第十一章BJT的静态特性

第11章BJT的静态特性11.1理想晶体管模型（作业2，7，8）11.2理论和实验的偏差（作业）11.3现代BJT结构（作业）(11.17)第十一章BJT的静态特性11.1理想晶体管模型1.理想BJT的基本假设2.各区的少子分布函数3.流过E-B结和C-B结的电子、空穴电流4.特性参数第十一章BJT的静态特性1.理想BJT的基本假设（1）E-B结和C-B结都是均匀突变结（2）小注入（3）耗尽层近似（4）忽略耗尽层中的产生-复合效应（5）发射区和集电区的准中性宽度远大于少子的扩散长度（6）忽略串联电阻效应（7）晶体管在稳态条件下工作第十一章BJT的静态特性坐标系和材料参数符号说明第十一章BJT的静态特性2.各区的少子分布函数方法步骤：（1）扩散方程（2）边界条件（3）求解方程得到少子分布函数表达式（4）由少子分布函数求出流过E-B结和C-B

结的电流IEp，IEn,ICp,ICn（5）根据，T，dc,dc的定义求出特性参数第十一章BJT的静态特性+第十一章BJT的静态特性扩散方程和边界条件第十一章BJT的静态特性由pn结定律得耗尽层的边界条件P区

n区第十一章BJT的静态特性发射区的扩散方程和边界条件晶体管处于稳态条件，且GL=0扩散方程边界条件第十一章BJT的静态特性发射区的少子分布规律和电流方程的解（少子分布规律）从B区扩散过E-B结的电子电流方程的通解第十一章BJT的静态特性集电区的扩散方程和边界条件扩散方程边界条件少子分布规律从C区扩散过C-B结的电子电流第十一章BJT的静态特性基区的扩散方程和边界条件扩散方程边界条件少子的分布第十一章BJT的静态特性基区的少子分布规律基区的空穴分布从E区扩散过E-B结的空穴电流从B区扩散过C-B结的空穴电流第十一章BJT的静态特性简化关系式因为基区宽度远小于少子的扩散长度，即W<<LB，0xW第十一章BJT的静态特性基区少子分布的简化求解方法基区很薄，忽略基区的热复合和产生，即方程和通解代入边界条件求解第十一章BJT的静态特性基区的少子分布规律少子在基区的分布近似满足直线分布此时三极管的基区输运系数：注入载流子在通过基区的过程中没有通过复合而损失。第十一章BJT的静态特性作业题5：基区宽度对基区少子分布的影响第十一章BJT的静态特性3流过发射区、集电区和基区的电流发射极电流集电极电流基极电流第十一章BJT的静态特性4特性参数第十一章BJT的静态特性4特性参数第十一章BJT的静态特性作业题6第十一章BJT的静态特性BJT处于放大工作偏置下各区的少子分布第十一章BJT的静态特性作业题7pnp第十一章BJT的静态特性四种偏置模式下少子分布图作业题7npn正向放大模式第十一章BJT的静态特性npn饱和模式第十一章BJT的静态特性npn截止模式第十一章BJT的静态特性Npn反向放大模式第十一章BJT的静态特性双极型晶体管的Ebers-Moll（E-M）模型第十一章BJT的静态特性埃伯斯-莫尔方程第十一章BJT的静态特性pnpECBECBE-M模型把晶体管看作具有公共区域的两只背靠背连接的二极管，对于pnp晶体管，n型基区就是背靠背连接的二极管的公共区域。BJT正偏，流过发射结电流IF，在放大工作状态，从发射结注入基区的少子大部分到达集电极，这部分电流由电流源FIF表示，F共基极放大系数。反向工作状态.......第十一章BJT的静态特性11.2理论和实验的偏差1。理想特性曲线和实验的比较理论曲线：IE与VCB无关实验曲线：VEB一定时，IE随VCB

的增加而增大。这是因为晶体管的基区很薄，VCB增大时集电结耗尽层变宽，有效基区宽度变窄，导致基区中注入空穴浓度梯度变大，所以同样的VEB，IE随VCB增加而增加。共基极的输入和输出特性曲线基区宽度调制效应第十一章BJT的静态特性共基极输出特性曲线特点理论和实验曲线之间具有很好的一致性。区别：理论曲线对加在晶体管的电压没有限制实际器件存在击穿电压VCBO第十一章BJT的静态特性共发射极的输入和输出特性曲线理论曲线实验曲线第十一章BJT的静态特性实验和理论曲线的主要区别：IC随VEC的增加而逐渐增加2.当VEC增大到一定值时，晶体管发生击穿共发射极输出特性曲线的特点共发射极输入特性曲线的特点理论和实验曲线符合的很好第十一章BJT的静态特性（1）VCE=0V，即集电极与发射极相接，相当于集电结与发射结两个p-n结并联，所以此时的输入特性应为两个二极管并联后的特性。（2）VEC>0V,发射结正偏，集电结反偏，三极管处于放大状态，发射区注入的空穴只有极小部分在基区复合，大部分被集电极收集。因此对应于相同的VEB，当VEC>0V时，流向基极的电流比VEC=0V时小了，特性曲线右移。（3）从理论上讲，VEC继续增大，特性曲线还将继续右移，但当VEC>1V,只要VEB一定，则从发射区注入基区的空穴数一定，集电极上的反偏电压已足以将发射区注入基区的空穴全部收集到集电极，因此即使VEC继续增大，IB也不会明显减少，特性曲线几乎与VCE=1V时重叠在一起。所以输入特性曲线一般只用两条来描述。共发射极输入特性曲线的特点第十一章BJT的静态特性2.基区宽度调制效应基区准中性宽度随外加电压VEB和VCB的变化而变化的现象叫基区宽度调制效应或厄利效应（Early效应）第十一章BJT的静态特性基区宽度调制效应对BJT特性参数的影响第十一章BJT的静态特性基区宽度调制效应对共基输入和共发射极输出的影响大第十一章BJT的静态特性基区宽度调制效应对共基输入特性曲线的影响大VEB一定，VCB增加，W减小，IE增加exp(qVCB/kT)0W/LB<<1，展开小量忽略展开去一级小量第十一章BJT的静态特性基区宽度调制效应对共发射极输出的影响大C-B结反向电压增加，W减小，随VEC的增加而增加，IB给定后，IC随VEC的增加而略有增加第十一章BJT的静态特性基区宽度调制效应对共基输出和共发射极输入影响小。

W的变化对dc的影响非常小，ICBO也与W的变化几乎无关，所以基区宽度调制效应对共基输出特性影响较小第十一章BJT的静态特性晶体管的掺杂和偏置模式对基区宽度调制效应的灵敏度：NE>>NB>NC,E-B结耗尽区主要在B区，VEB很小，对基区宽度调制影响小，C-B结的耗尽层宽度大部分位于C区，使对基区宽度调制的影响减小到最小。但是若在倒置模式下工作，基区宽度调制效应将会很明显。第十一章BJT的静态特性3.穿通基区宽度调制效应最终导致的W0的物理状态。穿通发生，E-B结和C-B结就静电联结在一起，导致大量的载流子从发射区直接注入集电区，击穿电压和穿通电压先发生者决定了BJT的VCBO和VCEO电场EVEBO:集电极开路，发射极-基极击穿电压。

VCEO:基极开路，集电极-发射极的击穿电压。VCBO：发射极开路，集电极-基极的击穿电压第十一章BJT的静态特性发射极开路时流过CB结的饱和电流基极开路时流过CB结的饱和电流第十一章BJT的静态特性第十一章BJT的静态特性4。雪崩倍增和击穿共基极：放大模式下，加在C-B结的电压增加，穿过C-B耗尽区的载流子增加，获得的动能增加，碰撞晶格离子产生更多载流子，发生雪崩击穿。

倍增系数m=3-6非对称掺杂结第十一章BJT的静态特性共发射极击穿共发射极击穿电压VCEO<VCBO0-注入基区的空穴1-扩散到C-B结边界2空穴碰撞C-B耗散区内的晶格，产生电子空穴3电子被扫回基区，多余电子导致基区多子失去平衡共基极，多余电子流出基极共发射极，多余电子注入发射区，从而导致附加的空穴注入基区，随着附加空穴的注入，在C-B耗尽区会有附加的载流子倍增，导致更大的集电区电流，IC时的VEC远小于CB结的击穿电压第十一章BJT的静态特性

考虑C-B耗尽区内的载流子倍增ICP=MTIEPMT代替T，Mdc代替dc，根据公式10.15M1/dc,时IC利用设VBR=VCBOVA=VCEO第十一章BJT的静态特性ICBO与ICEO的关系ICBO是流过集电极的反向饱和电流，主要是集电结附近热产生的电子被扫入基区形成的电流ICEO是基极开路时，集电极-发射极的电流，此时集电结强反偏，发射结弱正偏，发射结有微弱的空穴注入，所以ICEO>>ICBO共基极共发射极与共发射极的公式对比第十一章BJT的静态特性5.几何效应在理想BJT模型中，电流被假定为是“一维”的，即从发射区注入到基区的载流子是直线移动到集电区的，而实际BJT中并非如此，因而使理想结构给出的结果与实际情况有一些偏差。第十一章BJT的静态特性基区扩展电阻和发射极电流集边效应发射区面积集电区面积串联电阻：它使E-B结的电压降低IBrB,虽然其值很小，但对发射区电流影响很大，因电流是结电压的指数函数。

第十一章BJT的静态特性在晶体管工作时，基极电流在基区中平行于结面流动，基极电流是一股漂移电流，因此，在基极电流流动的方向产生电压降，使发射－基极结面的不同位置处于不同的正向偏压下，在发射极条边缘位置的结偏压最高，中心结偏压最低，因而在整个发射结面的注入是不均匀的，大部分注入电流通过发射极的边缘，这种注入电流向发射结边缘集中的现象称为发射极电流集边效应。基区扩展电阻和发射极电流集边效应第十一章BJT的静态特性在功率BJT中，流过BJT的电流较大，电流集边和因此导致的局部过热特别有害，所以在功率BJT中，发射极和基极采用如下图所示的梳状结构第十一章BJT的静态特性理想BJT看作本征晶体管，串联电阻包括体电阻和接触电阻之和，实际的E-B结和C-B结的电压为：考虑串联电阻效应后BJT的等效电路第十一章BJT的静态特性6。复合-产生电流在理想BJT中，忽略了E-B结和C-B结耗尽区内的热复合-产生电流。实际BJT中，如SiBJT在室温下就发现有显著的复合-产生电流。在放大模式下，E-B结中的复合-产生流成为基区电流的主要成分，使发射效率和电流放大系数变小。输入端开路时，C-B结的复合-产生流会使ICBO和ICEO增加但是，对于BJT，在大多数情况下，输入和输出电流都主要以发射区注入的电流为主。第十一章BJT的静态特性7.缓变基区基区内的杂质分布不是常数，而是从E-B结处的最大值“缓变”到C-B结处的最小值。基区杂质分布的浓度梯度，使基区存在内建电场，电场帮助少子以更快的速度穿过基区，即减少了基区渡越时间，减少了基区内的复合，增加了基区输运系数和电流放大系数，同时也改善了高频响应速度。第十一章BJT的静态特性热平衡时，扩散流=漂移流第十一章BJT的静态特性8BJT的品质因素

借助图形显示的“品质因素”，可以迅速地了解实验结果与理想结果的偏差程度

Gummel图-同时记录IB和IC随输入电压VEB变化的半对数图理想情况：IC，IB都是一条直线，斜率为q/KT

实际情况：VEB较小时，复合-产生流使实际的基极电流明显增大。

VEB较大时，集电极电流开始向水平方向倾斜并趋于饱和，主要是由于大注入效应，串联电阻效应和电流集边效应引起的第十一章BJT的静态特性8BJT的品质因素BJT的Gummel曲线共发射极直流电流增益与输出电流的关系第十一章BJT的静态特性11.3现代BJT结构1.多晶硅发射极(应用于集成电路中）2.异质结三极管（HBT）(高频高速应用）第十一章BJT的静态特性

1多晶硅发射极多晶硅发射极的BJT的理想横截面图第十一章BJT的静态特性采用多晶硅发射极的优势：1适合制作现代IC所需的浅发射区/基区结2它的共发射极电流放大系数大

第十一章BJT的静态特性现代IC中，为提高工作速度，采用薄发射区，即WE/LE<<1，在发射区的复合可忽略，此时发射区少子分布成为位置的线性函数，在放大模式