第12章双极晶体管

1、第十二章第十二章 双极晶体管双极晶体管 20152015年年1212月月4 4日日 第第1010章双极晶体管章双极晶体管 n10.110.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 n10.210.2少子的分布少子的分布 n10.310.3低频共基极电流增益低频共基极电流增益 n10.410.4非理想效应非理想效应 n10.510.5等效电路模型等效电路模型 n10.610.6频率上限频率上限 n10.710.7大信号开关大信号开关 双极双极ICIC中，中，npnnpn型管的特性优于型管的特性优于pnppnp型管。型管。 2 2 晶体管概况晶体管概况 n晶体管是多晶体管是多功能的半导体器件功能

2、的半导体器件，能过和其他电子无件的互连，能过和其他电子无件的互连 ，可以用来放大电流、放大电压和放大功率；，可以用来放大电流、放大电压和放大功率； n晶体管是晶体管是有源器件有源器件，二极管是无源器件，二极管是无源器件; ; n晶体管的晶体管的基本工作原理基本工作原理：在器件的两个端点之间施加电压，：在器件的两个端点之间施加电压， 从而控制第三端的电流从而控制第三端的电流; ; n晶体管晶体管类型有三种类型有三种：双极晶体管：双极晶体管(BJT)(BJT)、金属、金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体 场效应管场效应管(MOSFET)(MOSFET)和结型场效应晶体管和结型场效应晶体管(JF

3、ET)(JFET)。 双极晶体管（双极晶体管（BJTBJT） n双极晶体管器件中包含双极晶体管器件中包含电子和空穴两种极性不同的电子和空穴两种极性不同的 载流子；载流子； n双极晶体管中双极晶体管中少子的分布少子的分布是器件物理的重要部分是器件物理的重要部分 少子浓度梯度产生扩散电流少子浓度梯度产生扩散电流； n双极晶体管是一个双极晶体管是一个电压控制电流源电压控制电流源。 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 n结构和符号结构和符号三个区域、三个电极、二个三个区域、三个电极、二个pnpn结结 5 5 1 1、相对于少子扩散长度，、相对于少子扩散长度，基区的宽度很小基区的宽

4、度很小； 2 2、（、（+）号）号表是表是非常重掺杂非常重掺杂，（+ +）表是表是中等程度掺杂中等程度掺杂； 3 3、发射区发射区掺杂浓度最掺杂浓度最高高，集电区集电区掺杂浓度最掺杂浓度最低低。 4 4、Emitter(Emitter(发射极发射极), Base(), Base(基极基极), Collector(), Collector(集电极集电极) ) 箭号表是电流方向箭号表是电流方向 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 n剖面图剖面图 6 6 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 I IE E I IC C I IB B V VEC EC V V

5、CB CB V VBE BE I IE E=I=IC C+I+IB BV VEC EC=V =VEB EB+V +VBC BC=-V =-VBE BE-V -VCB CB n四种工作模式四种工作模式V VBE BE、 、V VCB CB 正反、反反、反正、正正正反、反反、反正、正正 正向有源（正向有源（ 放大）放大） 截止截止 反向有源反向有源饱和饱和 7 7 三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式 n三极管在电路中的连接方式有三种：三极管在电路中的连接方式有三种： 共基极接法；共基极接法； 共发射极接法共发射极接法， 共集电极接法。共集电极接法。 n共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极

6、作为公共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公 共端。共端。 n必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的 电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。 即必须给即必须给发射结加正向偏置电压发射结加正向偏置电压，发射区才能起到向，发射区才能起到向 基区注入载流子的作用；基区注入载流子的作用； n必须给必须给集电结加反向偏置电压集电结加反向偏置电压（一般几几十伏），（一般几几十伏）， 在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基 区，并扩散到集电

7、结边缘的载流子拉入集电区，使集区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集 电区起到收集载流子的作用。电区起到收集载流子的作用。 8 8 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 基本工作原理基本工作原理 n杂质浓度杂质浓度 9 9 回顾回顾8.1 pn8.1 pn结电流结电流定性描述定性描述 1010 正向有源模式正向有源模式 1111 虚实线表示虚实线表示 的意义的意义 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 n截面图：注入和收集截面图：注入和收集 1212 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理12.1.212.1.2晶体管电流的简化

8、表达式晶体管电流的简化表达式 n简化电流简化电流 1E i 2E i 复合电流复合电流 正偏电流正偏电流 空穴空穴(B-E)(B-E) 电子电子(E-B)(E-B) 1E i 1313 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 n集电极电流集电极电流 扩散电流扩散电流 A ABE BE为 为B-EB-E结横截面积；结横截面积；n nB0 B0为基区内热平衡电子浓度； 为基区内热平衡电子浓度；V Vt t为热电压。为热电压。 只考虑大小：只考虑大小： 1414 集电极电流由基极和发射极之间的电压控制，即器件一端的集电极电流由基极和发射极之间的电压控制，即器件一端的 电流由加到另外

9、两端的电压控制。电流由加到另外两端的电压控制。 12.112.1双极晶体管的双极晶体管的 工作原理工作原理 n发射极电流发射极电流 I IC C、 、I IE E均正比于 均正比于V VBE BE/V /Vt t，因此电流之比，因此电流之比 为常数。为常数。 共基极电流增益共基极电流增益111 16 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 12.1.312.1.3工作模式工作模式 n工作模式工作模式 当当V VBE BE 0 0，B-CB-C结反偏，结反偏，I IC C=0=0，晶体管处于，晶体管处于截止区截止区 当基极电流变化时，集电极电流没有变化，处于当基极电流变化时，集

10、电极电流没有变化，处于饱和区饱和区 当当I IC C= =I IB B时，晶体管处于时，晶体管处于正向有源区正向有源区 饱和区饱和区 放大区放大区 截止区截止区 1717 12.112.1双极晶体管的工作原理双极晶体管的工作原理 12.1.412.1.4放大电路放大电路 n共射放大电路共射放大电路n放大电路波形放大电路波形 1818 12.2 12.2 少子的分布少子的分布 1919 晶体管中的电流是由少子的扩散决定的，少子的扩散是由少子的梯度产生晶体管中的电流是由少子的扩散决定的，少子的扩散是由少子的梯度产生 ，因而计算晶体管中的电流，须确定晶体管中三个区中少子的分布。，因而计算晶体管中的电

11、流，须确定晶体管中三个区中少子的分布。 12.212.2少子的分布少子的分布 12.2.112.2.1正向有源模式正向有源模式 2020 单独考虑发射区单独考虑发射区x、基区、基区x 、或集电区时、或集电区时xx，把起始点移到空把起始点移到空 间电荷区的边界。间电荷区的边界。 假定：发射区和集电区比较长，基区相对于少子扩散长度则较窄。假定：发射区和集电区比较长，基区相对于少子扩散长度则较窄。 12.212.2少子的分布少子的分布 12.2.112.2.1正向有源模式正向有源模式 n非平衡少子的浓度非平衡少子的浓度 21 发射区：发射区： 基基 区：区： 集电区：集电区： 假定：假定：发射区和集

12、电区比发射区和集电区比 较长，基区相对于少子扩较长，基区相对于少子扩 散长度则较窄。散长度则较窄。 12.212.2少子的分布少子的分布 12.2.212.2.2 22 正向有源正向有源 （放大）（放大） 截止截止 反向有源反向有源 饱和饱和 n其他工作模式：截止和饱和时的少子分布其他工作模式：截止和饱和时的少子分布 每个空间电荷区的边每个空间电荷区的边 界，少子浓度为零。界，少子浓度为零。 每个空间电荷区的边界存在过每个空间电荷区的边界存在过 剩少子，集电极存在电流。剩少子，集电极存在电流。 12.212.2少子的分布少子的分布 12.2.212.2.2 n其他工作模式：反向有源区其他工作模

13、式：反向有源区 2323 B-CB-C结面积比结面积比B-EB-E结面积大得多，因此不是所有电子都能被子发射极收集结面积大得多，因此不是所有电子都能被子发射极收集 。因而正向有源模式和反向有源模式的特性有很大不同。因而正向有源模式和反向有源模式的特性有很大不同。 12.312.3低频共基极电流增益低频共基极电流增益集电极电流与发射极电流之比集电极电流与发射极电流之比 n电流成分电流成分-粒子流粒子流 正偏电子流正偏电子流 反向饱电流反向饱电流 正偏复合电流正偏复合电流 反偏产生电流反偏产生电流 正偏空穴流正偏空穴流 基区复合电流基区复合电流 2424 12.312.3低频共基极电流增益低频共基

14、极电流增益 n电流成分电流成分 2525 电流电流J JRB RB， ，J JPE PE和 和J JR R仅仅 是是B-EB-E结电流，对结电流，对 集电极电流没有贡集电极电流没有贡 献；献； 电流电流J Jpco pco， ，J JG G仅是仅是 B-CB-C结电流；结电流； 这些电流对电流增这些电流对电流增 益没有贡献。益没有贡献。 12.312.3低频共基极电流增益低频共基极电流增益 n直流共基极电流增益直流共基极电流增益： 若集电结和发射结横截面积一样若集电结和发射结横截面积一样 ，则有：，则有： 小信号共基极电流增益小信号共基极电流增益定义：定义： J JG G，J Jpc0 pc0

15、仅是 仅是B-CB-C结电流，不是结电流，不是J JE E 的函数的函数 发射极注入效发射极注入效 率系数率系数 基区输运系数基区输运系数 复合系数复合系数 26 27 12.312.3低频共基极电流增益低频共基极电流增益 12.3.212.3.2 nE nEpE J JJ 发射极注入效率系数发射极注入效率系数 0 0 () () E pEE x B nEB x dpx JeD dx dnx JeD dx 0 0 1 tanh(/) 1 tanh(/) EEBBB BBEEE p D LxL n D LxL 1 1 BEB EBE NDx NDx / B EBBEE Vk TexLxL 为使为

16、使1 1对各对各 参数应如何要参数应如何要 求？求？ 28 12.312.3低频共基极电流增益低频共基极电流增益 nC T nE J J 基区输运系数基区输运系数 0 () () B B nCB xx B nEB x dnx JeD dx dnx JeD dx 2 11 1(/) cosh(/)2 TBB BB xL xL / B EBB Vk TexL 泰 勒 级 数 展 开 为使为使1 1对各对各 参数应如何要参数应如何要 求？求？ 29 12.312.3低频共基极电流增益低频共基极电流增益 nEpE nE nERpEnER JJ J JJJJJ 复合系数复合系数 0 0 00 exp()

17、 2 exp() tanh(/) BE Rr BBBE nEss BBB eV JJ kT eD neV JJJ kTLxL 0 0 1 1exp() 2 rBE s JeV JkT 复合系数是复合系数是B-EB-E结电压的函数，随结电压的函数，随 B-EB-E结电压的增加，复合电流所占结电压的增加，复合电流所占 的比例更小，复合系数接近于的比例更小，复合系数接近于1 1。 12.312.3低频共基极电流增益低频共基极电流增益 12.3.312.3.3 共发射极电流增益共发射极电流增益 CB II 共基极电流增益共基极电流增益 CE II EBC III 30 输出与输入的比值输出与输入的比值

18、 对直流分析和小信对直流分析和小信 号均成立号均成立 是增函数？是增函数？ 31 12.412.4 非理想效应非理想效应 n基区宽度调制效应：厄尔利（基区宽度调制效应：厄尔利（EarlyEarly厄利）效应厄利）效应 32 随随B-CB-C结反偏电压的增加，结反偏电压的增加，B-CB-C结空间电荷区宽度增加，基区宽度减小，使结空间电荷区宽度增加，基区宽度减小，使 得少子浓度梯度增加，这种效应称为得少子浓度梯度增加，这种效应称为基区宽度调制效应（基区宽变效应）。基区宽度调制效应（基区宽变效应）。 12.4 12.4 非理想效应非理想效应 n基区宽度调制效应基区宽度调制效应 EarlyEarly电

19、压典型值在电压典型值在100-300V100-300V之间。之间。 0 CC CECEA dII g dVVV 33 厄利电压：厄利电压：集电极电流特性曲线反向延长线使集电极电流为零，则曲集电极电流特性曲线反向延长线使集电极电流为零，则曲 线与电压轴相交于一点，该点定义为厄利电压。线与电压轴相交于一点，该点定义为厄利电压。 g g0 0为输出电导。为输出电导。 P P365 365例 例12.512.5 12.4 12.4 非理想效应非理想效应 n基区宽度调制效应基区宽度调制效应 基区宽度的减小，导致如下系数的增大：基区宽度的减小，导致如下系数的增大： 12.412.4非理想效应非理想效应 1

20、2.4.212.4.2 n大注入效应大注入效应 35 随随V VBE BE的增加，注入的少子浓 的增加，注入的少子浓 度开始接近，甚至变得比多度开始接近，甚至变得比多 子浓度还要大。子浓度还要大。 12. 412. 4非理想效应非理想效应 n大注入效应一：大注入效应一：发射极注入效率降低，发射极注入效率降低，J JpE pE增加； 增加； n大注入效应二：大注入效应二：集电极电流增速变小；集电极电流增速变小； 36 与与pnpn结二极管中的串结二极管中的串 联电阻类似。联电阻类似。 12. 412. 4非理想效应非理想效应 12.4.312.4.3发射区禁带变窄发射区禁带变窄 n发射区禁带变窄

21、发射区禁带变窄 发射区热平衡少子浓度发射区热平衡少子浓度P P 0 0 增加增加 发射区注入效率降低发射区注入效率降低 发射区掺杂浓度很高时发射区掺杂浓度很高时 ，由于禁带变窄效应，由于禁带变窄效应，会使会使 电流增益比理想状况下小。电流增益比理想状况下小。 37 kT E N n N n P g E i E iE E exp 22 0 )/tanh( )/tanh( 1 1 0 0 EE BB EBB BEE Lx Lx LDn LDP 12.412.4非理想效应非理想效应 12.4.412.4.4电流集边效应电流集边效应 n电流集边效应电流集边效应：导致局部过热或局部大注入：导致局部过热或

22、局部大注入 38 电势从发射极边缘向中心减小，有较多的电子从发射极边缘注入，从而使发射极电势从发射极边缘向中心减小，有较多的电子从发射极边缘注入，从而使发射极 电流集中在边缘；发射区边缘的电流密度较大，会导致局部过热，也会导致局部的大电流集中在边缘；发射区边缘的电流密度较大，会导致局部过热，也会导致局部的大 注入注入。 12. 412. 4非理想效应非理想效应 12.4.512.4.5基区非均匀掺杂的影响基区非均匀掺杂的影响 n非均匀掺杂：非均匀掺杂：杂质浓度梯度导致静电场，改变少子分布杂质浓度梯度导致静电场，改变少子分布. . 39 基区中非均匀基区中非均匀 掺杂感生出的静电掺杂感生出的静电

23、 场，会对电子在向场，会对电子在向 集电区的方向上产集电区的方向上产 生推动作用，也即生推动作用，也即 帮助少子越过基区帮助少子越过基区 。该静电场称为。该静电场称为加加 速场速场。 这使得注入到这使得注入到 基区的电子进一步基区的电子进一步 加速通过基区，降加速通过基区，降 低了在基区与空穴低了在基区与空穴 的复合率，从而比的复合率，从而比 理想情况下，理想情况下，增大增大 了电流增益。了电流增益。 12.4 12.4 非理想效应非理想效应 12.4.612.4.6击穿电压击穿电压 n击穿电压击穿电压：穿通击穿（距离太近）和雪崩击穿（较远）：穿通击穿（距离太近）和雪崩击穿（较远） 40 穿通

24、：穿通：随反偏随反偏B-CB-C结电压的增加，结电压的增加， B-CB-C结空间电荷区宽度结空间电荷区宽度扩展扩展到到B B区中区中 性区中。性区中。B-CB-C结耗尽区穿透基区到结耗尽区穿透基区到 达达B-EB-E结，即结，即与发射结势垒区相连与发射结势垒区相连 ，这种现象称为穿通。，这种现象称为穿通。 12.4 12.4 非理想效应非理想效应 12.4.612.4.6击穿电压击穿电压 2 1 1 )(2 BCB C ptbi BdB NNN N e VV Wx W WB B为基区的（冶金）宽度，为基区的（冶金）宽度，x xdB dB是 是B-CB-C结延伸进基区中的空间电荷区宽度，结延伸进

25、基区中的空间电荷区宽度， 若忽略若忽略B-EB-E结在零偏或正偏时的空间电荷的宽度，结在零偏或正偏时的空间电荷的宽度， 则当则当x xdB dB = W = WB B时，会出现穿通：时，会出现穿通： V Vpt pt是穿通时 是穿通时B-CB-C结的反偏电结的反偏电 压，忽略压，忽略V Vbi bi，得 ，得: : C BCBB pt N NNNeW V )( 2 2 4141 12.512.5等效电路模型等效电路模型 n双极晶体管在电子电路中的应用总体可分两大类：开关器件双极晶体管在电子电路中的应用总体可分两大类：开关器件 和放大器件。和放大器件。 n开关：开关：通常是指把一个晶体管从它的关

26、态或是截止态转变为通常是指把一个晶体管从它的关态或是截止态转变为 开态，也就是正向有源或是饱合开态，也就是正向有源或是饱合, ,然后再回到截止态。然后再回到截止态。 n放大：放大：是把正弦信号叠加在直流之上，只在偏置电压或电流是把正弦信号叠加在直流之上，只在偏置电压或电流 附近做微扰。附近做微扰。 nE-M(Ebers-Moll)E-M(Ebers-Moll)模型应用于模型应用于开关电路开关电路中；中； H-P(Hybird-Pi) H-P(Hybird-Pi)模型应用于模型应用于放大电路放大电路中。中。 4242 12.512.5等效电路模型等效电路模型 nE-ME-M模型：模型：两个两个p

27、npn结相互作用，多用于结相互作用，多用于开关电路开关电路。 4343 F F是晶体管工作于正向有源区时的共基极电流增益；是晶体管工作于正向有源区时的共基极电流增益； I IES ES是反偏 是反偏B-EB-E结电流；结电流； I ICS CS是反偏听偏信 是反偏听偏信B-CB-C结电流；结电流； R R是晶体管工作于反向源区时的共基极电流增益。是晶体管工作于反向源区时的共基极电流增益。 12. 512. 5等效电路模型等效电路模型 nH-PH-P模型模型 4444 12. 512. 5等效电路模型等效电路模型 nH-PH-P模型模型，多应用于，多应用于放大电路放大电路。 4545 集电极电流集电极电流 厄尔利效应电阻厄尔利效应电阻 12.612.6频率上限频率上限 n延时因子延时因子 4646 发射区到集电区的总延时：发射区到集电区的总延时： 双极晶体管是一种双极晶体管是一种时间度越时间度越器件；随着频率的增加，度器件；随着频率的增加，度 越时间变得可以和输入信号的周期差不多，此时，输出信号越时间变得可以和输入信号的周期差不多，此时，输出信号 不再和输入信号同相，电流增益的幅度将会下降。不再和输入信号同相，电流增益的幅度将会下降。 12.612.6频率上限频率上限 f f j 1 0 截止频率