散方程的解具有线性迭加性的特点：方程在的特点：方程在 “边界条件边界条件1” 时的解时的解n1(x) 与在与在 “边界条件边界条件2” 时的解时的解n2(x) 的和的和n1(x)

29、+ n2(x)，等于以，等于以 “边界条件边界条件1与边界条与边界条件件2的和的和” 为边界条件时的解为边界条件时的解n (x) 。)()()(21xnxnxn)(1xn)(2xn0, 0BCBEVV0, 0BCBEVV0, 0BCBEVV0BW1、集电结短路、集电结短路 ( VBC = 0 ) 时的电流时的电流1exp1exp1expB12002kTqVIkTqVRRnqkTAkTqVdxNDdxNDqnAIIIBEESBEEipnEBEWEEWBBiEpEnEEEB口口1exp02kTqVdxNnqDAIBEWBiBEnEB1exp02kTqVdxNnqDAIBEWEiEEpEE 上式中，

30、上式中，IES 代表发射结反偏，集电结零偏时的发射极电代表发射结反偏，集电结零偏时的发射极电流，相当于单独的发射结构成的流，相当于单独的发射结构成的PN 结二极管的反向饱和电流。结二极管的反向饱和电流。 于是可得三个电极的电流为：于是可得三个电极的电流为：1exp)1 (1exp1expkTqVIIIIkTqVIIIkTqVIIBEESCEBBEESECBEESE2、发射结短路、发射结短路 ( VBE = 0 ) 时的电流时的电流 把发射区当作把发射区当作 “集电区集电区” ，把集电区当作，把集电区当作 “发射区发射区” ，就得到一个就得到一个 倒向晶体管，发射结短路就是倒向管的倒向晶体管，发

31、射结短路就是倒向管的 “集电结短集电结短路路” ，故可得：，故可得：1exp)1 (1exp1expkTqVIIkTqVIIkTqVIIBCCSRBBCCSREBCCSC 上式中，上式中， ICS 代表集电结反偏，发射结零偏时的集电极电代表集电结反偏，发射结零偏时的集电极电流，相当于单独的集电结构成的流，相当于单独的集电结构成的PN 结二极管的反向饱和电流。结二极管的反向饱和电流。 R 代表倒向管的共基极直流短路电流放大系数，通常比代表倒向管的共基极直流短路电流放大系数，通常比 小得多。小得多。1exp1exp1exp1expkTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCC

32、SRBEESE3、 电流电压方程电流电压方程 由于三个电流之间满足由于三个电流之间满足 IE = IC + IB ，三个电流中只有两，三个电流中只有两个是独立的。如果选取个是独立的。如果选取 IE 与与 IC ，所得为共基极电流电压方程，所得为共基极电流电压方程，也称为也称为 “埃伯斯莫尔方程埃伯斯莫尔方程 ” ： 将上述两种偏置条件下得到的电流相加，即可得到发射结将上述两种偏置条件下得到的电流相加，即可得到发射结和集电结上均外加任意电压时晶体管的电流电压方程。和集电结上均外加任意电压时晶体管的电流电压方程。 如果选取如果选取 IB 与与 IC ，所得为共发射极电流电压方程：，所得为共发射极电

33、流电压方程：1exp1exp1exp)1 (1exp)1 (kTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCCSRBEESB 正向管与倒向管之间存在一个正向管与倒向管之间存在一个 互易关系：互易关系：CSRESII4、共基极输出特性、共基极输出特性 以输入端的以输入端的IE 作参变量，输出端的作参变量，输出端的IC 与与VBC 之间的关系。之间的关系。 由共基极电流电压方程：由共基极电流电压方程：EBCIEICVBCNN+P+- -B1exp1exp1exp1expkTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCCSRBEESE消去消去VBE ，得：，得：

34、当当VBC = 0 时，时，在放大区，在放大区， VBC 0 ，且当，且当 时，时，ECIIqkTVBC|CBOECIII ICBO 代表发射极开路代表发射极开路( IE = 0 )、集电结反偏、集电结反偏 ( VBC 0 ) 时的集电极电流，称为共基极反向截止电流。时的集电极电流，称为共基极反向截止电流。1exp1exp)1(kTqVIIkTqVIIIBCCBOEBCCSREC 上式中，上式中，CSRCBOII)1( 共基极输出特性曲线：共基极输出特性曲线：CBOECIII 5、共发射极输出特性、共发射极输出特性 以输入端的以输入端的IB 为参变量，输出端的为参变量，输出端的 IC 与与VC

35、E 之间的关系。之间的关系。 由共发射极电流电压方程：由共发射极电流电压方程：ECBPNIBICNEVCE1exp1exp1exp)1 (1exp)1 (kTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCCSRBEESB1)(exp1exp11kTVVqIIkTqVIIICEBECEOBBCCBOBC上式中：上式中：或：或：CBOCBOCBOCEOIIII)1 (1CSRCEOII11消去消去VBE ，得：，得： 当当 VBC = 0，或，或VBE = VCE 时，时， 在放大区，在放大区，VBC 0 ，或，或VBE VCE ，BCIICEOBCIII ICEO 代表基极开路代

36、表基极开路 ( IB = 0 ) 、集电结反偏、集电结反偏 ( VBC 0 ) 时时从发射极穿透到集电极的电流，称为共发射极反向截止电流，从发射极穿透到集电极的电流，称为共发射极反向截止电流，或共发射极穿透电流。或共发射极穿透电流。1)(expkTVVqIIICEBECEOBC 共发射极输出特性曲线：共发射极输出特性曲线： 图中，虚线表示图中，虚线表示VBC = 0 ，或，或VCE = VBE ，即放大区与饱，即放大区与饱和区的分界线。在虚线右侧，和区的分界线。在虚线右侧，VBC VBE ，为放，为放大区；在虚线左侧，大区；在虚线左侧，VBC 0 ，或，或VCE VBE ，为饱和区。，为饱和区

37、。1)(expkTVVqIIICEBECEOBC3两种输出特性曲线的比较两种输出特性曲线的比较第一，共射极输出特性曲线中，较小第一，共射极输出特性曲线中，较小IB的变化将的变化将引起较小引起较小IC的变化的变化;第二，共射极输出特性曲线随第二，共射极输出特性曲线随VCE增加而上翘；第三，共射极输出特性在增加而上翘；第三，共射极输出特性在VCE下降为零前下降为零前IC就已经开始下降，而共基极输出特就已经开始下降，而共基极输出特性曲线在性曲线在VCB=0时还保持水平，要到时还保持水平，要到VCB为负值为负值时才开始下降。时才开始下降。 几种反向电流的小结：几种反向电流的小结： (1) IES ：V

38、BE 0 、VBC = 0 时的时的 IE ，相当于单个发射，相当于单个发射结的反向饱和电流。结的反向饱和电流。 (2) ICS ：VBC 0 、VBE = 0 时的时的 IC ，相当于单个集电，相当于单个集电结的反向饱和电流。结的反向饱和电流。 (3) ICBO ：VBC 0 、IE = 0 时的时的 IC ，在共基极电路放大区中，在共基极电路放大区中，CSRCBOII)1(CBOECIIIexp1exp10BCBEEESR CSqVqVIIIkTkTln 10BEkTVq当发射极开路时，发当发射极开路时，发射结上存在浮空电势，射结上存在浮空电势，它的存在使它的存在使ICBO不同不同于于IC

39、S浮空电势产生的原因：浮空电势产生的原因：发射极浮动电势是指当发射极开路，集电结处于反发射极浮动电势是指当发射极开路，集电结处于反偏时，发射极的对地电压。当集电结反偏时，集电偏时，发射极的对地电压。当集电结反偏时，集电结抽取基区的电子结抽取基区的电子npn），一般情况下，），一般情况下，WBLB，因此少子浓度降低将延伸到发射结边界，从而，因此少子浓度降低将延伸到发射结边界，从而破坏了发射结原来的的平衡状态，引起电子从发射破坏了发射结原来的的平衡状态，引起电子从发射区向基区扩散，发射区失去电子，缺少负电荷，因区向基区扩散，发射区失去电子，缺少负电荷，因此发射结处于反向偏置，即出现浮动电势。此发射

40、结处于反向偏置，即出现浮动电势。ICBO计算公计算公式式1CBOCSRIIICS的测试电的测试电路路ICBO的的测试电路测试电路1CBOCSRII1EBOESRII+PN结的反向电流由扩结的反向电流由扩散电流和产生电流构散电流和产生电流构成，产生电流不遵守成，产生电流不遵守该关系式，只是一个该关系式，只是一个PN结的反向电流。结的反向电流。ICEO计算公计算公式式1CEOCBOIIICEO较较ICBO大大倍的原倍的原因因+= 6、基区宽度调变效应、基区宽度调变效应厄尔利效应厄尔利效应 在共发射极放大区，由前面的公式，在共发射极放大区，由前面的公式，IC =IB + ICEO , IC 与与VC

41、E 无关。但在实际的晶体管中，无关。但在实际的晶体管中，IC 随随VCE 的增大会略有的增大会略有增大。增大。 原因：当原因：当VCE 增大时，集电结反偏增大增大时，集电结反偏增大VBC = VBE - VCE），集电结耗尽区增宽，使中性基区的宽度变窄，），集电结耗尽区增宽，使中性基区的宽度变窄， 基区少子基区少子浓度分布的梯度浓度分布的梯度 增大，从而使增大，从而使IC 增大。这种现象即称为增大。这种现象即称为 基基区宽度调变效应，也称为区宽度调变效应，也称为 厄尔利效应。厄尔利效应。|dxdn|WBWBWBWBxNNP00npx） 当忽略基区中的复合与当忽略基区中的复合与 ICEO 时，时

42、，1exp02kTqVdxNnqDAIIBEWBiBEnECBCEBBBWBBEiBEVCECdVdWWNdxNkTqVnqDAVIBBE)(11exp202CEBBBWBCdVdWWNdxNIB)(10oACrVI1中的部分，即中的部分，即 。上式中：上式中：称为称为 厄尔利电压厄尔利电压 。，称为，称为 共发射极增量输出电阻。共发射极增量输出电阻。 ，为集电结耗尽区进入基区，为集电结耗尽区进入基区CACCEoIVIVrCEdBBBWBCEBBBWBAdVdxWNdxNdVdWWNdxNVBB)()(00px212CECBBCsdBVNNNNqx 对于均匀基区，对于均匀基区，或：或： 可见，

43、为减小厄尔利效应，应增大基区宽度可见，为减小厄尔利效应，应增大基区宽度WB ， 减小集减小集电结耗尽区在基区内的宽度电结耗尽区在基区内的宽度 xdB ，即增大基区掺杂浓度，即增大基区掺杂浓度 NB 。,0CEBBABBWBdVdWWVWNdxNB,2dBCEBCEdBBAxVWVddxWV 如果假设如果假设 ，则无厄尔利效应，则无厄尔利效应，0CEdBdVdx0CECVI此时此时 IC 与与VCE 无关。无关。,0CECVI,0rVA实际上，实际上， ，故，故VA 与与 r0 均为正的有限值，均为正的有限值，0CEdBdVdx VA 的几何意义：的几何意义：1、共基极接法中的雪崩倍增效应和击穿

44、电压、共基极接法中的雪崩倍增效应和击穿电压 知知 PN 结的雪崩倍增因子结的雪崩倍增因子 M 可以表示为：可以表示为：它表示进入势垒区的原始电流经雪崩倍增后放大的倍数。它表示进入势垒区的原始电流经雪崩倍增后放大的倍数。 在工程实际中常用下面的经验公式来表示当已知击穿电压在工程实际中常用下面的经验公式来表示当已知击穿电压时时 M 与外加电压之间的关系：与外加电压之间的关系：当当V= 0 时，时，M = 1 ; 当当V VB 时，时，M 。锗锗PN 结结:硅硅PN 结结:S = 6 (PN+)S = 3 (P+N)S = 2 (PN+)S = 4 (P+N)dx0-11dxMiSBVVM11 对于

45、晶体管，在共基极接法的放大区中，对于晶体管，在共基极接法的放大区中， ，CBOECIII当发生雪崩倍增效应时，当发生雪崩倍增效应时， 成为：成为：CBOECBOECIAIIMIMI 上式中，上式中， ， ，分别为计入雪崩倍增，分别为计入雪崩倍增效应后的放大系数与反向截止电流。效应后的放大系数与反向截止电流。MACICBOCBOIMI倍。增大了与均比与这时时，当。，取则管的：某硅例0.02630.9955,0263. 1(0.4)-114 . 0497. 0,99. 0*,98. 0NPN14CBOCBOBBCIIAMAMVVS 定义：将发射极开路时，使定义：将发射极开路时，使 ICBO 时的时

46、的VBC称称为共基极集电结雪崩击穿电压为共基极集电结雪崩击穿电压 ，记为，记为BVCBO 。 显然，当显然，当VBC VB 时，时，M , ICBO ，所以，所以BVCBO = VB 。 雪崩击穿对共基极输出特性曲线的影响：雪崩击穿对共基极输出特性曲线的影响： 2、共发射极接法中的雪崩倍增效应和击穿电压、共发射极接法中的雪崩倍增效应和击穿电压 在共发射极接法的放大区中，有：在共发射极接法的放大区中，有： 当发生雪崩倍增效应时，当发生雪崩倍增效应时，IC 成为：成为： 上式中，上式中，分别为计入雪崩倍增效应后的放大系数与穿透电流。分别为计入雪崩倍增效应后的放大系数与穿透电流。1-1CBOBCEO

47、BCIIIIICEOBCBOBCIBIMIMIMMI1-1AIMIMIAAMMBCBOCBOCEO11,11 可见雪崩倍增对可见雪崩倍增对 与与ICEO 的影响要比对的影响要比对 与与ICBO 的影响的影响大得多。或者说，雪崩倍增对共发射极接法的影响要比对共基大得多。或者说，雪崩倍增对共发射极接法的影响要比对共基极接法的影响大得多。极接法的影响大得多。倍。的与均是与这时。时当。中的晶体管相同，：与例例8 . 6220A-1AB0.9955,A1.0263, 0.44, 5 .32,97. 012CEOCEOBBCIIBMMVVS 定义：将基极开路时，使定义：将基极开路时，使 ICEO 时的时的

48、 VCE 称为集电称为集电极发射极击穿电压，记为：极发射极击穿电压，记为：BVCEO 。 BVCEO 与与 BVCBO 的关系：的关系： 当当 时，即时，即 时，时， ，将此关系，将此关系1MVBVBVSCEOCBO6132.5147147V45 .32134时，当。，中的晶体管相同，：与例例1MACEOCEBVV代入代入M 中，得：中，得：111CEOBMVV111CBOsCEOCBOsBVBVBV 在击穿的起始阶段电流还很小，在击穿的起始阶段电流还很小， 在小电流下变小，使满在小电流下变小，使满足击穿条件足击穿条件 的的 M 值较大，击穿电压值较大，击穿电压 BVCEO 也就较高。也就较高

49、。随着电流的增大，随着电流的增大， 恢复到正常值，使满足恢复到正常值，使满足 的的M值减小，值减小，击穿电压也随之下降到与正常的击穿电压也随之下降到与正常的 与与 值相对应的值相对应的 ，使曲线的击穿点向左移动，形成一段负阻区。当出现负阻区时，使曲线的击穿点向左移动，形成一段负阻区。当出现负阻区时，上式应该改为：上式应该改为： 原因：原因：SCBOBV1MCBOCEOIMMI1 曲线中有时曲线中有时会出现一段会出现一段 负阻区。图中，负阻区。图中， VSUS 称为维持电压。称为维持电压。CECEOVI1MICEOBVCEOVCEVSUSIC0负阻区负阻区111CBOsCEOCBOsBVBVBV

50、 4、发射极与基极间接有一定外电路时的反向电流、发射极与基极间接有一定外电路时的反向电流（本小节内容请同学们自学。）（本小节内容请同学们自学。）susV 雪崩击穿对共发射极输出特性曲线的影响：雪崩击穿对共发射极输出特性曲线的影响：晶体管的各种偏置条件晶体管的各种偏置条件测试测试BVCES的电路示意图的电路示意图BVCES 基极对发射极短路时的基极对发射极短路时的C-E间的击穿电压间的击穿电压BVCER基极接有电阻基极接有电阻RB时的时的C-E间的击穿电压间的击穿电压BVCEX基极接有反向偏压时的基极接有反向偏压时的C-E间的击穿电压间的击穿电压各种击穿电压的大小关系各种击穿电压的大小关系BVC

51、EO BVCER BVCEX BVCES NB NC ， 故故 BVCBO 取决于取决于NC ， BVEBO 取决于取决于NB , 且且 BVCBO BVEBO 。4、基区穿通效应、基区穿通效应1基区穿通电压基区穿通电压 当集电结上的反向电压增大到其势垒区将基区全部占据，当集电结上的反向电压增大到其势垒区将基区全部占据， WB = 0 时，时， IC 将急剧增大，这种现象称为将急剧增大，这种现象称为 基区穿通，相应的基区穿通，相应的集电结反向电压称为集电结反向电压称为 穿通电压，记为穿通电压，记为Vpt 。WBNNP0穿通电压穿通电压 VPT 的计算的计算：的计算的计算：212ptbiBCBC

52、SBVVNNqNNW集电结基区一侧的集电结基区一侧的空间电荷区宽度等空间电荷区宽度等于基区宽度时于基区宽度时22BCSBCBptWNNNqNV忽略忽略Vbi防止基区穿通的措施：提高防止基区穿通的措施：提高WB和和NB，这与防，这与防止基区宽变效应一致，与提高电流放大系数相止基区宽变效应一致，与提高电流放大系数相矛盾。矛盾。2)基区穿通时的基区穿通时的 BVCBO基区穿通时的基区穿通时的 BVCBO与与Vpt是否相等？为什么？是否相等？为什么？EBOptCBOBVVBV在进行在进行BVCBO的测试时，发的测试时，发射结上存在浮空电势，它使射结上存在浮空电势，它使其反偏，发生穿通时，由于其反偏，发

53、生穿通时，由于发射结反偏，所以并未发生发射结反偏，所以并未发生击穿，直到发射结达到击穿击穿，直到发射结达到击穿电压才发生击穿。电压才发生击穿。3)基区穿通时的基区穿通时的 BVCEOptFptCEOVVVBV的现象，产生击穿。就会发生电流急剧增加达到开启电压时，稍微增加一点，当因此只要正偏，当发生穿通时，BECEptCBBEBECBCEVVVVVVVV, 防止基区穿通的措施防止基区穿通的措施 ：增大：增大 WB 与与 NB 。这与防止厄尔利。这与防止厄尔利效应的措施相一致，但与提高效应的措施相一致，但与提高 放大系数放大系数 与与 的要求相反。的要求相反。 在平面型晶体管中，在平面型晶体管中，

54、NB NC ，势垒区主要向集电区扩展，势垒区主要向集电区扩展，一般不易发生基区穿通。但可能由于材料的缺陷或工艺的不当一般不易发生基区穿通。但可能由于材料的缺陷或工艺的不当而发生局部穿通。而发生局部穿通。VCEVSUSIC0Vpt 知知 要使要使 增加，应使增加，应使 减小与减小与 增大。增大。但但 的减小受重掺杂效应的限制，而的减小受重掺杂效应的限制，而 的增大受厄尔利的增大受厄尔利效应与基区穿通的限制，此外效应与基区穿通的限制，此外 ， 的增大还会使基极电阻的增大还会使基极电阻 增大，影响晶体管的功率、频率与噪声特性。以下的分析以增大，影响晶体管的功率、频率与噪声特性。以下的分析以 PNP

55、管为例。管为例。,11BERR口口口口ER口口1BR口口ER口口1BR口口1BR口口bbr梳状晶体管的结构与基极电流的流动情况梳状晶体管的结构与基极电流的流动情况有源区内，由于边流有源区内，由于边流动，边复合及边向发动，边复合及边向发射区注入，基极电流射区注入，基极电流逐渐减小，在发射区逐渐减小，在发射区中心处的基极电流为中心处的基极电流为零。零。1、方块电阻和基极电阻的构成、方块电阻和基极电阻的构成 对于均匀材料对于均匀材料: 对于沿厚度方向对于沿厚度方向 ( x 方向方向 ) 不均匀的材料不均匀的材料:NWqWWLWLR11口WWNdxqdxR0011口口 对于矩形的薄层材料，总电阻就是对

56、于矩形的薄层材料，总电阻就是 乘以电流方向上的乘以电流方向上的方块个数，即方块个数，即:口口R口口方块个数） RRdLWdLR( 晶体管中各个区的方块电阻分别为晶体管中各个区的方块电阻分别为:发射区：发射区：jexoEpEdxNqR1口口 有源基区：有源基区： 指正对着发射区下方的在指正对着发射区下方的在 WB = xjC - xjE 范范围内的基区，也称为围内的基区，也称为 工作基区工作基区 或或 内基区内基区 。BjcjeWBnBxxBnBdxNqRdxNqR0111,1口口口口或或 无源基区：指在发射区下方以外从表面到无源基区：指在发射区下方以外从表面到 xjC 处的基区，处的基区，也称为也称为 非工作基区非工作基区 或或 外基