半导体器件原理-第三章3

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) + n2(x)，等于

2、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，上式中，IES 代表

3、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 倒向晶体管倒向晶体管，发射结短路就是倒向管的，发射结短路就是倒向管的

4、 “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。 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。1exp1exp1exp1expkTqVIkTqVIIkTqVIkTqVIIBCCSBEESCBCCSRBEESE3、

5、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 ，三个电流中只有两个，三个电流中只有两个是独立的。如果选取是独立的。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：，所得为共发射极电流电压方程：1exp

6、1exp1exp)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： 当当VBC = 0 时

7、，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。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： 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VCE 之间的关系。之间的关系。 由共发射

8、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 代表基极开路代表基极开路 ( IB = 0 ) 、集

9、电结反偏、集电结反偏 ( VBC 0 ) 时从发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，或共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。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 ，为饱和区。，为饱和区。 几种反向电流的小结：几种反向电流的

10、小结： (1) IES ：VBE 0 、VBC = 0 时的时的 IE ，相当于单个发射结的，相当于单个发射结的反向饱和电流。反向饱和电流。 (2) ICS ：VBC 0 、VBE = 0 时的时的 IC ，相当于单个集电结的，相当于单个集电结的反向饱和电流。反向饱和电流。 (4) ICEO ：VBC 0 、IB = 0 时的时的 IC ，在共发射极电路放大区中，在共发射极电路放大区中，CBOCBOCEOIII1CEOBCIII (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(CBOECIII (5) IEBO

11、 ：VBE 0 、IC = 0 时的时的 IE ，ESREBOII)1 ( 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VCE 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 的增大会略有增大。的增大会略有增大。 原因：原因：当当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， 基区少子浓度分布基区少子浓度分布的梯度的梯度 增大

12、，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 基区宽度调基区宽度调变效应变效应，也称为，也称为 厄尔利效应厄尔利效应。|dxdn|WBWBWBWBxNNP00np（x） 当忽略基区中的复合与当忽略基区中的复合与 ICEO 时，时，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，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