晶体管原理第3.1双极工作

第三章双极晶体第三章双极晶体管Bipolarjunctiontransisitor管极晶体管3.4非理想效3.5等效电路3.6频率特3.7大信号无源器件（passivedevice）工作时不需要外部能量源（SourceEnergy）的器件。电阻、电有源器件（ActiveDevice）原理：在器件的两个端点施加电压，控制第三晶体管的 年月日，

晶体管的 年月日下午。”作为 1948年，肖克莱发明了“结型晶体管” 》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔发明晶体管的消息。“一石激起千层浪”，它就像颗，在全世界电子行业“”出强烈1954年，贝尔使用800体管计算机器件型号命名（五个部分意义如下：CP三PPCP型第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的内型。P-普通管、V-管、W-稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼频小功率管（f＞3MHz,Pc＜1W)、D-低频大功率管、A-高频大功率管（f＞3MHz,Pc＞1W)、T-半导体晶闸管（）、Y-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-第四部分：用数字第五部分：用汉语拼音字二 半导体分立器件型号命名方生产的半导体分五个部分，其各部分第一部分：用数字表示器件有效电极数目或类型。 第四部分：用数字表示在电子工业JEIA登记的顺序号。以上的整数-从“11”开始，表示在电子工业JEIA登记的第五部分：用字母表示同一型号的改进型产品标志。A、B、C、D、、F表示这一器件是原三 半导体分立器件型号命名方电子工 半导体分立器件命名方法如下第一部分：用符号表示器件用途的类型。JAN-军级、JANTX-特军级JANTXV-超特军级、JANS-宇航级、（无）- 品第二部分：用数字表示pn结数目。1-二极管、2=三极管、3-三个pn器件、n-n个pn结器 第四部分 电子工 登记顺序号。多位数字-该器件 子工 登记的顺序号第五部分：用字母表示器件分档。A、B、C、D、┄┄-不同档别 际电子半导体器件型号Eg=0.6～1.0eV如锗、B-器件使用材料的Eg=1.0～1.3eV如硅、C-器件使用材料的Eg>1.3eV如砷化镓、D-器件使用材料的Eg＜0.6eV如锑化铟、E-器件使用复合材料及光第二部分：用字母表示器件的类型及主要特征。A-检波开关混频二CE隧道K-PR、T-大功率晶闸管、U-大功率开关管、X-倍增二极管、Y-Z-稳压二极管第三部分：用数字或字母加数字表示登记号。表示第四部分：用字母对同一类型号器件进行分档。A、B、C、DE┄┄-表示同一型号的器件按某一参数进行分档的标志除四个基本部分外，有时还加后缀，以区别特性或进一步分类。后缀如下BE，表示标称稳定电压的整数数值；后缀的第三部分是字母V数点，字母V之后的数字2、整流二极管后缀是位是伏特3、晶闸管型号的后缀最大反向关断电压中双极型晶体管的工3.1双极型均匀基区：少子扩散—缓变基区：扩散+漂移—合金晶体平面扩散晶双极型晶体管的工作Le2=4Dete,De磷扩散系数，teLb2=4Dbtb,Db硼扩散系数，tb3.1双极型晶体管的集成电路中的常规npn双极型晶体管的氧化 的npn管横截面双极型晶体管的基本工作原发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度为1019，1017，1015cm-BJT是非对称器双极型晶体管的.1基本工作原希望尽可能多的电子能到达集电区而不和基区中的多子空穴基本工作原3.1双极型晶体管的晶体管电流的简化表偏置在正向有源模式下的npn的少子分布3.1双极型晶体管的晶体管电流的简化表3.1晶体管电流的简化表基极电流一是iE2exp(VBE/Vt)，记为iBa；另一是基区多子空穴的复合流iBb,依赖于少子电子的数量，也正比于exp(VBE/Vt)。故基极电流正比于exp(VBE/Vt)。工作四种工作模式当VCC足够大，VR饱和时集电极电流不受控于双极晶体管放大双极晶体管和其他元可以实现电压放大和电流放

PE(xnB(x)Pc(x少子正向有源少子—均匀基区晶体管（以npn为例e,b,c三个区均匀掺杂，e,c结突e,c区长度＞＞少子L，少子浓度布（Xm＜＜少子L，忽略势垒复合及满足小注入条不考虑基区表面复少子 x x nBxBx)BnB(xB)nB(xxB)nB00少子分基区电子（少子）浓度分LnBLnBB0 BBn(0)n(x0)B0BBnx)B2d xDxBnBxnB0e1xxB3.2少子分pcpcx" x" 'ppeex x'EE3.2少子其他工作3.2少子二缓变基区晶体管（以npn为例PqPqE pdPbEbx pdp dNbb Nbb少子分 dNAB(x)

dNDB(x)( NAB

NDB NAB NAB(WB

N(x)N

B B少子nn(x)Jnbb NWbNb x B BWB0NB ExE0NE CxCxNCB少子分D基区渡越2IC IC 低频共基极电流有用的因JnE基区中x=0少子电子扩散电流；Jnc基区中x=xB少子电子扩散电流;JRB流入基区中 低频共基极电流有用的因JC JnEJR低频共基极电流有用的因低频共基极电流二、均匀基区晶体管的直流电流JJeJneJneJ11JJne1pE0DEnB0DB1tanh(tanh(/LB/LE11NBDENEDB J TJ1 JnEJnEJneJRJne11Jr0exp(eVBE exBniexp(eVBE)Rr0exp(eVBE /Lexp(eVBE)SBBBexp(eVBE随着VBE的增加，复合电流所占比例低频共基极电流对线性基区,输运系数 N(0)xB

x1 xx x 对基区杂质指数分

2x *1 x 低频共基极电流电流增益的数学表一、晶体管的三种连接方式及电流放大方块电阻代表一个正方形薄层材料的电阻，记为R口对于均匀材 LW qNW对于厚度方向（x方向）上不均匀的材料口 口q

WN(W (x) (x)b(x)1b N1Wb1WbRb0q N(x)dxb1Wb1WbRb0q N(x)dxb0 e0W1Ne(x)dxe所 1 1eq0WNee饱和压降基极非理想增益随集电极电流非均匀性变基区宽变基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度 集电极扩散电容：基区过剩载流子随VCB的增大而减小，形成附电容效非理想厄尔利电压VA：反映了基区影

g0 V ICg0(VCEVA上式表明集电极电流是C-E或C-B结压的函数。例VA典型值：100-

QB

ACCTC AEAC非理想3.4.2大注入效High1.大注入：随着VBE电压的增大，注入基区的少子浓度接近或超过基区原平衡有效基区扩展效应随着IC电流的增大有效基区宽度增大，导致增益下有效基区扩展效应两种解释：1.强场；2.弱场：电中性N-区上的欧姆压降随电流增加而增大，使集电结由反偏转为零度增加，电场斜率增大，N-区则减小，由于VBC=C电场分布为梯形分布，再增加电流，N- 防止出现基区展宽效应的Kirkvs重掺杂发射区效应（禁带宽度变窄非理想3.4.4发射区重掺杂效应（发射区禁带变窄 E'EgEg

N

1017

EnEn N2giiD (meV n2n2exp(Eg nii

N

(x)

2NDEnn ngi2i DpE

n n i exp(

NE NE 例：发射区掺杂浓度 增加 ，热平衡少子浓实际增加为1.5倍，而非下降为十分之非理想3.4.4电流集边(又称基极电阻自偏压效应)非理想3.4.6体Breakdown

BVceo：基极开路时e,b间所2.击穿机制：基区穿通(punch-through)

pt e e

NBNC

B忽略

eW

NBNCNB

非理想雪崩击设E极开路时反偏电流ICBO,设B极开路时反偏电流当测量BO时，结反偏，通过O，从区进E结产生O，从发射区注入基区的电子流是其主要成分。电子越过基OICEOICEO

1

IMI1M,MIMI1M,MM倍增因子，当测量BVCBO时，击穿条件MICBOMM11 /nn1n3.4理想BVBVCE0BVCERBVCES3.5效电路EI=等效电路E-M型（Ebers-：IES是C结短路，E结：IES是C结短路，E结的反向饱和αF共基极正向电流增益：E结正偏，CVBE VBC

反向晶3.5效电路同理，对反向晶

ICSICS是E结短路，C结的反向饱和电3.5效电路3.5效电路3.5效电路实际器件中一般 R，故有ICSIES互易定理的本质是：eb结与cb结有共同部分（基区），无论哪个结路，另一个结的反向举例：饱和工作模式3.5效电路G-P模型(Gummel-与E-M比考 GP模型对EM模型在以下几方面作了改直流特性：反映了集电结上电压的变化引起有效基区宽度变化区宽度调制效应，改善了输射极电流放大倍数β随电流和电压的变化交流特性：考虑了正向渡越时间τF随集电极电流IC的变化，解决考虑了大注入效考虑了模型参数和温度的关根据横向和纵向双极晶体管的不同，考虑了外延层电 引的准饱和效3.5效电路3.5.2G-P非均匀基区考虑自建电场后，小注入 eu eun(x)EeDnnndn(xdx数，基区多子电荷总数对发射区同样分空穴电流密3.5效电路模3.5.3H-P C’BErb例题10.11频率上e：E-B结电容充电时间；b：基区渡越时d：集电结耗尽区渡越时间；c

bd pr' p

r k eer’：发射结电阻或称扩散eCp：基区和发射区之间

I频率上

2xb xb：基区渡越时间,与扩散电容C有关，可从电流、速度表达式推出,基区晶体nWb(1m)bbb1,2WD(1mb1eP.94m0..20.09n1mbb2x B 12,3.523,m0.4, 5Dnb,bW2bb52dxdsdxds

crcCCs 由于采用外延结构rc通常可以有效降低，使得集电极延迟时间减小参考资料分频率上 ①α截止频率 定义为α由低频值0

所对应的频率②β截止频f：定义为β由低频

所对应的频率 ③特征频率 ：β＝1所对应的工作频率（电流放大最高工作频 20lg20lg20lgf,ff,f放大系数下降了320lg 2fT20lg 2fT频率上3.6.2

fff

fT（β

数变化KPP0P好处：可以在较低频率下测出fTKPP0P

1j

1jf f

T T

1j0 f

101

1f fT

1 1

频率上

Wb(1 ee③τd，τc较τe，τb,但高频管若采取措施降低了τe，τb,则应认真对待此二延迟时间频率上3.6.4.提高fT的措

fT的因素和提

fT①减薄基区宽度Wb,可采用②降低基区掺杂浓度Nb以提高Dnb;适当提高基区杂质浓度梯度,定的基区自建电xmc及③减小结面积Ae,Ac,以减xmc及④减小集电区电阻及厚度,采用外延结构,以减 做好Al电极欧姆接 注意管壳的设计及选择,以减小杂散电 在结构参数均相同时,npn管较pnp管有较高的大；随着IC的增大te,tc所占比大信号大信号开关特射结空间电荷区变窄，离化施主和受主被中和3.73.7大信号开接近截止态上升到饱和态。这段时间内，有的 临界饱和电流增益S：VBE>0,VBC=0S=通过判断IC/IBS提高开关速度的提高特征合理控制饱和大信号开肖特基钳位晶为减小时间，提高晶体管转换速度的一种常用的方法大信号开管从基区中分流走了，因此在基区和集电区中的过剩少子了，于是时间大大减小了—在肖特基晶体管中，时间其它的双极晶体管其它的双极晶体管多晶硅发射区双极晶体如图所示，p型基区和n型多晶硅之间有一层非常薄的n＋一般制作高掺杂、薄由于空穴从基区注入致空穴电流增大，发晶硅。其宽度远小于扩散长度，少子呈线性此在发射区边缘少子浓度梯度下降了，空穴其它的双极SiGe基区晶体锗的禁带宽（～0.67eV）度远比硅（～1.12eV）的硅中，那么同纯硅相i(Sie)集电结反偏100mev，集电极电流和增益增大约4禁带缩小100mev，厄尔利电压增大，约12电子分布导致内建电小，禁带缩小100mev，基区渡越时间减小2.5总之：增益其它的双极晶体管异质结双极晶其它的双极晶体管其它的双极晶体管砷化镓的一个缺点是少子较小。小不会影响窄基总总—需要考虑的几个非理2.大注入效应使得集3.发射区禁带变窄效4.电流集边效应使得5.基区非均匀掺杂在6.两种击穿机理—总数是电荷时间，它反映了晶体管由饱和转变为截止的GLOSSARYOFIMPORTANTalphacutofffrequencyThefrequencyatwhichthemagnitudeofthecommon-basecurrentis？ofitslow-frequencyvalue;alsoequaltothecutoffbandgapnarrowingThereductionintheforbiddenenergybandgapwithhighemitterdo basetransittimeThetimethatittakesaminoritycarriertocrosstheneutralbaseregion.basetransportfactorThefactorinthecommon-basecurrentgainthataccountsfor binationintheneutralbasewidth.basewidthmodulationThechangeintheneutralbasewidthwithC–EorC–Bvoltage.betacutofffrequencyThefrequencyatwhichthemagnitudeofthecommon-emittercurrentgainis？ofitslow-frequencyvalue.collectorcapacitancechargingtimeThetimeconstantthatdescribesthetimerequiredfortheB–Candcollector–substratespacechargewidthstochangewithachangeinemittercurrent.collectordepletionregiontransittimeThetimethatittakesacarriertobesweptacrosstheB–Cspacechargemon-basecurrentgainTheratioofcollectorcurrenttoemittercommon-emittercurrentgainTheratioofcollectorcurrenttobasecurrentcrowdingThenonuniformcurrentdensityacrosstheemitterjunctionareacreatedbyalateralvoltagedropinthebaseregionduetoafinitebasecurrentandbase cutoffThebiasconditioninwhichzero-orreverse-biasedvoltagesareappliedtobothtransistorjunctions,resultinginzerotransistorcurrents.cutofffrequencyThef