双极型晶体管

双极型晶体管第1页，共73页，2023年，2月20日，星期三第3章双极型晶体管3.1结构3.2放大原理3.3直流电流增益3.4反向直流特性3.5开关作用第2页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.1晶体管的基本结构及杂质分布3.1.1晶体管的基本结构 由两个靠得很近的背靠背的PN结构成NPNcbecbePNP第3页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.1晶体管的基本结构及杂质分布3.1.2BJT的杂质分布1.锗合金管-均匀基区晶体管特点：三个区杂质均匀分布2结为突变结

2.硅平面管-缓变基区晶体管特点：E、B区杂质非均匀分布2结为缓变结第4页，共73页，2023年，2月20日，星期三第5页，共73页，2023年，2月20日，星期三第6页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.1晶体管的基本结构及杂质分布“背靠背”的2个二极管有放大作用吗？3.1.3、结构特点（1）基区宽度远小于基区少子扩散长度

(WB

<<L)（2）发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度

(NE>>NB)发射区集电区基区发射结集电结发射极集电极基极第7页，共73页，2023年，2月20日，星期三NPN晶体管的几种组态共基极共射极共集电极3.2晶体管的放大原理第8页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.2.1、晶体管中载流子的传输

以共基极为例：1、发射结的注入2、基区的输运与复合3、集电极的收集WBIneIncIrIpeICBOIEICIB第9页，共73页，2023年，2月20日，星期三各区少子分布能带图第10页，共73页，2023年，2月20日，星期三NPN晶体管的电流转换Ine:发射结正向注入电子电流Ipe:发射结反向注入空穴电流Irb:基区复合电流Inc:集电结电子电流Icbo:集电结反向饱和电流第11页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.2.2、发射效率及基区输运系数

1、发射效率r0第12页，共73页，2023年，2月20日，星期三2、基区输运系数β*3、集电区倍增因子第13页，共73页，2023年，2月20日，星期三1.共基极直流电流放大系数

2.共射极直流电流放大系数3.2.3、晶体管电流放大系数其中令α*＝1。第14页，共73页，2023年，2月20日，星期三

晶体管放大三要素：①Wb<<Lnb，实现不衰减的电流传输。②发射结为单边突变结，NE>>NB

。③发射结正向偏置，集电结反向偏置。第15页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益任务：导出α0、β0的定量关系式第16页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3.1均匀基区晶体管的电流增益均匀基区晶体管直流电流增益推导思路对发射区、基区、集电区分别建立连续性方程；利用波尔兹曼分布关系建立边界条件；解扩散方程得到各区少子分布函数；利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数；由电流密度分布函数得到jne,jnc,jpe；求出发射效率和输运系数；得到共基极和共射极电流放大系数。第17页，共73页，2023年，2月20日，星期三以共基极连接为例，采用一维理想模型发射结正向偏置，集电结反向偏置WBIneIncIrIpeICBOIEICIB第18页，共73页，2023年，2月20日，星期三发射区集电区基区发射结集电结发射极集电极基极WeWbWc第19页，共73页，2023年，2月20日，星期三一、少数载流子分布（1）基区“少子”电子密度分布WB0nB(x)第20页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益一、少数载流子分布（2）发射区少数载流子分布x0pE(x)第21页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益一、少数载流子分布（3）集电区少数载流子分布x0pC(x)第22页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益二、电流密度分布函数第23页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益第24页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益三、直流电流增益1.发射效率γ02.基区输运系数β*第25页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益3、共基极电流增益或者其中：ρ为电阻率第26页，共73页，2023年，2月20日，星期三

4、共射极电流增益第27页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益3.3.2缓变基区晶体管的电流增益一、缓变基区晶体管基区自建电场对载流子的影响基区自建电场多子：维持分布少子：阻滞、加速通常阻滞区很小，可以忽略不计。第28页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益（1）基区自建电场计算公式（2）基区杂质分布指数近似第29页，共73页，2023年，2月20日，星期三二、发射区自建电场第30页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益

三、缓变基区晶体管电流增益推导思路

A、先忽略基区中少子复合。

B、利用：“电流＝少子扩散电流＋在自建电场作用下的漂移电流”关系，得到基区和发射区少子密度分布函数

η=0123xnB(x)基区少子分布：(3.3.46)当基区杂质指数分布时(3.3.47)第31页，共73页，2023年，2月20日，星期三根据(3.3.46)，利用类似可得到发射区电流：第32页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益C、利用

把(3.3.47)代入得到基区复合电流第33页，共73页，2023年，2月20日，星期三D、引入平均杂质浓度的概念求出jne

和jpe

，得到发射效率E、得到共基极和共射极电流放大系数第34页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益四、电流增益（1）发射效率第35页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益（2）输运系数其中，λ是与电场因子η有关的系数。均匀基区晶体管：λ=2基区杂质线性分布：λ=4基区杂质指数近似：第36页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益（3）共基极电流增益（4）共射极电流增益发射效率与均匀基区形式相同第37页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3

晶体管的直流电流增益3.3.3

提高放大系数的途径

1、减小基区宽度；

2、提高发射区的杂质浓度与基区杂质浓度比NE/NB↑；

3、提高基区电场因子；

4、提高基区“少子”寿命。第38页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.3.4影响电流放大系数的因素1.发射结势垒复合对电流放大系数的影响考虑势垒复合电流Ire后，小电流下的电流放大系数降低，大电流下Ire可以忽略。第39页，共73页，2023年，2月20日，星期三2.发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响发射区过重的掺杂不仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低1）形成杂质带尾，禁带变窄发射区有效杂质浓度降低为:发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。第40页，共73页，2023年，2月20日，星期三2）俄歇复合（带间直接复合）发射区少子空穴寿命随着俄歇复合的增加而降低。

俄歇复合通过复合中心复合少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率↓。

第41页，共73页，2023年，2月20日，星期三表面复合对基区输运系数的影响可表示为对均匀基区：对缓变基区：S为表面复合速率体复合表面复合3.基区表面复合基区表面复合使基区输运系数变小，电流放大系数下降。第42页，共73页，2023年，2月20日，星期三

共射极输出特性曲线上VBC

＝0点的切线与VCE

轴负方向交于一点，该点电压称为Early电压。VEA越大，说明基区宽变效应越小。ICVCE－VEAIB增大基区有效宽度随集电结偏压而变化的现象称为基区宽度调变效应（厄尔利效应）4.基区宽变效应有宽变效应的电流放大系数：基区变窄：发射效率和基区输运系数增加。第43页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.4晶体管的特性参数3.4.1晶体管的放大系数共基极直流放大系数和交流放大系数0

、两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、第44页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.4.2

晶体管的反向电流一、定义

晶体管某二个电极间加反向电压，另一电极开路时流过管中的电流称其反向电流。1、IEBO：集电极极开路，发射极与基极间反偏，流过发射结的电流。2、ICBO：发射极开路，集电极和基极间反偏，流过集电结的电流。3、ICEO：基极开路，发射极和集电极间反偏，流过发射极和集电极的电流。IVIeboIVIcboIVIceo第45页，共73页，2023年，2月20日，星期三二、反向电流的来源 实际的晶体管反向电流应包括反向扩散电流，势垒产生电流和表面漏电流。对Ge管：主要是反向扩散电流对Si管：主要是势垒产生电流，表面电流视工艺而定共基极接法，信号放大的同时，相应的漏电流也增大了倍第46页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.4.3晶体管的击穿电压1、BVebo2、BVcbo3、BVceo定义：某一极开路，另二极所能承受的最大反向电压。4、基区穿通电压VPT

：集电极开路时e-b间反向击穿电压。：发射极开路时c-b间反向击穿电压。：基极开路时e-c间所能承受的最高反向电压。基区穿通：外加电压使发射结和集电结的势垒区在基区相连。第47页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.4.4基极电阻基极电流为横向电流，基区掺杂浓度低，且很薄，这个电阻不可忽略。基极电阻会造成发射极电流集边效应，导致发射结有效面积降低。基极电阻rb：扩展电阻，包括基区体电阻和基极电极引出线处接触电阻。第48页，共73页，2023年，2月20日，星期三截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值。截止频率f

：同上。特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率。最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率。6分贝倍频程段（频率增加一倍，放大系数减小6dB）3.4.5晶体管的频率特性参数第49页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.5双极晶体管直流伏安特性3.5.1均匀基区晶体管直流伏安特性第50页，共73页，2023年，2月20日，星期三第51页，共73页，2023年，2月20日，星期三于是得到发射极电流第52页，共73页，2023年，2月20日，星期三集电极电流第53页，共73页，2023年，2月20日，星期三第54页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.5.3晶体管直流特性曲线一、共基输入、输出特性曲线Vcb↑，曲线左移，基区宽变效应使基区输送系数和发射效率增大，导致IE增大；Ie＝0，对应Ic＝Icbo；Vcb＝0，Ic≠0；BC结正偏，Ic才能为0。第55页，共73页，2023年，2月20日，星期三3.5.3晶体管直流特性曲线二、共射输入、输出特性曲线Ib＝0，对应Ic＝Iceo；Vce↑，Vcb↑,Wb↓，β↑，曲线倾斜；小电流和大电流时，β↓，曲线较密。Vbe＝0，Ib＝-Icbo；Vce↑，Wb↓，Ib↓，曲线右移。第56页，共73页，2023年，2月20日，星期三一、晶体管的工作状态

晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定，如图可分为三个区。当晶体管处于倒向运用状态时，也同样存在以上三个区，但截止区和饱和区是一样的。只注意反向放大区即可。3.6晶体管的开关特性第57页，共73页，2023年，2月20日，星期三各工作区中结的偏置情况和电流关系工作区正向放大区反向放大区饱和区截止区发射结偏置VBE>0（正偏）VBE<=0(反偏）VBE>0（正偏）VBE<0(反偏)集电结偏置VBC<=0(反偏）VBC>0(正偏）VBC>=0（正偏）VBC<0（反偏）电流关系IC＝βIbIC＝βR

IbIC<=βIb

IC=ICE≈0Vcc,VBB为集电极和发射极的反向偏置电压。RL：负载电阻第58页，共73页，2023年，2月20日，星期三截止区（当VI为负脉冲或零时）

IB＝IEBO＋ICBO此时流过RL的电流很小，所以Vo≈VCC第59页，共73页，2023年，2月20日，星期三饱和区（当VI为>>VBB的正脉冲信号时）

Vi>>VBB+VBE进入饱和的原因：1、从外电路来看，是由于RL限制；2、从晶体管内部来看，多余的IBX注入基区，导致发射结和集电结电压都同步增加，导致基区两端少子浓度同步增加，但浓度梯度不变，所以基区少子扩散电流不变，导致ICS基本不变。第60页，共73页，2023年，2月20日，星期三正向压降和饱和压降Vbes：晶体管驱动到饱和时，be间电压降称为共射极正向压降。

Vces：晶体管驱动到饱和时，ce间电压降成为共射极饱和压降。很小集电区体电阻压降第61页，共73页，2023年，2月20日，星期三小结：饱和态晶体管的特点：(1)饱和电流(4)产生超量贮存电荷第62页，共73页，2023年，2月20日，星期三

在放大电路中，晶体管作为放大元件；但在逻辑电路中，晶体管是作为开关元件的。二、晶体管的开关作用（以共射极电路为例）截止区---关态饱和区---开态第63页，共73页，2023年，2月20日，星期三三、晶体管的开关过程延迟过程td：VI加入→Ic=0.1Ics；上升过程tr：Ic从0.1Ics→0.9Ics；贮存过程ts：VI去掉→Ic=0.9Ics；下降过程tf：Ic从0.9Ics→0.1Ics；开启时间ton＝td+tr；关断时间toff＝ts+tf；第64页，共73页，2023年，2月20日，星期三1、延迟过程集电结发射结延迟开始反偏（-5V）反偏（-1V）延迟结束反偏（-3.5V）正偏（微通，0.5V）第65页，共73页，2023年，2月20日，星期三Vi>>VBB+VBE，满足发射结导通的条件，IB出现，给CTC和CTE充电，反偏结电压降低；CTE继续充电到正偏，IB开始给CDE充电，IC由0→0.1ICS。由于CTC上反偏电压较大，所以仍维持反偏。第66页，共73页，2023年，2月20日，星期三2、上升过程集电结发射结上升开始反偏（-3.5V）微通（0.5V）上升结束接近零偏（0－V）正偏（0.7V）第67页，共73页，2023年，2月20日，星期三CTC继续充电，反偏集电结电压降低到接近0V；CTE继续充电到0.7V，CD