课件：双极型晶体管及相资料.ppt

双极型晶体管及相关器件,本章内容 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管的静态特性 双极型晶体管的频率响应与开关特性 异质结双极型晶体管 可控硅器件及相关功,双极型晶体管的工作原理,双极型晶体管(bipolar transistor)的结构 双极型晶体管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皆参与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p-n结所组成，其结构可为p-n-p或n-p-n的形式。 如图为一p-n-p双极型晶体管 的透视图，其制造过程是以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型区域形成 欧姆接触。,双极晶体管工作原理,图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的 区域，形成两个p-n结。浓度最高的p区域称为发射区(emitter，以E表示)； 中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的 宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区 (collector，用C表示)。 图(b)为p-n-p双极型晶体管的电 路符号，图中亦显示各电流成分和电 压极性，箭头和“十”、“一”符号分别 表示晶体管在一般工作模式(即放大 模式)下各电流的方向和电压的极性 ，该模式下，射基结为正向偏压(VEB 0)，而集基结为反向偏压(VCB0),双极型晶体管的工作原理,双极型晶体管工作在放大模式 图(a)是一热平衡状态下的理想pn- p双极型晶体管，即其三端点接在 一起，或者三端点都接地，阴影区 域分别表示两个p-n结的耗尽区。图 (b)显示三段掺杂区域的杂质浓度， 发射区的掺杂浓度远比集电区大，基 区的浓度比发射区低，但高于集电区 浓度。图4.3(c)表示耗尽区的电场强 度分布情况。图(d)是晶体管的能带 图，它只是将热平衡状态下的p-n结 能带直接延伸，应用到两个相邻的耦 合p-n结与n-p结。, 双极型晶体管的工作原理,双极型晶体管工作在放大模式 图(a)为工作在放大模式下的共 基组态p-n-p型晶体管，即基极被输 入与输出电路所共用，图(b)与图(c) 表示偏压状态下电荷密度与电场强度 分布的情形，与热平衡状态下比较， 射基结的耗尽区宽度变窄，而集基 结耗尽区变宽。图(d)是晶体管工作 在放大模式下的能带图，射基结为正 向偏压，因此空穴由p发射区注入 基区，而电子由基区注入发射区。, 双极型晶体管的工作原理,在理想的二极管中，耗尽区 将不会有产生-复合电流，所以由 发射区到基区的空穴与由基区到 发射区的电子组成了发射极电流。 而集基结是处在反向偏压的状态， 因此将有一反向饱和电流流过此 结。当基区宽度足够小时，由发 射区注入基区的空穴便能够扩散 通过基区而到达集基结的耗尽区 边缘，并在集基偏压的作用下通 过集电区。此种输运机制便是注 射载流子的“发射极“以及收集邻 近结注射过来的载流子的“集电极” 名称的由来。, 双极型晶体管的工作原理,如果大部分入射的空穴都没有与 基区中的电子复合而到达集电极，则 集电极的空穴电流将非常地接近发射 极空穴电流。 可见，由邻近的射基结注射过来 的空穴可在反向偏压的集基结造成大 电流，这就是晶体管的放大作用，而 且只有当此两结彼此足够接近时才会 发生，因此此两结被称为交互p-n结。 相反地，如果此两p-n结距离太远，所 有入射的空穴将在基区中与电子复合 而无法到达集基区，并不会产生晶体 管的放大作用，此时p-n-p的结构就只 是单纯两个背对背连接的p-n二极管。,双极型晶体管的静态特性,各区域中的载流子分布 为推导出理想晶体管的电流、电压表示式，需作下列五点 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。 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，一旦确定了 少数载流子的分布(n区域中的空穴)，就可以由少数载流子的 浓度梯度得出电流。,2019/8/20,23,可编辑,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（亦即导通）的状态。 在截止模式下，晶体管的两个结皆为反向偏压，边界条件变为 pn(0)=pn(W)=0，截止模式下的晶体管可视为开关断路(或是关闭)。电流为零 在反转模式下，射基结是反向 偏压，集基结是正向偏压；在反转 模式下晶体管的集电极用作发射极， 而发射极用作集电极，相当于晶体 管被倒过来用，但是在反转模式下 的电流增益通常较放大模式小，这 是因为集电区掺杂浓度较基区浓度 小，造成低的“发射效率”所致。,即使VBC降到零伏，空穴依然被集电极所吸引，因此集电极电流仍维 持一固定值。图(a)中的空穴分布也显示出这种情形，x=W处的空穴梯度在 从VBC0变为VBC=0后，只改变了少许，使得集电极电流在整个放大模式范围下几乎相同。 若要将集电极电流降为零， 必须加一电压在集基结上，使 其正向偏压(饱和模式)，对硅 材料而言，约需加1V左右，如 图(b)所示，正向偏压造成x=W 处的空穴浓度大增，与x=0处 相等图(b)中的水平线，此时 在x=W处的空穴梯度也就是集 电极电流将会降为零。,因为0一般非常接近于1，使得0远大于1，所以基极电流的微小变 化将造成集电极电流的剧烈变化。下图是不同的基极电流下，输出电流-电压特性的测量结果。可见当IB=0时，集电极和发射极间还存在一不为零的ICEO。 在一共射组态的理想晶体管中， 当IB固定且VEC0时，集电极电流与 VEC不相关。当假设中性的基极区域 (W)为定值时，上述特性始终成立。 然而延伸到基极中的空间电荷区域 会随着集电极和基极的电压改变， 使得基区的宽度是集基偏压的函数， 因此集电极电流将与VEC相关,当集电极和基极间的反向偏压增加时，基区的宽度将会减少，导致基区中的少数载流子浓度梯度增加，亦即使得扩散电流增加，因此IC也会增加。下图显示出IC随着VEC的增加而增加，这种电流变化称为厄雷效应，或称为基区宽度调制效应，将集电极电流往左方延伸，与VEC轴相交，可得到交点，称为厄雷电压。,双极型晶体管的频率响应与开关特性,频率响应 前面讨论的是晶体管的静态特性(直流特性)， 没有涉及其交流特性，也就是当一小信号 重叠在直流值上的情况。小信号意指交流 电压和电流的峰值小于直流的电压、电流 值。 高频等效电路：图(a)是以共射组态晶体管 所构成的放大器电路，在固定的直流输入 电压VEB下，将会有直流基极电流IB和直流 集电极电流IC流过晶体管，这些电流代表图 (b)中的工作点，由供应电压VCC以及负载电 阻RL所决定出的负载线，将以一1/RL的斜 率与VCE轴相交于VCC。,双极型晶体管的频率响应与开关特性,当一小信号附加在输入电压上时，基极电流iB将会随时间变动，而成一 时间函数，如右图所示。基极电流的变动使得输出电流iC跟着变动， 而iC的变动是iB变动的0倍，因此晶体管放大器将输入信号放大了。 下图(a)是此放大器的低频等效电路，在更高 频率的状况下，必须在等效电路中加上适当 的电容。与正向偏压的p-n结类似，在正向偏 压的射基结中，会有一势垒电容CEB和一扩 散电容Cd，而在反向偏压的集基结中只存在 势垒电容CCB，如图(b)所示。,要改善频率响应，必须缩短少数载流子穿越基区所需的时间，所以高频晶体管都设计成短基区宽度。由于在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n-p-n的形式(基区中的少数载流子是电子)另一个降低基区渡越时间的方法是利用有内建电场的缓变掺杂基区， 掺杂浓度变化(基区靠近发射极端掺杂浓度高，靠近集电极端掺杂浓度低)产生的内建电场将有助于载流子往集电极移动，因而缩短基区渡越时间。,双极型晶体管的频率响应与开关特性,在数字电路中晶体管的主要作用是当作开关。可以利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流由关(off)的状态成为开(on)的状态(反之亦然)。关是高电压低电流的状态，开是低电压高电流的状态。 图(a)是一个基本的开关电路，其中射基电压瞬间由 负值变为正值。图(b)是晶体管的输出电流，起初因 为射基结与集基结都是反向偏压，集电极电流非常 低，但射基电压由负变正后，集电极电流沿着负载 线，经过放大区最后到达高电流状态的饱和区，此 时射基结与集基结都变为正向偏压。因此晶体管在 关的状态下，亦即工作于截止模式时，发射极与集 电极间不导通；而在开的状态下，亦即工作在饱和 模式时，发射极与集电极间导通因此晶体管可近 似于一理想的开关。,双极型晶体管的频率响应与开关特性,开关暂态过程 开关时间是指晶体管状态从关变 为开或从开