微电子器件(3-4)

1、 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上管为例，推导出在发射结和集电结上外加外加 时晶体管的直流电流电压方程。时晶体管的直流电流电压方程。 EBCIEIBICVCEVBEVBCNN+P+- - - - 电流的参考方向和电压的参考极性如下图所示，电流的参考方向和电压的参考极性如下图所示， 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 时的解时的解 与在与在 时的解时的解 的和的和 ，等于以，等于以 为边界条件时的解为边界条件时的解 。)()()(21xnxnxn)(1xn)(2xn

2、BEBC00VVBEBC00VVBEBC00VV0BW BEEnEpE2BEBEEiBE002BEEnpiB1EBEESexp1ddexp1exp1WWIIIDDqVA qnkTNxNxqVA qkTnRRkTqVIkT 口口B2BiBEnEEB0exp1dWqD nqVIAkTNxE2EiBEpEEE0exp1dWqD nqVIAkTNx 式中，式中，代表发射结反偏、集电结零偏时的发射极电流，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。 于是可得到发射结为任意偏压、集电结零偏时晶体管三个于是

3、可得到发射结为任意偏压、集电结零偏时晶体管三个电极上的电流为电极上的电流为BEEESBECEESBEBECESexp1exp11exp1qVIIkTqVIIIkTqVIIIIkT 把晶体管的发射区当作把晶体管的发射区当作“集电区集电区”，集电区当作，集电区当作 “发射发射区区”，就可得到一个倒过来应用的晶体管，称为，就可得到一个倒过来应用的晶体管，称为 。发射结短路就相当于倒向晶体管的发射结短路就相当于倒向晶体管的“集电结集电结”短路，因此晶体短路，因此晶体管在本小节的偏置状态就相当于倒向晶体管在上一小节的偏置管在本小节的偏置状态就相当于倒向晶体管在上一小节的偏置状态。状态。故可得故可得BCC

4、CSBCERCSBCBRCSexp1exp11exp1qVIIkTqVIIkTqVIIkT 式中，式中，代表集电结反偏、发射结零偏时的集电极电流，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。 代表倒向管的共基极直流短路电流放大系数，代表倒向管的共基极直流短路电流放大系数，。BCCCSBCERCSBCBRCSexp1exp11exp1qVIIkTqVIIkTqVIIkT RBCBEEESR CSBCBECESCSexp1exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkT 由于三

5、个电流之间满足由于三个电流之间满足 IE = = IC + IB ，三个电流中只有两个，三个电流中只有两个是独立的。若选取是独立的。若选取 IE 与与 IC ，所得为共基极，所得为共基极直流直流电流电压方程，电流电压方程，也称为也称为 ，即，即 将上述两种偏置条件下的电流相加，即可得到发射结和集将上述两种偏置条件下的电流相加，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结上均外加任意电压时晶体管的直流直流电流电压方程。电流电压方程。(3-59b)(3-59a) 若选取若选取 IB 与与 IC ，所得为共发射极，所得为共发射极直流直流电流电压方程，电流电压方程，BCBEBESRCSBCBE

6、CESCS1exp11exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkT 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 ，即，即ESRCSII（3-60） 以输入端的以输入端的 IE 为参变量，输出端的为参变量，输出端的 IC 与与 VBC 之间的关系。之间的关系。 由共基极由共基极直流直流电流电压方程（埃伯斯莫尔方程），电流电压方程（埃伯斯莫尔方程），EBCIEICVBCNN+P+- -BBCBEEESRCSBCBECESCSexp1exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkT消去消去 VBE ，即可得共基极，即可得共基极输出特性方程输出特性

7、方程： 当当 VBC = = 0 时，时，在放大区，在放大区，VBC 0 ，且当，且当 时，时，BC|kTVq 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 ) 时的时的集电极电流，称为共基极反向截止电流。集电极电流，称为共基极反向截止电流。BCCERCSBCECBO1exp1exp1qVIIIkTqVIIkT 式中，式中，CBORCS1IIECIICBOECIII 共基极输出特性曲线共基极输出特性曲线BCCECBOexp1qVIIIkT 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 VCE 之间的关系。之间的关

8、系。 由共发射极由共发射极直流直流电流电压方程，电流电压方程，ECBPIBICNEVCEBCBEBESRCSBCBECESCS1exp11exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkTN+CBOBCCBBECEBCEOexp111()exp1IqVIIkTq VVIIkT 式中，式中， 或或CBOCEOCBOCBO11IIIIRCEOCS11II消去消去 VBE ，即可得共发射极，即可得共发射极输出特性方程输出特性方程 当当 VBC = = 0，或，或 VBE = = VCE 时，时， 在放大区，在放大区，VBC 0 ，或，或 VBE VCE ， 代表基极开路代表基极开路

9、 ( IB = 0 ) 、集电结反偏、集电结反偏 ( VBC 0 ) 时从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，或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。共发射极穿透电流。BECECBCEOexp1q VVIIIkTCEOBCIIIBCII 共发射极输出特性曲线共发射极输出特性曲线 图中，虚线代表图中，虚线代表 VBC = = 0 ，或，或 VCE = = VBE ，即放大区与饱和区，即放大区与饱和区的分界线。在虚线右侧，的分界线。在虚线右侧，VBC VBE ，为放大区；在，为放大区；在虚线左侧，虚线左侧，VBC 0 ，或，或 VCE VBE

10、，为饱和区。，为饱和区。BECECBCEOexp1q VVIIIkT 在共发射极放大区，理论上在共发射极放大区，理论上 ，即，即 IC 与与 VCE 无关。但在实际的晶体管中，无关。但在实际的晶体管中，。CEOBCIII 当当 VCE 增大时，集电结反偏增大时，集电结反偏 (VBC = = VBE VCE ) 增大，增大，集电结耗尽区增宽，使中性基区的宽度变窄，基区少子浓度分集电结耗尽区增宽，使中性基区的宽度变窄，基区少子浓度分布的梯度布的梯度 增大，从而使增大，从而使 IC 增大。这种现象称为增大。这种现象称为 ，也称为，也称为 。|dd|xnWBWBWBWBxNNP00nB(x) 当忽略基

11、区中的少子复合及当忽略基区中的少子复合及 ICEO 时，时，B2EBiBECnEB0exp1dWA qD nqVIIkTNxBEB2CBEBEBiBB2CECEB0d1exp1()ddVWIqVWA qD nN WVkTVNxBBCBBCEB0d1()ddWWINWVNxCAo1IVr基区中的部分，即基区中的部分，即 xp 。式中，式中，称为称为 ；，称为，称为 ；，为集电结耗尽区进入，为集电结耗尽区进入CEAoCCVVrIIBBCBBB00AdBBBBBBCB0CEdddd()()ddWWVNxNxVxWNWNWVV12sCdBbiCBBBC2NxVVqNNNBEBCCBCBBCECEAoB0d11()ddVWIIWIN WVVVrNx 若假设基区宽度若假设基区宽度 WB 不变，即不变，即 ，则无厄尔利效应，则无厄尔利效应，dBCBd0dxV，此时，此时 IC 与与 VCE 无关。无关。CCAoCEA,0IIVrVVBBCBBB00AdBBBBBBCB0CEdddd()()ddWWVNxNxVxWNWNWVVCEAoCCVVrII 对于均匀基区，对于均匀基区， 为减小厄尔利效应，应增大基区宽度为减小厄尔利效应，应增大基区宽度 WB ；减小集电结耗尽；减小集电结耗尽区在基区内的宽度区在基区内的宽度 xdB ，