双极型晶体管

双极型晶体管第1页，课件共81页，创作于2023年2月第2章双极型晶体管

教师：余菲

电子邮件：yufei198275@

电话2页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@讨论主题：1.晶体管结构与分类2.晶体管的直流特性

2.1晶体管的放大原理

2.2晶体管的直流电路

2.3晶体管的反偏特性3.晶体管的开关特性4.晶体管的设计第3页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管（半导体三极管）是由两个P-N结构成的三端器件。由于两个P-N结靠得很近，其具有放大电信号的能力，因此在电子电路中获得了比半导体二极管更广泛的应用。（半导体二极管由一个P-N结构成，利用P-N结的单向导电性，二极管在整流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在P-N结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构、放大作用以及其他一些特性，如反向电流、击穿电压、基极电阻等。1.晶体管结构与分类第4页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频管和高频管，小功率管和大功率管，高反压管和开关管等等。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P-N结组成。两个P-N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、基极和集电极，用符号E、B、C（e、b、c）表示。晶体管的基本形式可分为PNP型和NPN型两种。

第5页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@第6页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@第7页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@基极：Base；集电极：Collector；发射极：Emitter。第8页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@第9页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@合金管合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在N型锗片上，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P型半导体，从而形成PNP结构，如图所示。图中Wb为基区宽度，Xje和Xjc分别为发射结和集电结的结深。合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个P-N结都是突变结。合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到10微米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。

第10页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@第11页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@第12页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@平面管在高浓度的N+衬底上，生长一层N型的外延层，再在外延层上用硼扩散制作P区，后在P区上用磷扩散形成一个N+区。其结构是一个NPN型的三层式结构，上面的N+区是发射区，中间的P区是基区，底下的N区是集电区。

第13页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@平面晶体管的发射区和基区是用杂质扩散的方法制造得到的，所以在平面管的三层结构即三个区域的杂质分布是不均匀的。其杂质分布可根据扩散工艺推算出来，如图所示。第14页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管的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。●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。小结第15页，课件共81页，创作于2023年2月2.晶体管的直流特性第16页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@2.1晶体管的放大原理扩散长度的含义： 超量载流子浓度下降到0时候的扩散距离PN结扩散与复合的关系：边扩散变复合，形成稳定的浓度梯度，最后少子浓度下降到0，扩散流完全转化为漂移流第17页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@理解PN节电流公式:第18页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@19PNNIEIBICVEVCInEInCIpEIvBIpCOInCO电子流空穴流漂移运动：电场作用下的运动扩散运动：浓度梯度下的运动晶体管的电流传输过程1019/cm31015/cm31018/cm3冶金结

1019/cm31016/cm31016/cm3

平面工艺2.1晶体管的放大原理第19页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@精神的精髓:BE之间的电压决定了BE之间的电流,但是BE之间的电流绝大部分都漏到了C那里去了,漏的和不漏的成比例,所以有电流放大作用问题：为什么两个二极管不能实现放大?猜想：什么能影响放大倍数？第20页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@从PN节电流公式出发:

但是，如果基区很小，则载流子不用一个扩散长度就恢复到零，而是用一个基区的宽度就恢复成零L->W第21页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@对于平面晶体管代入ＰＮ结电流公式基耳霍夫第22页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@基区输运系数β*

晶体管的发射效率γ

注入基区的电子电流与发射极电流的比值

到达集电结的电子电流与进入基区的电子电流之比

第23页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管的共基极直流增益晶体管的共发射极直流增益第24页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@载流子传输过程:载流子从发射区到基区:发射效率Ƴ0载流子在基区渡越:基区输运系数β0*

对于平面晶体管第25页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@计算题已知一个晶体管的发射效率有99%，而基区输运系数为98%，求该晶体管的共发射极放大倍数，共基极放大倍数。第26页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@关于放大倍数影响因素的讨论：p129-139设计晶体管重要考虑，课程重要要求1.发射结电子空穴复合以及发射极重掺杂2.基区变宽效应第27页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@温度增高—放大倍数增加基区宽边效应—放大倍数增加过分增加发射区浓度—放大倍数减小第28页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@2.2晶体管的直流电路ＮＰＮ晶体管是电子传输过程PNNIBICVEVCInEInCIpEIvBIpCOInCO电子流空穴流第29页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@RLVCCVBBRBVi共射：第30页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@共基：RERLIEIC第31页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@放大倍数与特征曲线：输入特性／输出特性第32页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@共基极输入特性曲线输出电压VCB一定时，输入电流与输入电压的关系曲线，即IE～VBE关系曲线。第33页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@共射极输入特性曲线在输出电压VCE一定时，输入端电流IB与输入端电压VBE的关系曲线，即IB～VBE曲线。

第34页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@共基极输出特性曲线输出端电流随输出电压变化的关系曲线，即IC～VCB关系曲线。

何时饱和?第35页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@共射极输出特性曲线IC～VCE关系曲线

第36页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管的反向电流是晶体管的重要参数之一，它包括ICBO，IEBO和ICEO

。反向电流过大的危害：

降低成品率（反向电流不受输入电流控制，对放大作用无贡献，而且消耗电源功率使晶体管发热，影响晶体管工作的稳定性，甚至烧毁）所以，希望反向电流越小越好。2.3晶体管的反偏特性第37页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@ICBO当发射极开路（IE=0）时，集电极-基极的反向电流第38页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@反向电流＝少子电流＋多子电流+杂质电流第39页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@◆锗晶体管的反向电流：反向扩散电流（少子电流）◆硅晶体管的反向电流：势垒区的产生电流（因为势垒区的产生电流是由势垒区中的复合中心提供的）多子电流XmC：集电结势垒区宽度

γ：晶体管的发射效率

第40页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@IEBO

集电极开路（IC=0）时，发射极-基极的反向电流

第41页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@◆锗晶体管

◆硅晶体管的IEBO完全与ICBO类似

γI

：晶体管反向工作时的发射效率XmE:发射结势垒区宽度第42页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@注意

晶体管的反向扩散电流和势垒区的产生电流是很小的。

引起反向电流过大的原因往往是表面漏电流太大。因此，在生产过程中，搞好表面清洁处理及工艺规范是减小反向电流的关键。

第43页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@ICEO基极开路（IB=0）时，集电极-发射极之间反向电流第44页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@

β：共射极电流放大系数说明▲要减小ICEO，必须减小ICBO。▲电流放大系数β不要追求过高（因为ICEO太大，会影响晶体管工作的稳定性）

第45页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管的击穿电压▲晶体管的击穿电压是晶体管的另一个重要参数▲晶体管承受电压的上限▲击穿电压有BVEBOBVCBOBVCEO

第46页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@BVEBO和BVCBOBVEBO：集电极开路时，发射极与基极间的击穿电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。对于平面管，由于发射结由两次扩散形成，在表面处结两边杂质浓度最高，因而雪崩击穿电压在结侧面最低，BVEBO由基区扩散层表面杂质浓度NBs决定，所以BVEBO只有几伏。

第47页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@

▲硬击穿（图中曲线甲）：

BVCBO：集电结的雪崩击穿电压VB▲软击穿（图中曲线乙）：

BVCBO比VB低BVCBO

：发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压，一般为集电结的雪崩击穿电压。第48页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@BVCEOBVCEO

基极开路时，集电极与发射极之间的击穿电压。BVCEO与BVCBO之间满足以下关系

n：常数集电结低掺杂区为N型时，硅管n=4，锗管n=3

集电结低掺杂区为P型时，硅管n=2，锗管n=6

因为β大于1，所以，BVCEO<BVCBO。

第49页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@BVCEO测试的电路图

第50页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@

测试时经常可以看到如图所示的负阻击穿现象。（当VC达到BVCEO时发生击穿，击穿后电流上升，电压却反而降低。）谷值电压VSUS第51页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@基区穿通电压由于PN结空间电荷区宽度随着电压增加而会发生改变，所以当PN结空间电荷区宽度达到了和基区一样宽的时候，基区发生穿通效应。发生穿通以后，晶体管就不能再工作了，这也是限制晶体管工作的重要条件。w第52页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@3.晶体管的开关特性晶体管的开关特性包括：静态特性和动态特性静态特性：晶体管处于开态或关态时端电流电压之间关系动态特性：晶体管在开态和关态之间转换时，端电流电压随时间变化的特性第53页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管的开关特性晶体管开关电路原理图RLVCCVBBRBVi第54页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@0VCE/VIC/mAIB=50uA40uA30uA20uA10uA0uA共射VCC/RL86422截止区饱和区VCC负载线晶体管的开关特性第55页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@开关晶体管工作在饱和区和截止区理想的晶体管开关：反向漏电流越小越好

饱和压降VCES越小越好从一种状态转变到另一种状态时间越小越好截止时可承受高反向电压导通时可承受大导通电流晶体管的开关特性第56页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管开关电路原理图RLVCCVBBRBVi晶体管的开关特性第57页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@VB(t)IBIB1IB2

t0t0ttt0t1t2t3t4t5ICICS0.9ICS0.1ICSttdtrtstf晶体管的开关过程第58页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@延迟过程和延迟时间

t0时刻，正脉冲信号到来，IB流入基极，但IC仍为零，因为发射结反偏无注入电流。空穴、电子分别给发射结充电，使发射结势垒区宽度变窄，由反偏逐渐变为正偏，发射结开始有注入电流，IC逐渐增大IB=(Vi-VBB)/RL

IB作用：给发射结充电；给集电结充电；基区一定的空穴积累；维持空穴积累的复合损失

延迟过程所对应的时间——延迟时间td

延迟过程中晶体管从截止到微导通晶体管的开关过程和开关时间第59页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@减少延迟时间td的方法：

1.减少结面积——减少结电容

2.增大基极驱动电流IB，使得空间电荷区形成的速度加快（与减少ts矛盾）3.减小关断的负脉冲晶体管的开关过程和开关时间第60页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@上升过程和上升时间基极电流IB

继续对发射结充电VBE

发射电子数目增大IEIC

VCE

IB作用：发射结电容充电电流；集电结电容的充电电流；基区空穴积累所需电流；提供基区空穴的复合电流上升过程所对应的时间——上升时间tr

上升过程中晶体管从微导通到趋于饱和晶体管的开关过程和开关时间第61页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@

减少上升时间方法：

1.减少结面积——减少结电容

2.减少基区宽度，更快建立所需少子浓度梯度

3.增大基区少子寿命（与减少ts矛盾）

4.增大基极驱动电流IB（与减少ts矛盾）

晶体管的开关过程和开关时间第62页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@定义：晶体管集电极饱和电流

当集电极电流IC增加到使大约在使得VCE=0.7V，晶体管集电结处于零偏，即临界饱和状态：集电极电流IC完全由外电路决定，定义为ICS=VCC/RL，称作晶体管集电极饱和电流。第63页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@定义：晶体管基极临界饱和电流

当晶体管刚刚进入临街饱和状态的时候，此时的电流称为基极临界饱和电流IBSICS=βIBS当IB>IBS，晶体管进入饱和，此时定义IBX=IB-IBS，叫做基极过驱动电流过驱动基极电流将在基区堆积，并向集电区发射，同时在基区、集电区有等量电荷存储——超量存储电荷第64页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管进入饱和时的情况：当IB=IBS时，晶体管达到临界饱和，ICS由外电路决定ICS≐VCC/RL

当IB>IBS，晶体管进入饱和，在基区和集电区有大量超量存储电荷CBE超量存储电荷晶体管的开关特性第65页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@超量存储电荷随基极电流增大而增大饱和深度s

CBE超量存储电荷晶体管的开关特性第66页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@3存储过程和存储时间

t3时刻，电压脉冲突变为0，IB

从流入变为流出，将抽取基区内存储的超量存储电荷，晶体管将从深饱和向临界饱和过度，但处于饱和状态，IC基本不变（VCC/RL）IB作用：基区内电荷的复合电流，使超量存储电荷消失的抽取电流存储过程所对应的时间——存储时间ts

存储过程中晶体管从深饱和到临界饱和晶体管的开关过程和开关时间第67页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@晶体管脱离饱和时的情况：当脉冲信号突变为0时，IB由流入变为流出，将抽取饱和时存储在基区和集电区的超量存储电荷，VBC将从正偏变为零偏，再变为反偏CBE晶体管的开关过程和开关时间第68页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@减少存储时间方法(storagetime)存储过程所对应的时间——存储时间ts晶体管从深饱和到临界饱和(0.9ICS)

减少存储时间方法：

1.IB不要过大，晶体管饱和不要过深，以减少Q’BS和Q’CS2.保证CB击穿电压条件下，减少外延层厚度

3.加大反向抽取电流IB4.缩短集电区少子寿命（掺金）晶体管的开关过程和开关时间第69页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@4下降过程和下降时间

IB

继续反抽基区内的电荷，使基区内少子浓度梯度下降，IC基本减少，同时使发射结正偏减少，集电结偏置则从零偏转为反偏IB作用：发射结、集电结电容的放电电流，基区电荷抽取电流下降过程所对应的时间——下降时间tf

下降过程中晶体管从临界饱和到正向导通到微导通晶体管的开关过程和开关时间第70页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@

减少下降时间方法:

1.减少结面积和基区宽度2.增大基极反抽电流IB3.减少AE、AC和WB晶体管的开关过程和开关时间第71页，课件共81页，创作于2023年2月mail：yufei198275@交流电的复数表述法显然，简谐量x与这个复数的实部相对应。于是我们可以说，若要用一个复数代表一个简谐量，则该复数的实部就是这个简谐量本身