晶体管原理(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均外加均外加 任意电压任意电压 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 “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

2、(x) + n2(x) ，等于以，等于以 “边界条件边界条件 1 与边界与边界条件条件 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)(2xnBEBC0,0VVBEBC0,0VVBEBC0,0VV0BW 3.4.1 集电结短路时的电流集电结短路时的电流BEEnEpE2BEBEEiBE002BEEnpiB1EBEESexp1ddexp1exp1WWIIIDDqVA qnkTNxNxqVA qkTnRRkTqVIkT 口口B2BiBEnEEB0exp1dWqD nqVIAkTNxE2EiBEpEEE0exp1dWqD nqVIAkTNx 式中

3、，式中，IES 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可得到发射结为任意偏压、集电结零偏时晶体管三个电极的电流为电极的电流为BEEESBECEESBEBECESexp1exp1(1)exp1qVIIkTqVIIIkTqVIIIIkT 3.4.2 发射结短路时的电流发射结短路时的电流 如果把晶体管的发射区当作如果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 “发发射区射区”，就

4、可以得到一个倒过来应用的晶体管，称为，就可以得到一个倒过来应用的晶体管，称为 倒向晶体倒向晶体管。发射结短路就相当于倒向晶体管的管。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状态。偏置状态。故可得：故可得：BCCCSBCERCSBCBRCSexp1exp1(1)exp1qVIIkTqVIIkTqVIIkT 式中，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 P

5、N 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，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 。BCCCSBCERCSBCBRCSexp1exp1(1)exp1qVIIkTqVIIkTqVIIkT RBCBEEESR CSBCBECESCSexp1exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkT 3.4.3 晶体管的直流电流电压方程晶体管的直流电流电压方程 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。若选取是独立的。若选取 IE 与与

6、 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 “埃伯斯莫尔方程埃伯斯莫尔方程 ” ，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。 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，BCBEBESRCSBCBECESCS(1)exp1(1)exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkT 正向管与倒向管之间存在一个正向管与倒向

7、管之间存在一个 互易关系互易关系 ，即：，即：ESRCSII（3-60） 3.4.4 晶体管的输出特性晶体管的输出特性 共基极共基极输出特性：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。 由共基极由共基极直流直流电流电压方程电流电压方程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方程： 当当 VBC = 0 时，时，在放大区，在放大区，VBC 0

8、，且当，且当 时，时，BC|kTVq 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。BCCERCSBCECBO(1)exp1exp1qVIIIkTqVIIkT 式中，式中，CBORCS(1)IIECIICBOECIII 共基极输出特性曲线共基极输出特性曲线BCCECBOexp1qVIIIkT 共发射极输出特性：以输入端的共发射极输出特性：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。 由共发射极由共发射

9、极直流直流电流电压方程电流电压方程ECBPIBICNEVCEBCBEBESRCSBCBECESCS(1)exp1(1)exp1exp1exp1qVqVIIIkTkTqVqVIIIkTkTN+CBOBCCBBECEBCEOexp111()exp1IqVIIkTq VVIIkT 式中，式中， 或或CBOCEOCBOCBO(1)1IIIIRCEOCS11II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 ， ICEO 代表基极开路代表基极开路 ( IB

10、= 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。BECECBCEO()exp1q 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，即放大区与饱和区的分界线。在虚线右侧，区的分界线。在虚线右侧，VBC VBE ，为放大区；，为放大区；在虚线左侧，在虚线左侧，VBC 0 ，或，或 VCE VBE ，为饱和区。，为

11、饱和区。 3.4.5 基区宽度调变效应基区宽度调变效应 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，IC 随随 VCE 的增大会略有增大。的增大会略有增大。CEOBCIII 原因：当原因：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，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 基区宽度基区宽度调变效应，也称

12、为调变效应，也称为 厄尔利效应。厄尔利效应。|dd|xnWBWBWBWBxNNP00nB(x) 当忽略基区中的少子复合及当忽略基区中的少子复合及 ICEO 时，时，B2BiBECnEEB0exp1dWqD nqVIIAkTNxBEB2CBEBEBiBB2CECEB0d1exp1()ddVWIqVWA qD nNWVkTVNxBBCBBCEB0d1()ddWWINWVNxCAo1IVr进入基区中的部分，即进入基区中的部分，即 xp 。式中，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，为集电结耗尽区CEAoCCVVrIIBBBB00AdBBBBBBCBCEdddd()()ddWWNxNxVxWNWNWVV12sCdBbiCBBBC2NxVVqNNN 若假设若假设 ，即无厄尔利效应，则，即无厄尔利效应，则dBCBd0dxVCCE0IV此时此时 IC 与与 VCE 无关。无关。CCE0,IVAo,Vr 实际上，实际上， ，故，故 VA 与与 ro 均为正的有限值，均为正的有限值，dBCBd0dxV 对于均匀基区，对于均