半导体器件物理第三章

1、第三章第三章双极结型晶体管双极结型晶体管第三章第三章双极结型晶体管双极结型晶体管 发展历史发展历史: : 1947.12.231947.12.23日第一只点接触晶体管诞生日第一只点接触晶体管诞生- -Bell Lab.(BardeenBell Lab.(Bardeen、ShockleyShockley、Brattain)Brattain)19491949年提出年提出PNPN结和双极结型晶体管理论结和双极结型晶体管理论- -Bell Lab.(Shockley)Bell Lab.(Shockley)19511951年制造出第一只锗结型晶体管年制造出第一只锗结型晶体管- -Bell Lab.(Sh

2、ockley) Bell Lab.(Shockley) 1951956 6年制造出第一只硅结型晶体管年制造出第一只硅结型晶体管- -美得洲仪器公司（美得洲仪器公司（TITI） 19561956年年BardeenBardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain获诺贝尔奖获诺贝尔奖19561956年中国制造出第一只锗结型晶体管年中国制造出第一只锗结型晶体管- -（吉林大学（吉林大学 高鼎三）高鼎三）19701970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构晶体管的种类很多

3、，按使用的要求，一般分为晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频管低频管和和高高频管频管，小功率管小功率管和和大功率管大功率管，高反压管高反压管和和开关管开关管等等。等等。 但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为发射结和集电结的称为发射结和集电结的P-NP-N结组成。结组成。 两个两个P-NP-N结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集电极，用符号电极，用符号E E、B B、C C（e e、b b、

4、c c）表示。）表示。 晶体管的基本形式可分为晶体管的基本形式可分为PNPPNP型和型和NPNNPN型两种。型两种。 3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构 E E C C 发射区 集电区 基区 N N p （a） C B 发射区 集电区 基区 p p N （c） B C （b） B E （d） B E 图 3-2 （a）理想的一维NPN双极结晶体管， （b）图（a）的电路符号 （c）理想的一维PNP双极结晶体管， （d）图（c）的电路符号 合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在N型型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热锗片上

5、，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成型半导体，从而形成PNP结构，如结构，如图所示。图中图所示。图中Wb为基区宽度，为基区宽度，Xje和和Xjc分别为发射结和分别为发射结和集电结的结深。集电结的结深。 合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个为均匀分布，基区的杂质

6、浓度最低，且两个P-N结都是结都是突变结。突变结。 合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到10微微米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。 平面晶体管的发平面晶体管的发射区和基区是用杂质射区和基区是用杂质扩散的方法制造得到扩散的方法制造得到的，所以在平面管的的，所以在平面管的三层结构即三个区域三层结构即三个区域的杂质分布是不均匀的杂质分布是不均匀的。的。 其杂质分布可根其杂质分布可根据扩散工艺推算出来，据扩散工艺推算出来，如图所示。如图所示。3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构芯片是通过以下步

7、骤制造出来的芯片是通过以下步骤制造出来的1)衬底制备衬底制备 衬底为低阻衬底为低阻N型硅，电阻率在型硅，电阻率在 左右，沿（左右，沿（111）面切成厚约）面切成厚约 的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。2)外延外延 外延层为外延层为N N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。 3)一次氧化一次氧化 高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。化作用。4)光刻硼扩散窗口光刻硼扩散窗口 cm001. 0m4003.13.1双极结型晶体管的结构双极结型

8、晶体管的结构5)硼扩散和二次氧化硼扩散和二次氧化 硼扩散后在外延层上形成硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散，并起钝化作用。扩散，并起钝化作用。6)光刻磷扩散窗口光刻磷扩散窗口 7)磷扩散和三次氧化磷扩散和三次氧化 磷扩散后在磷扩散后在P P型区磷杂质补偿硼而形成型区磷杂质补偿硼而形成N N+ +区，热氧化层用作金属与硅区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。片间电绝缘介质。 8)光刻发射极和基极接触孔光刻发射极和基极接触孔9)蒸发铝蒸发铝 10) 在铝上光刻出电极图形在铝上光刻出电极图形 晶体管的基区杂质分布有两种形式：晶体管的

9、基区杂质分布有两种形式：均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管。均均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管。均匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，故又称为扩散型晶体管。进行，故又称为扩散型晶体管。基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。漂移运动为主。所以又称为漂移型

10、晶体管。3.3.2 2基本工作原理基本工作原理3.3.2 2基本工作原理基本工作原理 双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令，双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令， ， 分别为基极分别为基极对发射极和基对发射极和基 极对集电极的电压。则四种工作模式是：极对集电极的电压。则四种工作模式是： EBBEEVVVVCBBCCVVVV（1 1） 正向有源模式：正向有源模式： 0 0， 0 0；（2 2） 反向有源模式：反向有源模式： 0 0， 0 0；（3 3） 饱和模式：饱和模式： 0 0， 0 0；（4 4） 截止模式：截止模式： 0 0， 0 0。EVCVEVEVEVCV

11、CVCV工作模式和少子分布工作模式和少子分布(1)(1)正向有源工作模式：正向有源工作模式： 0， 0 基区少子满足的边界条件为 ，(2)(2)反向有源工作模式：反向有源工作模式： 0 相应的边界条件为: ,(3)(3)饱和工作模式：饱和工作模式： 0 0， 0 0 相应的边界条件为: ,(4) 截止工作模式截止工作模式: 0 0， 0 0 相应的边界条件为: 前面指出，双极晶体管有四种工作模式，取决于发射结和集电结的偏置状况。EVCV TEVVppenn00 0BpxnEVCV 00 pnTCVVpBpenxn0EVCV TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0EVCV 00Bppx

12、nnNPN晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图 发射结正偏发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子。，发射区将向基区注入非平衡少子。注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边扩散，边复合，最后形成一稳定分布，记作扩散，边复合，最后形成一稳定分布，记作nB(x)。同。同样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，记作记作pE(x)。 集电结反偏集电结反偏，集电结势垒区对载流子起抽取作用。，集电结势垒区对载流子起抽取作用。当反向偏压足够高时，在基

13、区一边，凡是能够扩散到当反向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到集电结势垒区集电结势垒区XmC的电子，都被势垒区电场拉向集电的电子，都被势垒区电场拉向集电区。因此，势垒区边界区。因此，势垒区边界X3处少子浓度下降为零；同样，处少子浓度下降为零；同样，在集电区一边，凡是能够扩散到在集电区一边，凡是能够扩散到XmC的空穴，也被电的空穴，也被电场拉向基区，在场拉向基区，在X4处少子浓度也下降为零，其少子浓处少子浓度也下降为零，其少子浓度分布为度分布为pC(x)。3.43.4爱拜耳斯爱拜耳斯- -莫尔方程莫尔方程四种工作模式及相应的少子分布四种工作模式及相应的少子分布 此外此外， 0EEEpxpT

14、EVVEEEePWP0 0CCpp0正向有源饱 和截 止反向有源图图3-14 晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布/()0CTVVCCCP xP e3.23.2基本工作原理基本工作原理 共基极连接晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用 晶体管共基极放大电路图3 - 6 （ a）NPN 3.23.2基本工作原理基本工作原理 共基极连接晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用 BEqV BCqV E B C （b） 图图3-6 3-6 （b b）NPNNPN晶体管共基极能带图晶体管共基极能带图 当晶体管作为放大运用时当晶体管作为放大运用时发射结

15、加正向偏压发射结加正向偏压VE集电结加反向偏压集电结加反向偏压VC3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量 3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量 是从发射区注入到基区中的电子流。是从发射区注入到基区中的电子流。是到达集电结的电子流。是到达集电结的电子流。 是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流是从基区注入到发射区的空穴电流是从基区注入到发射区的空穴电流是发射结空间电荷区内的复合电流。是发射结空间电荷区内的复合电流。是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电

16、流和集电结空间电荷区产生电流产生电流。 nEInCInCnEIIpEIrgI0CI3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流分量电流分量 rgpEnEEIIII0CnCnErgpEBIIIIII0CnCCIII0BCEIII（3-1） （3-2） （3-3） （3-4） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流增益 为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率 （3-5） （3-7） 基区输运因子 共基极直流电流增益 nEnEEnEpErgIIrIIIITnCTnEIIEccIII0（3-6） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 电流增益 显然 （3-8） （3-10） 利用（3-

17、3）式，（3-7）式可以改写成 考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为 TrgpEnEnCIIII0CECIII（3-9） CI01CTVVCECIIIe 减小基区体内复合电流是提高减小基区体内复合电流是提高 T T的有效途径，主要措的有效途径，主要措施是减薄基区宽度施是减薄基区宽度WWB B，使基区宽度远小于少子在基区，使基区宽度远小于少子在基区的扩散长度的扩散长度L LnBnB，即，即WWB B远小于远小于L LnBnB。 所以，在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度，所以，在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度，从而得到合适的电流放大系数。若基区太宽，甚至比从而得到合适的电流放大系数。

18、若基区太宽，甚至比基区少子扩散长度大得多，则晶体管相当于两个背靠基区少子扩散长度大得多，则晶体管相当于两个背靠背的二极管。发射结相当于一只正向偏压二极管，集背的二极管。发射结相当于一只正向偏压二极管，集电结相当于一只反向偏压二极管，互不相干。这样，电结相当于一只反向偏压二极管，互不相干。这样，晶体管就失去放大电流、电压的能力。晶体管就失去放大电流、电压的能力。 3.23.2基本工作原理基本工作原理 式中定义式中定义 共发射极接法共发射极接法 0CBCCIIII0011CEBFECBCIIhIII1FEh100CCEII晶体管的放大作用晶体管的放大作用 晶体管在共射极运用时，晶体管在共射极运用时

19、，IC=hFEIB。由于。由于h hFEFE远大于远大于1，输入端电流，输入端电流IB的微小变化，将引的微小变化，将引起输出端电流起输出端电流IC较大的变化，因此具有放大电较大的变化，因此具有放大电流的能力。流的能力。 在共基极运用时，在共基极运用时，IC=IE。由于。由于接近于接近于1，当输入端电流当输入端电流IE变化变化IE时，引起输出端电流时，引起输出端电流IC的变化量的变化量IC小于等于小于等于IE。所以起不到电。所以起不到电流放大作用。但是可以进行电压和功率的放大。流放大作用。但是可以进行电压和功率的放大。晶体管具有放大能力，必须具有下面条件晶体管具有放大能力，必须具有下面条件 （1

20、）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多， 即即NE远大于远大于NB，以保证发射效率，以保证发射效率1；（2）基区宽度）基区宽度WB远小于远小于LnB， 保证基区输运系数保证基区输运系数T1；（3）发射结必须正偏，使）发射结必须正偏，使re很小；很小； 集电结反偏，使集电结反偏，使rc很大，很大，rc远大于远大于re。晶体管的特性曲线晶体管的特性曲线 晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管各电极电流与电压间的关系，反映晶体管内各电极电流与电压间的关系，反映晶体管内部所发生的物理过程，以及晶体管各直流参部所发生的物理过程，以及晶体管

21、各直流参数的优劣。数的优劣。 所以，在生产过程中常用特性曲线来判所以，在生产过程中常用特性曲线来判断晶体管的质量好坏。断晶体管的质量好坏。 晶体管的接法不同，其特性曲线也各不晶体管的接法不同，其特性曲线也各不相同。相同。共基极输入特性曲线共基极输入特性曲线 输出电压输出电压VCB一一定时，输入电流与定时，输入电流与输入电压的关系曲输入电压的关系曲线，即线，即IEVBE关系关系曲线曲线 由于发射结正向偏置，所以，由于发射结正向偏置，所以，IEVBE输入特性输入特性实际上就是正向实际上就是正向P-N结的特性，因而结的特性，因而IE随随VBE指数增大。指数增大。 但它与单独但它与单独P-N结间存在差

22、别，这是由于集电结结间存在差别，这是由于集电结反向偏置反向偏置VCB影响的结果。若影响的结果。若VCB增大，则集电结的增大，则集电结的势垒变宽，势垒区向基区扩展，这样就使有效基区宽势垒变宽，势垒区向基区扩展，这样就使有效基区宽度随度随VCB增加而减小（这种现象称为基区宽变效应）。增加而减小（这种现象称为基区宽变效应）。由于由于WB减小，使少子在基区的浓度梯度增加，从而减小，使少子在基区的浓度梯度增加，从而引起发射区向基区注入的电子电流引起发射区向基区注入的电子电流InE增加，因而发增加，因而发射极电流射极电流IE就增大。就增大。 所以，所以，输入特性曲线随输入特性曲线随VCB增大而左移增大而左

23、移。共射极输入特性曲线共射极输入特性曲线 在输出电压在输出电压VCE一定时，输一定时，输入端电流入端电流IB与输与输入端电压入端电压VBE的的关系曲线，即关系曲线，即IBVBE曲线。曲线。 由于发射结正偏，如将输出端短路，由于发射结正偏，如将输出端短路，VCE=0时，就相当于将发射结与集电结两个正向时，就相当于将发射结与集电结两个正向P-N结结并联。并联。 所以，输入特性曲线与正向所以，输入特性曲线与正向P-N结伏安特性结伏安特性相似。相似。 当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，基区内载流子的复合损失减少，IB也就减少。所也就

24、减少。所以，特性曲线随以，特性曲线随VCE的增加而右移。的增加而右移。 而且，当而且，当VBE=0时，时，IpE和和IVR都等于零，故都等于零，故IB=-ICBO。因而在。因而在VBE=0处，特性曲线下移至处，特性曲线下移至ICBO。共基极输出特性曲线共基极输出特性曲线输出端电流随输出端电流随输出电压变化输出电压变化的关系曲线，的关系曲线，即即ICVCB关系关系曲线。曲线。 当当IE =0，即发射结不发射载流子时，输出电流，即发射结不发射载流子时，输出电流IC=ICBO，这时的输出特性就是集电结的反向特性，这时的输出特性就是集电结的反向特性，即图中最靠近水平坐标而且基本上平行于坐标轴的即图中最

25、靠近水平坐标而且基本上平行于坐标轴的曲线。曲线。 当当IE0时，随着时，随着IE的增加，的增加，IC按按IE的规律增大。的规律增大。若若IE取不同的数值，就得到一组基本上互相平行的取不同的数值，就得到一组基本上互相平行的ICVCB关系曲线，这就是共基极输出特性曲线。关系曲线，这就是共基极输出特性曲线。共射极输出特性曲线共射极输出特性曲线ICVCE关系曲线关系曲线 当当IB=0（基极开路）时，（基极开路）时，IC=ICEO。这是因为共射。这是因为共射极电路的输出电压为极电路的输出电压为VCE，这个电压虽然主要降落在，这个电压虽然主要降落在集电结上，使集电结反偏，但也有一小部分电压降落集电结上，使

26、集电结反偏，但也有一小部分电压降落在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当IB=0时，时，IE并不为零，这部分发射极电流输运到集电并不为零，这部分发射极电流输运到集电极上，使输出电流极上，使输出电流ICE0比比ICB0大，这就是图中下面的第大，这就是图中下面的第一条曲线。一条曲线。 当当IB0时，随着时，随着IB的增加，的增加，IC就按就按IB的规律增加。的规律增加。IB取不同的数值，取不同的数值，IBVCE关系就得到一组曲线。关系就得到一组曲线。3.33.3理想双极结型晶体管中的电理想双极结型晶体管中的电流传输流传输3.33.3理想双极结型

27、晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.13.3.1电流传输电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义：理想晶体管的主要假设及其意义： （1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；（2）结是理想的平面结，载流子作一维运动；）结是理想的平面结，载流子作一维运动；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流 子运动是一维的；子运动是一维的；（4）基区宽度远小于少子扩散长度；）基区宽度远小于少子扩散长度；（5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在

28、结空间电荷区上；）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上；（6）发射结面积和集电结面积相等；）发射结面积和集电结面积相等；（7）小注入，等等）小注入，等等 晶体管中载流子浓度分布及传输晶体管中载流子浓度分布及传输 设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，分别用分别用NE、NB、NC表示，且表示，且NE远大于远大于 NB大于大于NC。3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.13.3.1电流传输电流传输 adNN x EW 0 Bx Cx 图 3-10 各区均匀掺杂NPN晶体管的杂质分布 E

29、x 图图3-103-10是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。是理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标。3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输一、电流传输一、电流传输 中性基区（中性基区（0 0 ）少子电子分布及其电流）少子电子分布及其电流： 边界条件为：边界条件为： xBx0022npppnnndxndD TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0 nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh10（3-16） （3-17） （3-18） 3.33.3

30、理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输电子电流电子电流 （3-16） （3-19） （3-20） 0 xpnnEdxxdnqADI1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（ BxxpnnCdxxdnqADI0111sinh()CTETnpVVVVBBnnnD nxqAecthexLLL 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输二、发射区少子空穴分布及其电流：二、发射区少子空穴分布及其电流： 边边界条条件： （3-21） （3-23a） TEVVEEEepWp00EEEpxp pEEEpEEVVEEE

31、LWxLxxeppxpTEsinhsinh1003.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输 若若 ，（，（3-233-23a a）式可以写作：式可以写作： （3-23b） （3-24） ExpEL EVVEEExxeppxpTE1100空穴电流为：空穴电流为：12TEVVEdEipEexNnqAD 0011ETEVVEEEEEWxpxppexW1ETEOVVpEEpEEPIWqADex 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输三、集电区少子空穴分布及其电流、集电区少子空穴分布及其电流 边边界条条件： （3-23） （3-26） TC

32、VVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp100 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCTx xLVVipCdCpCnqADeeNL（3-25） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式一、少数载流子分布一、少数载流子分布 在在 的情的情况况下，（下，（3-273-27a a）式式简简化化 nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinhsinhsinh1000（3-27a） nBLx BVVppxxenxnTE10（3-2

33、7b） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式图图3-11 3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输二、电流分量二、电流分量 基区电子电流基区电子电流： （3-28） 10TEVVnBnpnnEeLxcthLnqADI1csc0TEVVnBnpnnCeLxhLnqADI（3-29） nBTLxhsec若若 BxnL12TEVVBainnEexNnqADI22211nBTLx（3-30） （3-31）

34、 （3-32） 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输空穴电流空穴电流 （3-24） （3-33） 正偏压发射结空间电荷区复合电流：正偏压发射结空间电荷区复合电流： （3-34） 12TEVVEdEipEpEexNnqADI20CipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL /202ETVViErgqAnWIe 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输（3-35） （3-36） rgnCnEpEBIIIIITEVVBeI2220(1)22ETETVVVVnBPEEidEEaniD xDWqAneeNxN Ln 3.33.3

35、理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 图图3-12 3-12 NPN NPN 晶体管的静态电流晶体管的静态电流电压特性电压特性 3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输三、共发发射极电极电流增益 CBFEIIh1CrgCnCnECpEFEIIIIIIIh1（3-37） TEVVinEBanBnEdEpEBaFEenDWxNLxDxNDxNh20221223.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输四、共发发射极电极电流增益与与工作电电流的关关系 图3-13 电流增益对集电

36、结电流的依赖关系 10-9 10-1 10-7 10-5 10-3 102 101 100 10-1 hFE AIC 3.113.11击穿电压击穿电压功率晶体管的二次击穿和安全工作区功率晶体管的二次击穿和安全工作区 二次击穿是功率晶体管早期失效二次击穿是功率晶体管早期失效或损坏的重要原因，它已成为影响功或损坏的重要原因，它已成为影响功率晶体管安全可靠使用的重要因素。率晶体管安全可靠使用的重要因素。 自从自从1957年发现二次击穿现象以年发现二次击穿现象以来，二次击穿一直受到极大的重视。来，二次击穿一直受到极大的重视。晶体管二次击穿的实验曲线晶体管二次击穿的实验曲线 击穿曲线上可用击穿曲线上可用

37、A、B、C、D四点将其分为四四点将其分为四个区域。个区域。 当电压当电压VCE增加到集电结的雪崩击穿电压时，增加到集电结的雪崩击穿电压时，首先在首先在A点发生雪崩击穿；点发生雪崩击穿； 雪崩击穿后，集电极电流雪崩击穿后，集电极电流IC随电压增加很快随电压增加很快上升。当电流增加到上升。当电流增加到B点，并在点，并在B点经过短暂的点经过短暂的停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电流流C点，若电路无限流措施，电流将继续增加，点，若电路无限流措施，电流将继续增加，进入低压大电流区域进入低压大电流区域CD段，直至最后烧毁。段，直至最后烧毁。二次击穿二次击穿 器

38、件承受的电压突然降低，电流继器件承受的电压突然降低，电流继续增大，器件由高压小电流状态突然跃入续增大，器件由高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。低压大电流状态的一种现象。 二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。 在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器件特性恶化或失效。件特性恶化或失效。 若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二次击穿特性，利用此特性可以制成二次击穿振荡次击穿特性，利用此特性可以

39、制成二次击穿振荡器。器。 二次击穿耐量低的晶体管，经多次二次击穿二次击穿耐量低的晶体管，经多次二次击穿后必然失效。后必然失效。二次击穿的机理二次击穿的机理热型（热不稳定型）热型（热不稳定型）：二次击穿是局部温度升高：二次击穿是局部温度升高和电流集中往复循环的结果。和电流集中往复循环的结果。 而循环和温度升高都需要一定的时间，因此热而循环和温度升高都需要一定的时间，因此热型二次击穿的触发时间较长。（慢速型）型二次击穿的触发时间较长。（慢速型） 电流型（雪崩注入型）电流型（雪崩注入型）：由雪崩注入引起：由雪崩注入引起 雪崩击穿即刻发生，所以此种击穿的特点是器雪崩击穿即刻发生，所以此种击穿的特点是器

40、件由高压小电流状态向低压大电流状态过渡十分件由高压小电流状态向低压大电流状态过渡十分迅速，所需延迟时间很短，因此电流型二次击穿迅速，所需延迟时间很短，因此电流型二次击穿是快速型的二次击穿。是快速型的二次击穿。晶体管的安全工作区（晶体管的安全工作区（SOA） 晶体管能安全可靠地工作，并具有较长晶体管能安全可靠地工作，并具有较长寿命的工作范围。寿命的工作范围。 由最大集电极电流由最大集电极电流ICM，极限电压，极限电压BVCE0，最大功耗线和二次击穿临界线最大功耗线和二次击穿临界线PsB所限定的所限定的区域。区域。功率晶体管直流安全工作区功率晶体管直流安全工作区 最大功耗线（图中实线）最大功耗线（

41、图中实线） 由最大耗散功率由最大耗散功率PCm、热阻、最高结温和环境、热阻、最高结温和环境温度决定。温度决定。 功耗线右边（功耗线右边（区）为功率耗散过荷区。功区）为功率耗散过荷区。功率过大，将产生大量热量，造成引线熔断和镍率过大，将产生大量热量，造成引线熔断和镍铬电阻烧毁等。铬电阻烧毁等。 二次击穿临界线（图中虚线）二次击穿临界线（图中虚线） 由实验测定，它随改善二次击穿特性措施的由实验测定，它随改善二次击穿特性措施的实施而逐渐靠近最大功耗线。实施而逐渐靠近最大功耗线。 区域区域为热型二次击穿区。工作在此区内，为热型二次击穿区。工作在此区内，晶体管将产生过热点，最终导致材料局部熔化，晶体管将

42、产生过热点，最终导致材料局部熔化，结间产生熔融孔而永久失效。结间产生熔融孔而永久失效。 区为雪崩注入二次击穿区，若外电路无限流措施，同样会造成晶体管永久失效。 区为雪崩击穿区。在、两区内，若采取限流措施，均不会造成晶体管永久失效， 区为电流过荷区，电流过荷区将会使、特征频率等参数严重下降，晶体管性能恶化。 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区（图中阴影部分）（图中阴影部分） 安全工作区的大小与电路工作状态安全工作区的大小与电路工作状态有关。有关。 从设计和制造的角度考虑，尽量扩从设计和制造的角度考虑，尽量扩大晶体管的安全工作区仍是高频功率大晶体管的安全工作区仍是高频功率管的重要任务。管的重要任

43、务。 如何扩大安全工作区如何扩大安全工作区 首先，努力做到使安全工作区由最大集电极首先，努力做到使安全工作区由最大集电极电流电流ICM，最高集电极电压，最高集电极电压BVCE0和最大功耗线和最大功耗线所限定。所限定。 （改善器件的二次击穿特性，将二次击穿临（改善器件的二次击穿特性，将二次击穿临界线移到最大功耗线之外，至少也要移到最大界线移到最大功耗线之外，至少也要移到最大功耗线上。）功耗线上。） 其次，通过选择合适的材料和正确的设计。其次，通过选择合适的材料和正确的设计。 （提高器件的耐压；增大器件的最大电流；（提高器件的耐压；增大器件的最大电流；降低热阻，提高晶体管的耗散功率）降低热阻，提高

44、晶体管的耗散功率） 晶体管中最高电压的根本限制与在晶体管中最高电压的根本限制与在P-N结二极管中的相同，即雪崩击穿结二极管中的相同，即雪崩击穿或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的P-N结的性质，它还依赖结的性质，它还依赖于外部的电路结构。于外部的电路结构。一、共基极连接一、共基极连接 在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏压在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏压 : 经验公式（对于共基极电路）：经验公式（对于共基极电路）：图图3-273-27中，在中，在 处处 突然增加突然增加.从集电极电

45、流与发射极电流之间的关系来看，包含从集电极电流与发射极电流之间的关系来看，包含雪崩效应的有效电流增益增大雪崩效应的有效电流增益增大M M倍，即倍，即0CBBVnCBOCBBVVM110CBBVCIMa*（3-99） （3-100） 3.113.11击穿电压击穿电压当当M M接近无穷时满足击穿条件。接近无穷时满足击穿条件。 图图3-27 共发射极和共基极电路的击穿电压共发射极和共基极电路的击穿电压3.113.11击穿电压击穿电压二、共发射极连接二、共发射极连接由于由于 ，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为当达到的条件当达到的条件 时，新的电流增益变为无

46、穷，即发生击穿。时，新的电流增益变为无穷，即发生击穿。 由于由于 非常接近于非常接近于1 1，当，当 不要比不要比1 1大很多时就能满足共发射极击穿条件。大很多时就能满足共发射极击穿条件。 基极开路情况下的击穿电压用基极开路情况下的击穿电压用 表示。令（表示。令（3-993-99）式中的）式中的 并使并使 等于等于 ，可以解得，可以解得硅的硅的 数值在数值在2到到4之间，在之间，在 值较大时，共发射极击穿电压值较大时，共发射极击穿电压 可比共基极击穿可比共基极击穿电压低很多。电压低很多。)1 (hFE*FEhMMhFE1*1*（3-101） 1MM0CEBV0CECBBVVM10CEBVnFECBOnCBOCEOhBVBVBV11（3-102） nFEh0CEBV3.113.11击穿电压击穿电压共发射极的击穿特性也示于图3-27中 图3-28 晶体