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第三章双极结型晶体管,双极结型晶体管的结构基本工作原理理想双极结型晶体管中的电流传输爱伯斯-莫尔方程缓变基区晶体管基区扩展电阻和电流密聚基区宽度调变效应晶体管的频率响应混接型等效电路晶体管的开关特性击穿电压,1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-BellLab.(Bardeen、Shockley、Brattain)1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-BellLab.(Shockley)1951年制造出第一只锗结型晶体管-BellLab.(Shockley)1956年制造出第一只硅结型晶体管-美德州仪器公司（TI）1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学高鼎三）1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产,发展历史,3.1双极结型晶体管的结构,1.双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型,3.1双极结型晶体管的结构,2.双极型晶体管工艺复合图,3.1双极结型晶体管的结构,光刻硼扩散窗口,1）衬底制备衬底为低阻N型硅，电阻率在左右，沿（111）面切成厚约的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。,3.制造工艺,2）外延外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。,3）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，同时也起表面钝化作用。,3.1双极结型晶体管的结构,5）硼扩散和二次氧化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扩散，并起钝化作用。,6）光刻磷扩散窗口,磷扩散和三次氧化磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。,光刻发射极和基极接触孔,9）蒸发铝,10）在铝上光刻出电极图形,3.2基本工作原理,双极晶体管四种工作模式（工作区）,基极对集电极电压,基极对发射极电压,（1）正向有源模式：,（2）反向有源模式：,（3）饱和模式：,（4）截止模式：,加在各PN结上的电压为,根据两个结上电压的正负，晶体管有4种工作状态，,3.2基本工作原理,3.2.1共基极连接晶体管的放大作用,图3-6（b）NPN晶体管共基极能带图,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。,3.2基本工作原理,3.2.2电流分量,从发射区注入到基区中的电子流。到达集电结的电子流。基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流从基区注入到发射区的空穴电流发射结空间电荷区内的复合电流。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产生电流。,3.2基本工作原理,3.2.2电流分量,（3-2-1）,（3-2-2）,（3-2-3）,（3-2-4）,3.2基本工作原理,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,（3-2-5）,（3-2-7）,基区输运因子,共基极直流电流增益,（3-2-6）,3.2.3.电流增益,3.2基本工作原理,（3-2-8）,（3-2-10）,利用（3-3）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,（3-2-9）,3.2.3.电流增益,3.2基本工作原理,图3-8集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形,3.2基本工作原理,式中定义,共发射极接法,（3-2-11）,（3-2-12）,（3-2-13）,（3-2-14）,3.2基本工作原理,学习要求掌握四个概念：发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益了解典型BJT的基本结构和工艺过程。掌握BJT的四种工作模式。画出BJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。分别用能带图和载流子输运的观点解释BJT的放大作用。为什么公式（3-2-9）可以写成公式（3-2-10）。解释理想BJT共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。解释理想BJT共发射极连接正向有源模式下集电极电流与集电极发射极间的电压无关的现象。解释理想BJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,（1）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；（3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流子运动是一维的；（4）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，偏压加在结空间电荷区上；（6）发射结面积和集电结面积相等；（7）小注入，等等,3.3.1电流传输,理想晶体管的主要假设及其意义：,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.1电流传输,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,边界条件为：,中性基区（0）少子电子分布及其电流：,（3-3-1）,（3-3-2）,（3-3-4）,3.3.1电流传输,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,1.电子电流,（3-3-5）,（3-3-6）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,2.发射区少子空穴分布及其电流：边界条件：,（3-3-7-3-3-10）,（3-3-11）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,若，（3-23a）式可以写作：,（3-3-12）,（3-3-13）,空穴电流为：,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.集电区少子空穴分布及其电流边界条件：,（3-3-14）,（3-3-16）,（3-3-15）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.2正向有源模式1.少数载流子分布,（3-27a）,在的情况下，（3-27a）式简化,（3-27b）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,图3-11正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布,正向有源模式下少数载流子分布曲线,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.电流分量1)发射区和收集区电子电流：,（3-3-18）,（3-3-19）,（3-3-20）,（3-3-22）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,2)发射区和收集区空穴电流,（3-3-23）,3）正偏压发射结空间电荷区复合电流：,（3-3-24）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,（3-3-25）,（3-3-26）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,4.晶体管的输出特性曲线,图3-12NPN晶体管的静态电流电压特性,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,5.共发射极电流增益,（3-3-27）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,共发射极电流增益与工作电流的关系,图3-13电流增益对集电结电流的依赖关系,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,学习要求导出基区输运因子表达式理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。写出发射区、基区、集电区少子满足的扩散方程并解之求出少子分布。掌握公式（3-3-6）、（3-3-7）。这两个公式有什么样的对称关系？掌握正向有源模式基区输运因子公式。掌握正向有源模式基区电子电流公式（3-3-18）、（3-3-19）、（3-3-21）。解释图3-12、图3-13。,3.4爱伯斯-莫尔方程,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。,(1)正向有源工作模式：0，0,(3)饱和工作模式：0，0,(4)截止工作模式:CTE+CTC的情形，增益带宽乘积为,（3-86）,注意：增益带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是完全相同的。,3.9混接型等效电路,导出公式（3-78）、（3-81）、（3-84）。画出混接型等效电路。,3.9混接型等效电路,学习要求,3.10晶体管的开关特性,由图3-25b中的电流脉冲驱动，使得晶体管运用于截止区与饱和区。,图3-25双极晶体管的开关运用：（a）电路图，（b）基极电流驱动，（c）输出,特性，（d）输出电流波形,在截止状态,发射结和集电结都处于反偏状态。集电极电流很小,阻抗很高，晶体管处于“关”态。在饱和状态集电极电流很大而且它的阻抗很低，所以晶体管被认为是“通”态。,3.10晶体管的开关特性,硅晶体管在饱和区,在饱和状态，集电极电流被负载电阻所限制：,（3-10-2）,（3-10-8）,在“通”和“断”两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的。,载流子分布不能立刻改变。需要一个过渡时间，称为开关时间。集电极电流的典型开关波形示于图3-25,（d）中，开关时间的定义:,1.导通延迟时间,导通延迟时间td是从加上输入阶跃脉冲至输出电流达到最终值的百分之十所经历的时间。它受到下列因素的限制：,（1）从反偏压改变到新电平，结的耗尽层电容的充电时间；（2）载流子通过基区和集电结耗尽层的渡越时间。,驱动晶体管进入饱和所需要的最小基极电流为：,3.10晶体管的开关特性,图3-26饱和时的贮存在基区和集电区中的电荷同时表示了处在截止和有源区的基区电荷,3.10晶体管的开关特性,2.上升和下降时间,关断的下降时间：表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分之十的时间间隔。这是上升时间的逆过程，并且受到同样的因素限制。,3.贮存时间从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到之间的时间。,上升时间：电流从（）的百分之十上升到百分之九十所需要的时间。它对应于在基区建立少数载流子分布以达到集电极饱和电流的百分之九十。该时间受输出时间常数的影响。,3.10晶体管的开关特性,对连续性方程（1-213a）从0至求一次积分（令）,3.10晶体管的开关特性,用代替（0），用代替，并用代替，便得到正向有源模式的基区电荷控制方程：,在稳态条件下，式中依赖于时间的项为零。由上式，基极电流可表示为,当进入饱和时，总电荷为,，电荷控制方程变为,以及,3.10晶体管的开关特性,于是有,或,方程（3.10-12）的通解为：,特解为,-（）,3.10晶体管的开关特性,在时，全部过量少数载流子被去除掉，。因此求得,在t=时，方程（3.93）中的时间依赖项为零，并利用（3.95）式得到过量电荷为,3.10晶体管的开关特性,这是方程（3.93a）的初始条件。于是得方程（3.93a）的解为,学习要求了解晶体管开关工作原理。为什么晶体管开关需要开关时间？了解晶体管开关时间所涉及的物理过程。,3.10晶体管的开关特性,3.11击穿电压,1.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:经验公式（对于共基极电路）：,图3-27中，在处突然增加.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M倍，即,（3-11-1）,（3-11-2）,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，它还依赖于外部的电路结构。,当M接近无穷时满足击穿条件。,3.11击穿电压,图3-27共发射极和共基极电路的击穿电压,共发射极击穿电压比共基极击穿电压低很多。,由于，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为,（3-11-3）,当达到的条件时，新的电流增益变为无穷，即发生击穿。,由于非常接近于1，当不要比1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表示。令（3-99）式中的并使等于，可以解得,（3-11-4）,硅的数值在2到4之间，在值较大时，共发射极击穿电压可比共基极击穿电压低很多。,3.11击穿电压,2.共发射极连接,穿通电压：若在发生雪崩击穿之前集电结的空间电荷层到达了发射结，则晶体管穿通，这个击穿电压就叫做穿通电压。穿通机制：一个晶体管的空间电荷区及能带分布示于图3-28中。在这种条件下，发射区和集电区被连接成好象一个连续的空间电荷区，使发射结处的势垒被穿通时的集电结电压降低了。结果是，使得大的发射极电流得以在晶体管当中流过并发生击穿。穿通击穿的特点：穿通击穿的I-V曲线不象雪崩击穿那样陡直。,3.11击穿电压,3.穿通击穿,图3-28晶体管的穿通：（a）穿通前的空间电荷区（b）能带图（c）穿通后的空间电荷区,3.11击穿电压,3.穿通电压的计算：,解：对于两边杂质浓度接近的PN结，空间电荷区宽度可以表示为：,（1）,（2）,3.11击穿电压,计算穿通击穿电压。,如图所示，为基区的冶金学宽度，是BC结延伸到基区中的空间电荷区宽度。忽略BE结在零偏或正偏压时的空间电荷区宽度，当反偏压使时出现基区穿通。,忽略BE结在零偏或正偏压时的SCR宽度，那么当时会出现