双极型晶体管及相资料PPT课件

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 bipolartransistor 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 VCB 0 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 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VBC 0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VEC 0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