第3章 双极型晶体管-1

1、1信息工程学院信息工程学院 姜梅姜梅3.1晶体管的结构与工作原理 3.1.1 晶体管的基本结构 晶体管就有两种基本组合形式：P-N-P型或N-P-N型，它们的结构和符号如图所示，其符号中的箭头方向表示发射结电流的方向。 （a）管芯结构 （b）符号 P-N-P型晶体管的结构和符号 3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布 1. 合金晶体管 PNP型合金管结构与杂质分布如图所示 合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都是均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电结均是突变结。 （a）管芯结构 （b）杂质分布 锗合金晶体管的结构与杂质分布 3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布 2. 平面晶体管 平

2、面晶体管结构与杂质分布如图所示 平面工艺最主要的特点是：利用SiO2稳定的化学性能，能耐高温，具有掩蔽杂质原子扩散和良好的绝缘性能，与光刻技术相配合，可进行选择扩散，这样使平面晶体管具有更为合理的电极形状，薄的基区，钝化的表面，因此在功率、噪声、稳定性、可靠性等方面达到一个较高的水平。 （a）管芯结构 （b）杂质分布 图3-4 硅平面晶体管的结构与杂质分布 3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布 3. 外延平面晶体管 在平面晶体管制造工艺的基础上又发展了一种外延平面晶体管。其结构与杂质分布如图所示 由图可见，双扩散外延平面晶体管的基片电阻率很低，集电极串联电阻很小，使集电极饱和压降减小，晶体管可

3、做得很小，基区宽度Wb很薄，从而使外延平面晶体管在频率特性、开关速度和功率等方面都有很大的提高与改善，因此，成为目前生产最主要的一种晶体管。 （a）管芯结构 （b）杂质分布 硅外延平面管结构及杂质分布示意图 3.1.3 晶体管的工作原理 晶体管最重要的作用是具有放大电信号的能力。为什么紧靠着的两个PN结具有放大作用？要晶体管具有放大作用首先要有适当的电路。 晶体管放大电路原理 3.1.3晶体管的放大功能 基区厚度很大的NPN结构的电流流通与少子分布示意图 3.1.4 晶体管的放大功能 表1给出了型号为3DG6晶体管（硅高频小功率管），在集电结UCC=6V条件下测量所得的实际数据。晶体管的电压放

4、大系数为：晶体管的功率放大应等于它的电流放大系数与电压放大系数的乘积， 表表1 晶体管各电极电流分配表晶体管各电极电流分配表发射极电流IE（mA)12345集电极电流IC（mA)0.981.962.943.924.90基极电流IB（mA)0.020.040.060.080.10rRUUKUL入出2LrRKP3.2 晶体管的电流放大特性 几点假设: n 发射结和集电结均为理想的突变结，且结面积相等（用A表示）；n 各区杂质为均匀分布，载流子仅做一维传输，不考虑表面的影响；n 外加电压全部降落在PN结势垒区，势垒区以外不存在电场；n 发射结和集电结势垒区宽度远小于少子扩散长度，且不存在载流子的产生

5、与复合，因而通过势垒区的电流不变；n 发射区和集电区的宽度远大于少子扩散长度，而基区宽度远小于少子扩散长度；n 注入基区的少子浓度比基区多子浓度低得多，只讨论小注入情况。 3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输 2. 非平衡晶体管的能带及少数载流子的浓度分布 （a）结构 （b）能带 （c）少子分布非平衡晶体管能带与少数载流子浓度分布 3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输 3. 载流子的输运过程 （a）少子分布示意图 （b）载流子输运过程示意图 晶体管中载流子分布及其输运过程示意图 3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输 3. 载流子的输运过程 （1）根据正向PN

6、结特性，发射区注入基区靠发射结边界X2处的电子浓度为 由基区注入发射区靠发射结边界X1处的空穴浓度为 （2） 根据反向PN结特性，集电结两边界X3和X4处的少子浓度分别为 kTqUbbEenXn/02)(kTqUeeEepXp/01)(0)(/0/03kTqUbkTqUbbCCenenXn0)(/0/04kTqUckTqUccCCepepXp3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成 1. 晶体管内的电流传输 NPN型晶体管电流传输示意图 3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成 2. 晶体管各端电流的形成 （1） 发射极电流IE 从上面的分析与讨论可知，发射极的正向电流IE是由两股

7、电流组成的： IE=Ip(X1)+ In(X2) （3-8） （2） 基极电流IB 基极电流IB是由三部分组成的： IB= Ip(X1)+ IVB-ICBO （3-9）由于通常情况下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示为 IB Ip(X1)+ IVB （3-10） （3） 集电极电流IC 通过集电结和集电区的电流主要有两股组成： IC= In(X4)+ ICBO （3-11） 因为ICBO很小，（3-11）式可近似表示为 IC=In(X4) （3-12） 3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成 2. 晶体管各端电流的形成 （4） 晶体管三端电流之间的关系

8、由上面的分析可以得出In(X2)= IVB + In(X3)= IVB+ In(X4) （3-13）将（3-13）式代入（3-8）式，得IE= Ip(X1)+IVB+In(X4) （3-14）将（3-9）式与（3-11）式相加，可得IB+ IC= Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO= Ip(X1)+IVB+In(X4) （3-15）将（3-15）式代入（3-14）式，得 IE=IB+ IC （3-16） 3.2. 3 晶体管的直流电流方程式 1. In(X2)的表达式 In(X2)是注入基区的电子所形成的扩散电流，根据扩散电流公式有 基区电子可近似看成线性分布 基区少子分布

9、示意图 dxxdnAqDXIbnbn)()(23.2. 3 晶体管的直流电流方程式 根据PN结理论，基区X2和X3处的电子浓度分别为 基区电子分布函数为 那么基区电子的扩散电流In(X2)则为 可求出In(X2)近似为 kTqUbbEenXn/02)(0)(3XnbkT/qUbbbEe )Wx(n)x(n10kTqUbbnbbnbnEeWnqDAdxxdnAqDXI/02)()(）（1)()(/02kTqUbbnbbnbnEeWnqDAdxxdnAqDXI3.2. 3 晶体管的直流电流方程式 2. Ip(X1)表达式 Ip(X1)是在发射结正偏情况下由基区注入发射区的空穴扩散电流。根据正向PN

10、结特性，边界X1处的少子空穴浓度为 空穴扩散电流为 kTqUeX/0e1eEp)(p）（1Lp)(/pe0epe1pEkTqUeqDAXI3.2. 3 晶体管的直流电流方程式 3. IVB表达式 IVB是注入基区的电子与基区中的空穴复合而形成的复合电流。 IVB=-q单位时间内在基区中复合的电子数 在只考虑体内复合的情况下 nbVBqI基区中积累的电子总数）（1nW21nxnAW21Eb0bb02bbkT/qUeA)(）（12nAW/nb0bbVBEkTqUeqI3.2. 3 晶体管的直流电流方程式 4. ICBO的表达式 ICBO由电子漂移电流和空穴漂移电流IpCB两部分组成，即ICBO=I

11、nCB+IpCB 若晶体管工作在放大区，且有 时， ）（1WnDACb0bnbnCBkT/qUeqI）（1LpDACpc0cpcpCBkT/qUeqI）（1AA/P0cpcb0bnbpCBnCBCBOCkTqUceLpqDWnqDIIIqTUCcLpqDWnqDIP0cpcb0bnbCBOAA3.2. 3 晶体管的直流电流方程式 5. IE、IC、IB直流电流方程式 因为IE由Ip(x1)和In(x2)组成，所以 因为IC= In(x4)+ ICBO= In(x2)- IVB + ICBO，所以 因为IB= Ip(x1)+ IVB - ICBO，所以 ）（1AA)()(/b0bnbpe0epe2n1pEEkTqUeWnqDLpqDXIXII）（）（1AA12AA/P0cpcb0bnb/nb0bbb0bnbCCEkTqUckTqUeLpqDWnqDenWqWnqDI）（）（1AA12AA/Pc0cpcb0bnb/nb0bbpe0epeBCEkTqUkTqUeLpqDWnqDenWqLpqDI3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数 1. 共基极直流电流放大系数 在共基极电路中，基极作为输入和输出的公共端，共基极连接方式如下图所示。NPN型晶