第三章BJT双极型晶体管

第三章双极型晶体管中国计量学院光电学院晶体管——transistor它是转换电阻transferresistor的缩写晶体管就是一个多重结的半导体器件通常晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、电流或是信号功率增益双极型晶体管（bipolartransistor）是最重要的半导体器件之一在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有广泛的应用双极型器件是一种电子与空穴均参与导通过程的半导体器件历史1947年肖克利和他的两位助手布拉顿、巴丁在贝尔实验室工作时发明了世界上第一个晶体管。为此，肖克利三人于1956年获得诺贝尔物理学奖。用晶体管代替电子管制造电脑，在电脑史上是一次突破性技术飞跃。第一支晶体管表面积2cm2，相当于现在十亿个晶体管历史1945年二战结束后，贝尔实验室迅速批准固体物理学研究项目上马，当时总裁凯利作为决策者在课题任务书上签署了大名。由肖克利领衔，布拉顿、巴丁等人组成的半导体小组把目光盯住了那些特殊的“矿石”，肖克利首先提出了“场效应”半导体管的实验方案。然而他们并没有发现预期的那种放大作用。历史1947年的圣诞前某一天，贝尔实验室中，布拉顿平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来，闻声而至的肖克利也为眼前的奇迹感到格外振奋。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40……实验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克利在这本笔记上郑重地签了名。肖克利(坐)在检查巴丁(左)和布拉顿(右)的实验结果历史1948年，美国专利局批准了贝尔实验室这种被命名为晶体管的发明专利。当时，专利书上的发明人只列着布拉顿和巴丁。1948年7月1日，美国《纽约时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消息。历史此后，肖克利一举攻克晶体管中的另一座“堡垒”：他发明了一种“结型晶体管”，离布拉顿和巴丁发明“点接触型晶体管”的时间仅隔一年。人们后来知道，结型晶体管才是现代晶体管的正宗始祖，它预示着半导体技术的发展方向。历史这是一颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引爆”出强烈的冲击波。1954年，贝尔实验室使用800支晶体管成功组装了人类有史以来的第一台晶体管计算机TRADIC。电子计算机迈入了第二代！p-n-p双极晶体管制造过程以p型半导体为衬底利用热扩散的原理在p型衬底上形成一个n型区域再在此n型区域上以热扩散形成一高浓度的p+型区域接着以金属覆盖p+、n以及下方的p型区域分别形成欧姆接触理想的一维结构p-n-p双极型晶体管p-n-p双极型晶体管的电路符号

图中也显示了各电流成分和电压极性，箭头表示晶体管在一般工作模式(或称放大模式activemode)下各电流的方向。我们将仔细讨论p-n-p双极型晶体管理由：因为其少数载流子(空穴)的流动方向与电流方向相同可更直观地了解电荷运动的机制了解了p-n-p晶体管，只要将极性和掺杂类型调换，即可描述n-p-n晶体管所有端点接地的p-n-p晶体管

（热平衡状态）晶体管工作在放大模式时能带图理想的p-n-p晶体管偏压在放大模式下的各电流成分工作原理各端点的电流成分共基电流增益晶体管中有一项重要的参数，称为共基电流增益(commonbasecurrentgain)将式(1)代人式(4)可得发射效率基区输运系数发射效率发射效率(emitterefficency)，是入射空穴电流与总发射极电流之比基区输运系数基区输运系数(basetransportfactor)，是到达集电极的空穴电流量与由发射极入射的空穴电流量之比集电极电流可表示为所以式（5）可写成接近于1表示发射极断路时集电极与基极之间的电流前两个下标CB表示集电极和基极两个端点，第三个下标O表示第三端点（发射极）断路共基极组态下的集电极电流可表示为：理想BJT的静态特性静态电流电压特性各端点的电流方程式何谓静态？五点假设（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂；（2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略；（3）载流子注入属于小注入；（4）耗尽区中没有产生-复合电流；（5）晶体管中无串联电阻。用途：为推导理想晶体管电流、电压表达式做准备！意味什么？理想PN结电流-电压特性的假设耗尽区为突变边界，且假设在边界之外，半导体为电中性。在边界的载流子浓度和跨过结的静电电势有关。小注入情况，即注入的少子远小于多子浓度。也就是说，在中性区的边界上，多子浓度因外加偏压而改变的量可以忽略。在耗尽区内并无产生复合电流，且电子和空穴在耗尽区内为常数。注意热平衡时的PN结载流子浓度基本上，假设在正向偏压的状况下，空穴由发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦我们确定了少数载流子的分布（即N区中的空穴），就可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。掺杂浓度分布和加偏压状态下的耗尽区以及电场分布根据图中结上的电场强度分布，中性区域中的少数载流子分布可由无电场的稳态连续方程来求解：方程的一般解为：

为空穴的扩散长度如何确定常数C1和C2

？常数C1和C2由放大模式下的边界条件求解：

是热平衡状态下基区中的少数载流子浓度，

NB表示基区中均匀的施主浓度。

第一个边界条件表示在正向偏压的状态下，射基结的耗尽区边缘（x=0）的少数载流子浓度是热平衡状态下的值乘以指数函数exp（qVEB/kT）

第二个边界条件表示在反向偏压条件下，集基结耗尽区边缘（x=W）的少数载流子浓度为零。

将（3）式代入（2）式，可得：sinh是双曲正弦函数，双曲正弦函数的特点是什么？如何根据函数形式进行化简？双曲函数

双曲函数常出現于某些重要的线性微分方程的解中，譬如说拉普拉斯方程补充双曲函数的来历双曲函数的定义名称为什么和三角函数有关？回到方程（5）考虑双曲正弦函数的特点！最直观的方法！从图象中找函数特点。所以当时，方程（5）可简化为：

这个假设合理吗？

这个近似是合理的，因为在晶体管的设计中，基区宽度远小于少数载流子的扩散长度。从这个方程中可以看出，少数载流子分布趋近于一条直线。

那么整体PNP晶体管在放大模式下的少子分布究竟如何呢？类似于基区的求解，可以求出发射区和集电区中的少子分布。发射区和集电区中性区域的边界条件为：分别是发射区和集电区中热平衡状态下的电子浓度。假设：发射区和集电区的宽度分别远大于扩散长度LE和LC。

发射区和集电区的少子浓度为：放大模式下PNP晶体管中的少子分布水平虚线表示什么？基区电荷是图中哪一部分面积？注意坐标系的建立！在x=0处，由发射区注入基区的空穴电流IEP与少子浓度分布的梯度成正比。当W/Lp<<1时，空穴电流IEP可由式（6）表示为：同样，在x=W处，由集电极所收集到的空穴电流为：当W/Lp<<1时，IEP等于ICP。IEN是由基区流向发射区的电子流形成的。ICN是由集电区流向基区的电子流形成的。各端点的电流发射极电流各端点的电流集电极电流请注意：各端点的电流基极电流例：对一只理想的p-n-p晶体管,若各个区的掺杂浓度分别是1019cm-3,1017cm-3

和5×1015cm-3；又已知DnE=1cm2/V-s，DP=10cm2/V-s,LE=1.0mm,LP=10mm,W=0.5mm。试计算共基极电流增益a0。

a0

≈[1+(DEn/DP)(W/LE)(NB/NE)]-1=0.9995

加在各PN

结上的电压为PNP

管，NPN

管，

根据两个结上电压的正负，晶体管有4种工作状态：E结＋＋－－

工作状态放大状态，用于模拟电路饱和状态，用于数字电路截止状态，用于数字电路倒向放大状态C结－＋－＋

偏压与工作模式

偏压方式放大模式——射基结正偏、集基结反偏饱和模式——两个结均为正偏截止模式——两个结均为反偏反转模式——射基结反偏、集基结正偏饱和模式晶体管中两个结均为正偏，导致两个结的耗尽区中少子分布并非为零因此，在x=W处的边界条件由（4）式变为：在饱和模式下，极小的电压就产生了极大的输出电流，晶体管处于导通状态，类似于开关短路的状态。截止模式晶体管的两个结皆为反向偏压，边界条件变为：截止模式下的晶体管可视为开路，类似开关断路。反转模式也称为反放大模式射基结是反偏，集基结是正偏反转模式下，集电极用作发射极，而发射极用作集电极，相当于晶体管倒过来用。在反转模式下的电流增益通常教放大模式小，这是因为集电区掺杂浓度较小，造成了低的“发射效率”所致。各模式的电流、电压关系一般表示式：注意：系数如前，各结的偏压视工作模式可正可负放大状态：饱和状态：截止状态：倒向放大状态：

均匀基区PNP晶体管在4种工作模式的少子分布图自左向右为E、B、C结ECEFEVNNP均匀基区NPN晶体管在平衡状态下的能带图

均匀基区

NPN

晶体管在4种工作模式下的能带图放大模式：饱和模式：截止模式：反转模式：共基组态输入、输出的电流、电压分别是什么？

晶体管放大电路有两种基本类型：共基极接法与

共发射极接法

。BECBPNPNENBNCIEIBICECBNPIEIBPENENBNCIC晶体管的放大作用共基组态输出I-V特性

共发射极输出特性：以输入端的IB

为参变量，输出端的IC与VCE之间的关系。ECBPNIBICNEVCE共射组态共射组态集电极电流共射电流增益

ICEO代表基极开路(IB

=0)、集电结反偏(VBC<0)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，或共发射极穿透电流。例题：求共射极穿透电流。

图中，虚线代表

VBC=0，或

VCE=VBE

，即放大区与饱和区的分界线。在虚线右侧，VBC<0，或

VCE>VBE，为放大区；在虚线左侧，VBC>0，或

VCE<VBE

，为饱和区。共射组态I-V特性

在共发射极放大区，理论上，即IC

与VCE

无关。但在实际的晶体管中，IC随VCE的增大会略有增大。基区宽度调变效应

原因：当

VCE增大时，集电结反偏(VBC=VBE–VCE)增大，集电结耗尽区增宽，使中性基区的宽度变窄，基区少子浓度分布的梯度增大，从而使IC

增大。这种现象称为

基区宽度调变效应，也称为

厄尔利效应（Earlyeffect）。W'BW'BWBWBxNNP00nB(x)厄尔利电压（EarlyVoltage）

将集电极电流往左方延伸，与电压轴相交，可得交点Va，称厄尔利电压。双极型晶体管的频率响应连接成共射组态的双极型晶体管晶体管电路的小信号工作状态

晶体管内部的作用虽然很复杂，但从外部看，只有输入端的电流电压和输出端的电流电压这四个信号量。晶体管用在电路中时，重要的只是这四个量之间的关系。特别是在小信号运用时，这些信号量之间的关系为线性关系。

如果用另外一些元件构成一个电路，使其输入输出端上信号量之间的关系和晶体管的完全一样，则这个电路就是晶体管的

等效电路。在分析含有晶体管的电路时，可以用等效电路来代替晶体管。要注意的是，等效电路是对外等效对内不等效，所以等效电路不能用来研究晶体管的内部物理过程。（a）基本晶体管等效电路（b）加上势垒和扩散电容后的基本等效电路

基区的宽度调制效应，将产生一个有限的输出电导，如上，将基极的电阻和集电极的电阻列入考虑，可得到图（c）的等效电路。跨导代表集电极电流受发射结电压变化的影响

（c）再添加电阻和电导之后的等效电路在等效电路图（c）中，跨导gm和输入电导gEB与晶体管的共基电流增益有关。在低频时，共基电流增益是一个固定值，不会因工作频率而改变。然而，当频率升高至一关键点后，共基电流增益将会降低。加入频率参量后，共基电流增益为：共基截止频率同样加入频率参量，共射电流增益为：称为共射截止频率

特征频率（截止频率）定义为时的频率。用表示：电流增益与工作频率的关系图特征频率空穴经过基区所需的时间为：要改善频率响应，必须缩短少子穿越基区的时间。改善频率响应的方法高频晶体管为了缩短少子穿越基区的时间，都设计成短基区宽度。由于硅材料中电子的扩散系数是空穴的三倍，所有的高频硅晶体管都是NPN结构（基区中的少子为电子）。也可以利用内建电场的缓变掺杂基区，使得基区靠近发射极端掺杂浓度高，靠近集电极端掺杂浓度低。产生的电场有助于载流子往集电极移动，从而缩短基区渡越时间。晶体管可近似于一个理想的开关

——开关应用数字电路中，晶体管主要作为开关应用。利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流，从而改变开、关状态。开——低电压高电流的状态；关——高电压低电流的状态。晶体管工作于截止模式，即为关的状态，发射极与集电极之间断路。晶体管工作在饱和模式，即为开的状态，发射极与集电极之间短路。开关时间（以PNP晶体管为例）开关时间指晶体管从开到关或从关到开所需的时间。导通时间取决于如何迅速的将空穴（PNP晶体管中的少子）加入基极区域。关闭时间取决于如何迅速的通过复合将空穴移除。晶体管开关时最重要的一个参数是少子寿命！有效降低少子寿命的方法是加入深能级杂质。如何有效降低少子寿命？1、当作放大器使用时，NPN晶体管的基极必须是（）（A）相对发射极是正电压（B）相对发射极是负电压（C）相对集电极是正电压（D）0V2、发射极电流总是（）（A）大于基极电流（B）小于基极电流（C）大于集电极电流（D）答案（A）、（C）均正确3、当工作在截止区和饱和区时，晶体管像（）（A）线性放大器（B）电子开关（C）可变电容器（D）可变电阻器4、解释为什么晶体管的基极电流比集电极电流小很多？5、一个NPN晶体管，其基区输运效率aT=0.998，发射效率为0.997，Icp=10nA

。（1）计算晶体管的a0,b0;（2）如果IB=0，发射极电流为多少？异质结两个分离半导体的能带图假设两种半导体有不同的禁带宽度、介电常数、功函数和电子亲和势。功函数定义为将一个电子由费米能级EF移到材料外（真空能级）所需的能量。电子亲和势定义为将一个电子由导带底部移至真空能级所需的能量。两种半导体导带边缘的能量差和价带边缘的能量差可分别表示为：热平衡下，理想NP异质结的能带图理想异质结理想异质结能带图中必须假设两种不同半导体的界面没有陷阱或产生-复合中心。这条假设只在两个晶格常数很接近的半导体形成异质结时才成立。必须选择晶格接近的材料以符合此假设。X=0异质结双极型晶体管（HBT）即晶体管中的一或两个结由不同的半导体材料构成HBT的优点发射效率较高应用基本与双极型晶体管相同具有较高的速度可以工作在更高的频率因此，HBT在光电、微波和数字应用上非常受欢迎。如微波应用：固态微波及毫米波功率放大器、振荡器和混频器。HBT的电流增益假设HBT的发射区材料是半导体1，基区材料是半导体2，必须考虑不同半导体材料的禁带宽度差对HBT电流增益所造成的影响。当基区输运系数αT非常接近于1时，共射电流增益可以表示为：NPN晶体管的共射电流增益发射区和基区中的少子浓度可写成：NPNHBT结构的截面图放大模式下HBT的能带图因为发射区和基区材料间具有很大的禁带宽度差，共射电流增益可以提到很高。而同质结的双极型晶体管并无禁带宽度差存在，必须将发射区和基区的掺杂浓度比提到很高。这是同质结与异质结双极型晶体管最基本的不同处。晶闸管

PNPN结构晶闸管晶闸管又叫可控硅，英文缩写为SCR。自从20世纪50年代问世以来，晶闸管已经发展成了一个大的家族。它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。晶闸管可控硅整流元件或者晶闸管，是一种大功率硅半导体器件。它具有同半导体二极管相似的单向导电特性，但导通可控制，所以说是具有可控的单向导电特性的整流元件。利用该特性，