半导体器件物理（第2版） 第3章 双极型晶体管

晶体管的基本结构NPN管与PNP管的区别平面晶体管的构造010203一、晶体管的基本结构与符号MPN管PNP管两种三极管基本上来说结构是一样的。只不过工作区的掺杂类型会有所区别。一、晶体管的基本结构与符号虽然发射区和集电区都是N型的。但是这两个工作区他们是不能互换的，因为这两个工作区的掺杂浓度和大小都是不一样的。集电极发射极基极CBENPN集电区集电结基区发射结发射区CBE一、晶体管的基本结构与符号他的工作区的掺杂类型与MPN管恰好相反。其符号当中的箭头方向与NPN管的箭头方向也是恰好相反。说明PNP管当中工作电流的流向是从发射级指向集电极。集电极发射极基极CBNPN集电区集电结基区发射结发射区CBECBE集电极集电区集电结发射极发射结发射区基极基区CBE EPNP二、制造PN结的方法CB在原型的Ge衬底两边放上杂质铟，经过高温熔融烧结之后，就会形成PNP的结构。EIn

GaN

-

GeWbPPx

jex

jcInPNA

ND1019

cm-31018

cm-3N1015

cm-3x

jex

je

Wb0xP二、制造PN结的方法BEIn

GaN-

GeWbPPx

jex

jcInNA

ND1019

cm-3CP1018

cm-3N1015

cm-3x

jexje

Wb0xP发射区基区和集电区当中的杂质浓度是均匀的，只有在PN结交界面的位置才会发生突变。发射区和集电区的杂质浓度都较高，要远高于基区的杂质浓度。二、制造PN结的方法在一块N形的衬底上。先生长二氧化硅层。然后在二氧化硅层上。光刻开出窗口来进行掺杂。CAlbEPNN

Wx

jcBSiO

2BN

x

jex

je0xND

NAx

jcPNN二、制造PN结的方法首先通过棚掺杂得到P型的掺杂区。与此同时，还重新生长二氧化硅层。然后再次开出窗口。进行磷扩散。得到N+参杂区。最后再制作金属电极和半导体接触。构成了双极型晶体管。二、制造PN结的方法CAlbE2SiOPNN

Wx

jcBBN

x

jex

je0xND

NAx

jcPNNN+：发射区N型：集电区P型：基区它是由两次扩散来得到基区和发射区。这样的晶体管，我们也把它称为是双扩散管。二、制造PN结的方法CAlbEPNN

Wx

jcBSiO

2BN

x

jex

je0xND

NAx

jcPNN外延层材料和衬底材料，晶向等特性是一样的。但是掺杂浓度有所区别。有利于我们进行调整双极型晶体管特性。发射区是最小的基区居次是位于集电区当中工作区域范围最大的是集电区发射区的浓度是最高远高于集电区和机区的浓度集电区的浓度相对是最低的一个二、制造PN结的方法CAlbPNN

Wx

jcB E BSiO

2N

x

jex

je0xND

NAx

jcPNN晶体管各掺杂区的杂质分布01晶体管各掺杂区的少子分布02一、NPN管中的热平衡载流子浓度分布发射区基区和集电区杂质均匀分布发射区浓度最高。基区浓度次之。集电区浓度最低。一、NPN管中的热平衡载流子浓度分布�e0热平衡状态下e区的电子浓度�e0热平衡状态下e区的空穴浓度��0

热平衡状态下b区的电子浓度�b0

热平衡状态下b区的空穴浓度�c0

热平衡状态下c区的电子浓度�c0热平衡状态下c区的空穴浓度一、NPN管中的热平衡载流子浓度分布发射区当中的电子浓度要远高于空穴浓度。集电区当中的电子浓度也要远高于空穴浓度。基区当中的空穴浓度要远高于电子的浓度。假如说我们给NPN管加上一个外部的电压，就有电注入到双极型晶体管当中。在这种情况下，双极型晶体管当中的发射结和集电结都处于非平衡状态。二、晶体管的少数载流子分布二、晶体管的少数载流子分布发射结正偏集电结反偏发射区少子浓度分布类似于正向PN结中少子浓度分布情况。集电区少子浓度分布类似于反向PN结中少子浓度分布情况。二、晶体管的少数载流子分布近发射结边界处的少子浓度比较高。近集电结边界处的少子浓度比较低。晶体管中载流子的传输过程01晶体管中的电流传输02晶体管的三极电流关系03一、晶体管的载流子传输ECB����到达基区的这一部分电子会有一小部分和基区当中的空穴相遇复合损失，而剩下来的大部分的电子能够到达集电结的边界处。发射区当中的多数载流子电子会在正向偏置的电压的作用下向基区注入。一、晶体管的载流子传输由于集电结现在处于反向电压的作用下。在反向电压的作用下，就能够将集电子拉入集电区。发射区当中的多数载流子电子会在正向偏置的电压的作用下向基区注入。ECB����一、晶体管的载流子传输������������������ECB���������1�2�3�4���

发射区注入基区的电子电流���基区注入发射区的空穴电流���

到达集电区的电子电流���基区中的复合电流一、晶体管的载流子传输������������������ECB���������1�2�3�4����集电结反向饱和电流一、晶体管的载流子传输发射区是发射载流子基区的输运集电区收集发射区是发射载流子一、晶体管的载流子传输基区的输运集电区收集��

=���+

�����

=���+���−������

=���

+

����一、晶体管的载流子传输发射区发射载流子经过基区输运，最终到达集电区，因此发射极电流就等于基极电流和集电极电流。��

=��

+

��一、晶体管的载流子传输在发射区当中还没有发射之前就和来自于机区的空穴复合损失掉一部分。电子传注入到机区之后和机区内部的空穴负荷损失掉的一部分。缓变基区晶体管中的杂质分布缓变基区晶体管中自建电场的形成0102

缓变基区晶体管中自建电场对载流子输运的影响03一、缓变基区晶体管P型

xN(x)Pb

(x)

Nb

(x)E等效正电荷区等效负电荷区是指基区当中的杂质浓度分布并不是均匀的，而是缓慢变化的。一、缓变基区晶体管xN(x)Pb

(x)

Nb

(x)E等效正电荷区等效负电荷区扩散运动靠近发射结一侧的空穴会向集电结一侧扩散。渐渐的集电结一侧的空穴会增多，而发射结一侧留下来的带负电的受主离子会变多。一、缓变基区晶体管xN(x)Pb

(x)

Nb

(x)E等效正电荷区等效负电荷区靠近集电结一侧存在带正电的空穴。靠近发射结一侧存在带负电的受主杂质离子。电场的存在会阻止空穴的扩散但能促进电子的运动一、描述晶格的基本方法自建电场的存在对于电子在基区当中的输运来说反而是有利的。可以加速电子在基区的输运，从而提高晶体管的电流放大能力。由于电子带负电。所以电子恰好会在电场的作用下向着集电结的方向运动。方块电阻的定义方块电阻的物理意义影响方块电阻大小的因素010203用来描述一个薄层材料导电性能的强弱而引入的物理量，也称为是薄层电阻。一、方块电阻的概念�����一、方块电阻的概念� � � ��=��=�𝒂=

������一、方块电阻的概念方块电阻的大小和方块的边长是没有任何关系。和边长a是大一点还是小一点都没有关系。在同一个半导体材料当中。取任意边长的正方形。其方块电阻值都是一样的。����=

�������共基电流放大系数共射电流放大系数提高晶体管电流放大能力的途径010203α0当在基极和发射极之间接一个电源，

集电极和基极之间接一个电源。同时基极接地的时候，我们就称为是共基极。一、共基极直流电流放大系数α0N+PN�� B��E��C一、共基极直流电流放大系数α0��=

����N+PN������ BEC一、共基极直流电流放大系数α0N+PN������ BEC它反映了发射极输入电流

��中有多大比例的电流能够最终传输到集电极，成为输出电流

��

。一、共基极直流电流放大系数α0α0

始终是小于一。我们希望它越接近于一越好，越接近于一，就表示能够到达集电极的数量就越多。一、共基极直流电流放大系数α0发射区当中，电子还没有发射时，就已经和来自于基区的一部分空穴损失掉了。发射出去的电子到达基区中损失掉的这一部分。γ0一、共基极直流电流放大系数α0�=

������

=������+

���=��+

�������∗� =�������∗� =��� −

������=�

−�������� =� ���

��≈ =� �� ���

�����

���=

�

�� �∗二、共发射极直流电流放大系数��=

����PN������CN+BE以基极和发射极之间作为输入。集电极和发射极之间作为输出。α0和β0的关系α0永远小于一，但接近于一β0在20到200之间三、α0和β0的关系�� =

��

=���� ��

−

��=��

���

−

�� ��=���−

��基极电流微小的变化就有可能引起集电极电流很大的变化，换句话说，就表明晶体管具有电流放大能力。四、提高晶体管电流放大能力的途径b度Lnb

。发射结正偏，集电结反偏。发射区的杂质浓度远高于基区杂质浓度。要实现良好的电流放大能力，我们要让发射结正偏，这样会更有利于电子的注入基。区宽同度时W还远小于基区少子扩散长，偏反结电集让要 有利于电子的收集。�缓变基区晶体管的��，�∗缓变基区晶体管的电流放大系数提高缓变基区晶体管电流放大系数的途径010203一、缓变基区晶体管的电流放大系数�

=11+

������=11+

���������0�∗=1

−������4������=

1

−

�

=

1

−

��2 �2��4�2缓变基区晶体管的电流放大系数0�0=�0�∗=1���1+

����2��4�2(1

−

�

)一、缓变基区晶体管的电流放大系数缓变机区晶体管中，由于存在自建电场，有利于加速电子在基区当中的输运。所以缓变基区晶体管的电流放大能力应该强于普通的均匀基区晶体管。一、缓变基区晶体管的电流放大系数减小基区平均掺杂浓度。减薄基区宽度Wb以提高RsB

。提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。一、缓变基区晶体管的电流放大系数提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合。提高基区载流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度。伏安特性曲线的意义共基极输入特性曲线共基极输出特性曲线010203可以描述晶体管各电极的电流与电压之间的关系。能够反映出晶体管内部所发生的物理过程及晶体管中各直流参数的优劣情况。一、晶体管特性曲线共基极：将基极接地以基极和发射级之间作为输入。集电极和基极之间作为输出。二、共基极输入特性曲线��/mA���/V���=

10V5V0V00.2 0.4 0.6 0.8二、共基极输入特性曲线���/V��/mA���=

10V5V0V00.2 0.4 0.6 0.8集电结上所加的反向电压增大集电结势垒区宽度增大基区当中的少子浓度梯度增大发射极电流会有所增加二、共基极输入特性曲线��/mA���/V���=

10V5V0V00.2 0.4 0.6 0.8基区宽变效应：随反向电压增加，集电结势垒区宽度变大，有效基区宽度减小。随着���的增加

��也增加UCB>0

集电区收集电子

IC≈IE

基本与UCB无关。三、共基极输出特性曲线UCB=0

由于基区与集电结边界处电子浓度应该维持平衡时浓度，所以

IC

基本不变。UCB<0

集电结正偏，无法收集电子，所以IC下降为0

。������� /���/mA�������

=

�mA�mA�mA�mA�mA�mA� ��共射极输入特性曲线共射极输出特性曲线扼雷效应010203共发射级发射级作为公共端。基极和发射级之间作为输入。一、共射极输入特性曲线��/μA��� /V��=

0V5V0.2

0.4

0.6

0.8204060800����集电极和发射极之间作为输出。一、共射极输入特性曲线� /V5V0.2

0.4

0.6

0.8

��204060��/μA��=

0V800����随着VCE的增大。基极电流反而会有所减小。由于随着���的增加。由于���是保持不变的，所以实际上���是在增加，也就是集电结的反向电压在增加，因此集电结势垒区的宽度在变大。基区的有效宽度在减小，这就是我们前面所说的基区宽变效应。一、共射极输入特性曲线��� /V5V0.2

0.4

0.6

0.8204060��/μA��=

0V800����由于有效基区宽度减小。实际的基区复合发生的情况也会减少。因此基极电流会减小。才会出现特性曲线会随着VC的增加而向右移动这样的结果。随着���

的增大。基极电流反而会有所减小。CE随U 增大，晶体管的基区有效宽度减小，电流放大系数β增大，

IC随UCE增大而略微增加，所以输出特性曲线微微向上倾斜。二、共发射极输出特性曲线24608 10���/V��/mA��

=

50μA24681030μA20μA10μA0μA40μA扼雷效应反向电流的物理意义01ICBO，ICEO，IEBO的定义02一、晶体管的反向电流NPNBE����CICBO发射级开路时，集电极和基极之间的反向电流。发射极开路不接任何的外部。电源外部信号控制。在基极和集电极之间加一个反向电压来测此时的电流。一、晶体管的反向电流����在集电极开路时发射极和基极之间的反向电流。集电极开路，在基极和发射极之间加一个反向电压测此时的电流。EBCN P N����一、晶体管的反向电流NPCB����EBCN P N����NE����和����它就对应的是集电结和发射结工作在反偏状态下时候如的果反我向们电测流得。一、晶体管的反向电流ICEO基极开路时集电极和发射极之间的反向电流。基极悬空。外电压作用下，集电结反偏，发射结正偏。基本开路，无外电路提供I，ICB BO相当于IB。NPNCBE����一、晶体管的反向电流NPNCBE������� =

���������=����+���

=(1+�)����式中的�是集电极电流为����时的小电流放大系数，比正常工作时的�要小得多。因此，一般来讲����比�𝑬�大不了多少。一、晶体管的反向电流对于晶体管的放大作用没有贡献。不受输入电流的控制。容易产生功耗。我们希望反向电流越小越好。我们要严格按照工艺规范操作，减少沾污，减少反漏电流，改善晶体管的结构参数来改善等。BUEBOBUCBOBUCEO010203是晶体管的一个非常重要的参数。它表示了晶体管所能承受电压的上限。晶体管的击穿电压晶体管的击穿电压AlbEPN

Wx

jcBSiO

2BNN

Cx

je即发射结的击穿电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。对于平面管来说，由于发射结由两次扩散形成，表面处结两边杂质浓度最高，因此雪崩击穿电压在结侧面最低。晶体管的击穿电压AlbEPN

Wx

jcBSiO

2BNN

Cx

je击穿电压和杂质浓度成反比。而发射结侧面掺杂浓度是最高的，在这个位置最容易击穿，而一旦这个位置击穿了，发射结也就击穿了。晶体管的击穿电压是由它最低的击穿电压来决定的。晶体管的击穿电压即集电结的击穿电压，一般为集电结雪崩击穿电压。如果是外延平面管，当外延层厚度小于在击穿电压下的势垒区宽度时，击穿电压将降低。bEPNN

Wx

jcBBN

Cx

jexmBxCW��=���

+���+

�晶体管的击穿电压即集电结的击穿电压，一般为集电结雪崩击穿电压。如果是外延平面管，当外延层厚度小于在击穿电压下的势垒区宽度时，击穿电压将降低。bEPNN

Wx

jcBBN

Cx

jexmBxCW��=���

+���+

�晶体管的击穿电压bPNN

Wx

jc即集电结的击穿电压，一般为集电结雪崩击穿电压。如果是外延平面管，当外延层厚度小于在击穿电压下的势垒区宽度时，击穿电压将降低。则外延层总厚度至少应为：B E BN

Cx

jexmBxCW��=���

+���+

�晶体管的击穿电压CbEPNN

Wx

jcBBN

x

jexmBxCW晶体管的击穿电压式中n为常数。集电结低掺杂区为N型时，硅管n=4，锗管n=3。集电结低掺杂区为P型时，硅管n=2，锗管n=6。�����≈

�������晶体管的击穿电压即集电结的击穿电压，一般为集电结雪崩击穿电压。如果是外延平面管，在制作的时候衬底上还有一个外延层。bEPNN

Wx

jcBBN

Cx

jexmBxCW当外延层厚度小于在击穿电压下的势垒区宽度时，击穿电压将降低。晶体管的击穿电压即集电结的击穿电压，一般为集电结雪崩击穿电压。如果是外延平面管，在制作的时候衬底上还有一个外延层。bEPNN

Wx

jcBBN

Cx

jexmBxCW��=���

+���+

�了解描述晶格的基本方法掌握晶向、晶面的概念和计算方法熟记常见的晶向和晶面010203

晶体是由晶胞周期性重复排列而成，整个晶体就像是网格，称为晶格。

组成晶体的原子或离子的中心位置称为格点，格点的总体称为点阵。一、描述晶格的基本方法XYZaa

bc

晶

轴按其晶胞的三维结构建立坐标轴；一般以晶格常数a作为晶轴的长度单位。一、描述晶格的基本方法二、晶向的概念与计算zybacl1x2ll3ORP

R

l1a

l2b

l3c若l1：l2：l3不是互质的，则要通过l1：l2：l3=

m：n：p化为互质整数，mnp就称为晶列指数，写作[mnp]，用来表示某个晶向。二、晶向的概念与计算XYZaa

R

aa

ab

aca

:

a

:

a

1

:

1

:

1三、晶面的概念与计算晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族，通常我们用晶面指数来表示晶面的不同取向。XYZa三、晶面的概念与计算首先确定该晶面在晶轴上的三个截距，并以晶格常数为单位表示截距值。然后取截距的倒数，并化简成最简单的整数比。最后将此结果以“(hkl)”表示，即为此平面的晶面指数。三、晶面的概念与计算a3axyz2a0:1

:

1 1a 3a 2a

6

:

2

:

3解：答：该晶面的晶面指数为：（623）四、三种重要的晶面和晶向XZaXYZaY[100](100)立方晶格中晶列指数和晶面指数相同的晶列和晶面是相互垂直的，如[100]晶向和（100）晶面垂直。四、三种重要的晶面和晶向YXZaaXYZaa[111](111)四、三种重要的晶面和晶向YZaaYXZaa[110]X(110)沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同，这就是晶体的各向异性。什么是势垒穿通现象势垒穿通电压势垒穿通的影响010203

晶体管实际工作时会出现虽然还没达到理论的击穿电压，但电流IC仍突然增大的现象。

实际上，此时晶体管并未引发雪崩击穿，但是由于势垒穿通，电流也会突然增大，表现出来的现象与击穿类似。晶体管的穿通电压晶体管的穿通电压随着集电结反向电压的升高，集电结势垒区宽度向两边扩展，使基区有效宽度减小。EBBN

PNN

C晶体管的穿通电压在一般双扩散型晶体管中，因为基区杂质浓度比集电区高，集电结势垒区主要向集电区扩展。而向基区扩展的比较少，一般不会和发射结势垒区相连。EPNN

BBN

C

由于材料缺陷或者工艺不良等原因，发射结结面会出现尖峰，该处的基区宽度较小，这样局部穿通就有可能发生。晶体管的穿通电压EPNN

BBN

C发射结势垒区的宽度已经扩展超过集电区。直接和发射区连通，这个时候基区原本的作用就消失了。此时我们就称为发生了穿通现象也就叫做势垒穿通。

由于材料缺陷或者工艺不良等原因，发射结结面会出现尖峰，该处的基区宽度较小，这样局部穿通就有可能发生。晶体管的穿通电压CEPNN

BBN

势垒穿通发生时所对应的UBC称为穿通电压，用UP表示。

势垒穿通后发射极和集电极连通在一起，电位相等。由于集电结上加了一个反向电压。在这种情况下。电压也就加在了发射极上。晶体管的穿通电压晶体管的穿通电压

势垒穿通后发射极和集电极连通在一起，电位相等。由于集电结上加了一个反向电压。在这种情况下。电压也就加在了发射极上。由于发射结的雪崩击穿电压较小，所以发射结此时容易击穿，会出现电流迅速增大的现象晶体管的穿通电压一旦发射结击穿，就会使电流迅速增大。虽然集电结上所加的电压还没有达到集电结反向击穿电压，但是已经测得电流迅速增加的现象了，这种情况就称为是穿通。穿通发生时候所造成的集电结的击穿电压应该考虑两部分。一部分是穿通电压，还有一部分是发射结的雪崩击穿电压。晶体管的穿通电压一旦发射结击穿，就会使电流迅速增大。虽然集电结上所加的电压还没有达到集电结反向击穿电压，但是已经测得电流迅速增加的现象了，这种情况就称为是穿通。由于UP和BUCBO都较小，所以发生势垒穿通后，晶体管的击穿电压会变小，更易出现击穿现象。晶体管的频率特性常用的频率参数晶体管的高频等效模型010203晶体管的频率特性和高频等效电路1.晶体管的频率特性

晶体管工作在直流信号作用下的一些特性。

组成晶体管在实际工作的时候，经常会在交流信号作用下工作。晶体管的频率特性和高频等效电路1.晶体管的频率特性

当输入信号为交流信号。随着信号频率的增加。晶体管的工作性能也会发生变化。横轴坐标表示的是输入信号的频率。纵轴坐标表示的是电流放大系数。晶体管的频率特性和高频等效电路1.晶体管的频率特性在频率较低的时候。电流放大系数基本上没有变化。而随着频率的增加，电流放大系数出现了明显的下降。

,

/

dB403020100

10T

f3dB3dBf

f f横轴坐标表示的是输入信号的频率。纵轴坐标表示的是电流放大系数。晶体管的频率特性和高频等效电路1.晶体管的频率特性当晶体管的工作频率高到一定程度的时候。电流放大系数的幅值会随着工作频率的增加而下降。

,

/

dB403020100

10T

f3dB3dBf

f f晶体管的频率特性和高频等效电路2.晶体管的频率参数

,

/

dB403020100

10fTf

3dB3dBff

α截止频率fαβ截止频率fβ特征频率fT最高振荡频率fm“ 频 率 参数”

：晶体管的频率特性和高频等效电路3.共基极高频等效电路eie

irccsrCcEreCerb

ibicCesrB为分析问题方便，常常用电阻、电容、恒流源构成的线性电路来等效晶体管的放大与输入、输出特性。晶体管的频率特性和高频等效电路3.共基极高频等效电路eie

irccsrCcEBE、B、C分别对应的发射极基极和集电极。现在我们相当于把晶体管平面化了。在发射极和基极之间存在了一些电阻和电容。reCerb

ibicCesr晶体管的频率特性和高频等效电路3.共基极高频等效电路eiibe

irccsrcCCEBreeCbrciesresr 表示的是发射区电阻re表示的是发射节的电阻Ce表示的是发射节的电容在解PN结的时候曾经介绍过PN结当中存在着电容，那么发射结也是一种PN结，所以它自己有电容Ce。在基极这边有一个电阻比表示的就是基区的电阻。晶体管的频率特性和高频等效电路3.共基极高频等效电路eie

irccsrCcEBreCerbibicCesr共基级的高频等效电路晶体管的频率特性和高频等效电路3.共基极高频等效电路eiibe

irccsrcCCEBreeCbrciesr电路输入电流ie输出电流ic

。ic等于阿尔法乘以

ie。输出电流ic是受输入电流控制的。我们可以依据这样的一个电路来分析，为什么在高频信号的工作情况下，晶体管的电流放大系数它的幅值会下降？高频时影响晶体管放大性能的因素01发射结电容对于晶体管频率性能的影响02集电结电容对于晶体管频率性能的影响03共基极高频等效电路高频时晶体管电流放大系数下降的原因eie

irccsrCcEBreCerbibicCesr发射结电容集电结电容电容它的特性是通交流隔直流，所以在直流工作的时候，这个电容的支路是不需要去考虑的，可是在交流工作的时候，电容的支路就需要考虑了。共基极高频等效电路高频时晶体管电流放大系数下降的原因eie

irccsrCcEBreCerbibicCesr电容在工作的过程当中，它有一个充放电的过程。充放电的过程，对于信号的相位、幅值都会产生影响。高频时晶体管电流放大系数下降的原因eie

irccsrCcEBreCerbibicCesr发射结势垒电容发射结扩散电容高频时晶体管电流放大系数下降的原因ineernei'CTei�′���

��

=1 j������

+

1 j����=11+

j������CTe由于存在势垒电容，就必然伴随了充放电的过程。导致同一时间内注入基区的电流占总电流的比例就会变小，发射效率减小。高频时晶体管电流放大系数下降的原因交流发射效率1�=�01+j������此时的伽马。等于伽马零乘以一个比例值。这个比例值和信号的频率、结电阻、结电容有关。ineerCTenei'CTei�����=��ineernei'iCTeCTe高频时晶体管电流放大系数下降的原因高频时晶体管电流放大系数下降的原因发射节扩散电容主要指的就是基区当中的扩散区部分所带来的影响，主要影响到的就是载流子在基区当中的输运的过程。发射节扩散电容主要指的就是基区当中的扩散区部分所带来的影响，主要影响到的就是载流子在基区当中的输运的过程。高频时晶体管电流放大系数下降的原因高频时晶体管电流放大系数下降的原因�∗=

�∗101+

j���交流基区输运系数β*的分析计算的方法和交流发射效率γ完全一样。高频时晶体管电流放大系数下降的原因��

=

�������

=

��2����发射结扩散电容充放电过程的存在，使得电子要通过基区需要一定的时间,这个时间也可称为基区渡越时间。τb

基区渡越时间高频时晶体管电流放大系数下降的原因l

a

m

b

d

a

是和自建电场有关的常数，

如果是均匀基区，lambda就等于二。若是缓变基区晶体管lambda等于五。我们可以看到缓变机区晶体管它的lambda比较大，相应的τb就比较小。缓变机区晶体管它的基区渡越时间比较小。也就是电子穿越机区所用的时间比较短。高频时晶体管电流放大系数下降的原因按其晶胞的三维结构建立坐标轴；高频时晶体管电流放大系数下降的原因直流分析时因为它总归能够穿过集电级势垒区由集电区收集，所以我们不需要考虑。交流分析由于要考虑信号变化的速度。那么载流子穿越集电结势垒区的这段时间也就需要考虑了。高频时晶体管电流放大系数下降的原因集电结一般工作在反向电压的情况下，集电结势垒区也比较宽。电子渡越势垒区的时间就需要由集电结室内区的宽度来决定。高频时晶体管电流放大系数下降的原因高频时晶体管电流放大系数下降的原因�� =����载流子以极限速度穿过集电结势垒区所需的时间为载流子以极限速度穿过集电结势垒区所需的时间为�� ==1 11+

j

��� 2 1+j�����

=

�� 2集电结空间电荷区延迟时间高频时晶体管电流放大系数下降的原因由于集电结势垒电容的存在，我们就要考虑这个电容所引起充放电。rcsCTcCBicinc

ierciCTc高频时晶体管电流放大系数下降的原因rcsCTcCBicinc

ierciCTc集电区衰减因子�� =����

+

����==1 11

+

j������� 1+

������

=

������集电极延迟时间高频时晶体管电流放大系数下降的原因PN结的扩散电容只在正向电压作用的情况下才考虑。而集电结一般工作在反向电压的情况下，所以不需要考虑扩散电容。高频时晶体管电流放大系数下降的原因发射结势垒电容充放电效应对电流放大系数的影响。发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响。集电结势垒区渡越过程对电流放大系数的影响。集电结势垒电容充放电效应对电流放大系数的影响。01 共基极交流电流放大系数和共基极截止频率02

共射极交流电流放大系数和共射极截止频率发射结势垒电容充放电晶体管的电流放大系数集电结势垒区的度越过程发射节扩散电容充放电集电结势垒电容充放电晶体管的电流放大系数会下降晶体管的电流放大系数共基极电流放大系数反映出发射极输入电流IE中有多大比例传输到集电极成为输出电流IC。直流工作时主要考虑有发射区发射和基区复合两部分损失。晶体管的电流放大系数高频晶体管工作时受四方面因素影响，导致高频晶体管的发射效率和基区输运系数都较直流时有所不同。另外还需要考虑集电结势垒区渡越和集电结势垒电容存在带来的损失。晶体管的电流放大系数�=��∗����

=0�0�∗(1+����)(1+����)(1+����)(1+

����)晶体管的电流放大系数高频晶体管工作时受四方面因素影响，导致高频晶体管的发射效率和基区输运系数都较直流时有所不同。另外还需要考虑集电结势垒区渡越和集电结势垒电容存在带来的损失�=��∗����

=0�0�∗(1+����)(1+����)(1+����)(1+

����)晶体管的电流放大系数�

=�01+j�(��+��

+��

+��)=�01+

j���0=�01+

j2���e0是指发射级到集电极穿越过程当中所造成的一个总的延迟时间。晶体管的电流放大系数共基极截止频率当共基极电流放大系数的幅值下降为阿尔法零的根号二分之一时所对应的频率。晶体管的电流放大系数�� =12���0�

=�01

+

j

�

��晶体管的电流放大系数直流情况下的关系式�

=

� 1−�近似成立。�

=�01

+

j

� ��(1−

�0)�

=�01

+

j(

�0�

��)晶体管的电流放大系数根据共射极截止频率的定义：

�

=

�01+

j(

�0�� ��)

=

�02�

=�01

+

j

�

����=

���0 可见 � � >� �即共基极电路比共发射极电路频带更宽，常见于宽频和高频电路中。特征频率01增益带宽积02提高特征频率的方法03特征频率高频参数晶体管具有电流放大能力的极限频率。当共射极电流放大系数的幅值下降为1时所对应的频率。特征频率高频参数晶体管具有电流放大能力的极限频率。特征频率是一个极限频率特征频率特征频率：当共射极电流放大系数的幅值下降为1所对应的频率。根据

�

=�01+j�

��令�

=

��

�

=�0� �2

1

+

� �

1 2=

12

1 2�0

=

1

+

��

��

2�02=1

+

�� ��

特征频率特征频率：当共射极电流放大系数的幅值下降为1所对应的频率。�� ≈

�

�0 �01 �2<<

1�01 ���0��2

+

2=

11��≈�0��=��=

2���0特征频率�T它就近似等于共基极截止频率——特征频率也是由τb、τc、τd、τe这四个时间常数来决定的。特征频率增益带宽积:该参数表示晶体管的电流放大倍数和频带宽度的沉

�

=�0�2

1

+

� �

1 2�0��≈�

�

�≈�0��

≈��当工作频率远大于fβ时，工作频率和电流放大系数的乘积是一个常数。可以作为选用晶体管的一个重要参数，也可以用于测量。特征频率减小基区宽度适当减小基区杂质浓度制作缓变基区减小发射结面积适当减小集电区电阻率和减小集电区厚度减小集电结面积感谢观看最佳功率增益01最高振荡频率02高频优值03只是从电流放大系数的角度来考虑频率对于晶体管性能的影响。并不能完全反映频率增加对于晶体管功率性能的一个影响。最高振荡频率只考虑电流放大系数并不能完全反映频率增大对于晶体管功率性能的影响。最高振荡频率NNRCECPibicEB最佳功率增益Gpm：它是指晶体管向负载输出的最大输出功率与晶体管获得的最大输入功率之比。最高振荡频率NNRCECPibicEB晶体管在高频工作时的最佳功率增益为:最高振荡频率NNRCECPibicEB��� =��� �8�� �

�2rb

:

基区的电阻。Cc:

集电结的总电容，包括集电结势垒电容、电极的电容、寄生电容等等。最高振荡频率当频率很高时，发射极引线电感对功率增益的影响不可忽略，晶体管的功率增益的表达式修正为:��� =��8�

��

+�����

���2��� =��8������2→最高振荡频率�m：最佳功率增益为1时所对应的频率。��� =���8�

��

+�����

���2=

1最高振荡频率��

=

��

8�

��

+

�����

��

1 2晶体管的最高振荡频率主要决定于其内部参数，即晶体管的输入阻抗、输出电容、引线电感及特征频率等。最高振荡频率�����2

=

�2

=��8�

��

+�����

��频率宽度比较大。功率增益就会降低。要想获得较高的功率增益。频率宽度就得减小。最高振荡频率�����2

=

�2

=��8�

��

+�����

��高频优值全面反映了晶体管的频率和功率性能，而且只与晶体管本身的参数有关。最高振荡频率���� �2

=

�2

=��8�

��

+�����

��高频优值是设计和制造高频功率晶体管的重要依据之一。最高振荡频率���� �2

=

�2

=��8�

��

+�����

��最高振荡频率�����2

=

�2

=��8�

��

+�����

��提高特征频率适当提高基区杂质浓度减小集电结面积选用合适的管壳，尽量减小寄生电容，引线电感等寄生参数晶体管的功率特性01大注入情况02基电导调制效应03电路应用时，晶体管需要工作在较大电压、电流的条件下。大电流工作时产生的三个效应所以晶体管的集电极工作电流不能太大，需要受到一定的限制。大电流工作时产生的三个效应那到底是什么原因造成了大电流工作时候晶体管它的性能发生了变化?大电流工作时产生的三个效应之前介绍的讨论晶体管工作特性，全部假定的是在小注入的情况下。大电流工作时产生的三个效应大注入：注入的非平衡少子浓度高于热平衡时的多子浓度。为了维持基区的电中性。在基区当中就必须增加相应的空穴。新增加的空穴浓度分布和注入的电子具有相同的浓度梯度。EBCnb

(0)pbnb0xbW大电流工作时产生的三个效应大注入时所引发的机区电导调制效应会使得基区当中的空穴浓度明显增加。导致基区的电阻率明显下降。大电流工作时产生的三个效应0� =11+

������=11+

���������根据发射效率的公式，基区电阻率的下降会造成发射效率降低。由于发射效率降低，晶体管的电流放大系数也下降。基区扩展效应01集电结临界电流密度02当通过集电极的电流增大时，通过集电结空间电荷区的电子浓度也增大。大电流工作时产生的三个效应P(基区)N(集电区) N

(衬底)0E(x)集电结空间电荷区x它的存在，使集电结势垒区的负空间电荷浓度增加了，正空间电荷浓度减少了。如果集电极压降不变，靠基区一侧的负空间电荷区将缩小。大电流工作时产生的三个效应P(基区)N(集电区) N

(衬底)0E(x)集电结空间电荷区x而靠集电区一侧的正空间电荷区将往衬底方向扩大。大电流工作时产生的三个效应P(基区)N(集电区)N

(衬底)0E(x)xb集电结空间电荷区ac大电流工作时产生的三个效应P(基区)N(集电区)N

(衬底)0E(x)x集电结空间电荷区abc当n=NC时电离施主的正电荷恰好为电子所带负电荷所抵消。大电流工作时产生的三个效应P(基区)N(集电区)N

(衬底)E(x)集电结空间电荷区abc0 x集电区外延层不能形成正空间电荷区，正空间电荷区将移到衬底区靠外延层交界处的薄层内同时，基区一侧的负空间电荷区也将进一步缩小。大电流工作时产生的三个效应P(基区)N(集电区)N

(衬底)0E(x)xb集电结空间电荷区ac大电流工作时产生的三个效应PN

WbN

NN

PWbNN

基区纵向扩展效应基区横向扩展效应基区纵向扩展效应随着IC进一步增大，集电结的电流密度大于Jcr，集电结空间电荷区将向衬底方向移动，使有效基区宽度增大。大电流工作时产生的三个效应PN

WbN

NN

PWbNN

基区纵向扩展效应基区横向扩展效应基区横向扩展效应集电结的电流密度不能大于Jcr

,

IC的增加是靠增加电流通道的有效面积来实现的。大电流工作时产生的三个效应无论基区是横向还是纵向扩展，最终结果是使有效基区宽度增大。0�∗

=

1

−

��2��4�2��

≈12���0*随着基区有效宽度的增加。β0

的值必然减小。特征频率的值也必然会减小。大电流工作时产生的三个效应无论基区是横向还是纵向扩展，最终结果是使有效基区宽度增大。0�∗

=

1

−

��2��4�2��

≈12���0直流电流放大系数和特征频率都将下降。因此集电极工作电流需要受到限制。大电流工作时产生的三个效应所以在大电流工作的时候，集电极工作电流必须要受到限制，不能过大。大电流工作时产生的三个效应Jcr是防止基区出现扩展效应的最大集电结电流密度，也是一般平面晶体管的最大电流密度限制。���

≈

�����强场条件下vm：电子漂移过程当中的极限漂移速度。Nc：集电区的杂质浓度。发射结电流集边效应01发射极有效宽度02发射极单位周长电流容量03大电流工作时产生的三个效应在三极管导电工作的时候，我们发现基极电流在传输的过程当中，必然有横向流动的过程。大电流工作时产生的三个效应基区存在一定的电阻，当电流流过基区时，将产生平行于结面的横向压降，使发射结偏压从边缘到中心逐渐减小。发射结电流密度也会从边缘到中心逐渐减小。EN

PNBBN

CIB

2IB

2V1

V2V3

V4BBECIB

2VBErb1

rb2

rb3大电流工作时产生的三个效应EN

PNBBN

CIB

2IB

2V1

V2V3

V4BBECIB

2VBErb1

rb2

rb3若基区电阻比较大，在电阻上产生的压降也比较大。那么最极限的情况就有可能是到了中心处的位置就没有电压了，全部都消耗在了电阻上。大电流工作时产生的三个效应EN

PNBBN

CIB

2IB

2V1

V2V3

V4BBECIB

2VBErb1

rb2

rb3电流密度主要集中在发射结的周围一圈，所以称为叫做电流集边效应。大电流工作时产生的三个效应有可能在小的发射级电流的情况下，由于边缘处的电流密度比较集中，就已经达到临界电流密度。这样就会出现电流放大系数和特征频率下降这样的情况。会使得晶体管在实际工作时候的有效面积减小。大电流工作时产生的三个效应会导致边缘处的电流密度过高，所以要想克服发射结电流集边效应，关键点在于降低临界电流密度。减小发射结下面的基区电阻大电流工作时产生的三个效应由于发射极电流集边效应的存在，这个时候晶体管的电流容量已经不再与发射节的面积成正比了。晶体管的电流容量是考虑发射结周围一圈所能够通过的电流密度，因此是与发射节的周长成正比。大电流工作时产生的三个效应��′ =

�� 3�0� ������

1 2发射极有效半宽度：0� =

�𝑘

3�

����

0 ��

发射极单位周长的电容量：1 2crJ ：集电极临界电流密度。Rsb：指的是基区的方块电阻。I0

：晶体管的单位周长电流容量。SeC

B

Ad

'e大电流工作时产生的三个效应Sed

'eC

B

A发射极单位周长的电容量：�0

=

�𝑘

3�0������

1 2此公式是针对的直流或者是低频的情况下来推导得到的。若是高频的情况，应该把这个公式当中的�

0转变成交流电流放大系数来代替。大电流工作时产生的三个效应在高频的时候电流放大系数的数值会下降。所以在高频工作的时候，晶体管的发射极单位周长的电流容量也会下降。大电流工作时产生的三个效应在高频的时候电流放大系数的数值会下降。所以在高频工作的时候，晶体管的发射极单位周长的电流容量也会下降。晶体管的电流容量会随着工作频率的增大而减小。耗散功率01热导02热阻03晶体管的输出功率，除了受电学性能的限制外，还受热学性能的限制。晶体管的最大耗散功率和热阻晶体管的最大耗散功率和热阻晶体管的发射结晶体管的集电结晶体管的最大耗散功率和热阻特别是集电结，由于一般工作在反偏状态，电阻较大，发热量也较大。若集电结电流过大，容易导致结温过高而烧毁。特别是集电结，由于一般工作在反偏状态，电阻较大，发热量也较大。晶体管的最大耗散功率和热阻若集电结电流过大，容易导致结温过高而烧毁。耗散功率: ��=

�����晶体管的最大耗散功率和热阻由于晶体管产生功耗就一定会发热，而发热是通过管芯向管壳向外散发的。热传导的基本的原理单位时间内管芯上产生的热量和散发出去的热量达到平衡的时候。这个时候管芯的温度就会达到稳定值。晶体管的最大耗散功率和热阻��=�=���−��

�

�

：晶体管的结温。�

�

：环境温度。�

：热导，反映了晶体管的散热能力。在晶体管的散热情况与环境温度一定的时候。消耗的功率越大，晶体管的结温也就越高。晶体管的最大耗散功率和热阻最大允许耗散功率���=����−

��

晶体管的最大耗散功率与最高节温有关，最高节温越大，Pcm也就越大。耗散功率也和晶体管本身的散热能力有关，散热性能越好，K就越大，耗散功率的值也就越大。晶体管的最大耗散功率和热阻最大允许耗散功率���=����−

��

热阻RT：热导K的倒数，也可以衡量晶体管的散热能力。�����−

��� =��对于晶体管来说，环境温度并不能受控制。节温我们可以控制在一定的范围内。所以对于提高耗散功率来说。减小热阻、提高热导是非常关键的一个措施。集电结最大工作电流01晶体管的二次击穿02晶体管的安全工作区03功率晶体管的安全工作区晶体管的电流放大系数β0，不仅仅和晶体管的结构参数有关。也和晶体管的工作电流等有关。功率晶体管的安全工作区

0

0M2

0MICMICO随着集电极电流的增加，一开始电流放大系数是会增加，随之就会达到一个最大值迅速下降。集电极电流不能无限制的大，否则很容易造成晶体管的电流放大性能的急剧下降。功率晶体管的安全工作区

0

0M2

0MICMICO当共射极电流放大系数β0下降为最大值的二分之一时所对应的集电极电流就是最大工作电流。ICM

:

集电极最大工作电流功率晶体管的安全工作区反向击穿主要是由于雪崩击穿所引起的。雪崩击穿是一种可逆击穿，只要能及时将工作电压减小。晶体管依然能够正常工作。功率晶体管的安全工作区假如雪崩击穿之后，不再减小工作电压，而是进一步增加工作电压。电流继续迅速增大。当增大到某一个值的时候。晶体管上的压降会迅速减小。功率晶体管的安全工作区二次击穿现象ICUCEO一次击穿二次击穿当集电结反向偏压进一步增大，IC增大到某一个临界值时，晶体管上的压降突然降低，而电流继续增长，这个现象称为二次击穿。功率晶体管的安全工作区二次击穿现象ICUCEO一次击穿二次击穿二次击穿机理对于二次击穿的机理，一般分为热型（又称热不稳定型）和电流型（又称雪崩注入型）两种。功率晶体管的安全工作区晶体管安全工作区晶体管参数没有恶化，能够正常工作的范围。实际生产中一般利用安全工作区来作为设计和使用晶体管的一个重要依据。功率晶体管的安全工作区安全工作区电流极限值最大耗散功率线电压极限功率晶体管的安全工作区安全工作区由于二次击穿的存在，晶体管在上述区域工作的时候也不一定可靠。所以还需要考虑二次击穿临界线。功率晶体管的安全工作区ICO热型二次击穿临界线电流型二次击穿临界线最大耗散功率线ⅠⅤⅡⅢⅣCEO

CEBV V安全工作区的大小最大电流最大电压最大耗散功率二次击穿外电路的工作状态功率晶体管的安全工作区ICO热型二次击穿临界线电流型二次击穿临界线最大耗散功率线ⅠⅤⅡⅢⅣCEO

CEBV V改善器件的二次击穿特性。扩大安全工作区的方法选择合适的材料和正确的设计，提高器件的耐压和工作的最大电流。降低热阻，提高晶体管的耗散功率。开关晶体管01晶体管的开关作用02晶体管的开关作用晶体管常用于模拟电路中，一般处于放大工作状态。而在数字电路，电力电子等领域，晶体管还可用做开关元器件。晶体管作为开关管使用时，一般工作于饱和工作状态。晶体管的开关作用RLbceSRL正脉冲输入当晶体管输入是正脉冲或正电平时，基极就有了注入电流。将引起了很大的集电极电流，可近似看作是短路。此时晶体管的作用相当于一个接通的开关S。晶体管的开关作用当输入是负脉冲或零电平，那么基极没有注入电流。集电极只有很小的漏电流，可近似看作是断路。此时晶体管的作用就好象是一个被切断的开关。RLbcSRL0零电平

e晶体管的开关作用RLbcSRL0零电平

eRLbcSRLe正脉冲输入晶体管的开关作用可以通过基极输入的信号来控制集电极回路的导通或者关断来实现。晶体管的开关作用晶体管在开关的过程当中，还可以具有放大电压和电流的作用。所以它相对于二极管开关来说，又更具有优点。RLbcSRL0零电平

eRLbcSRLe正脉冲输入晶体管的开关作用导通压降低，导通性好。反向漏电流小，关断性好。开关时间短，开关速度快。从截止向导通转变的启动功率小。开关功率要大，即反向击穿电压大，正向最大工作电流大。主讲人：黄玮晶体管的工作状态01开关晶体管的开态02开关晶体管的关态03开关晶体管的工作状态

VCCRLRbOICIB

0VCE饱和区放大区截止区VCC共射输出伏安特性曲线开关管也通常是处于共射连接的形式。开关晶体管的工作状态

VCCRLRbOICIB

0VCE饱和区放大区截止区VCC共射输出伏安特性曲线在IB小于零下方的斜线部分称为是截止区。在截止区的部分晶体管的基极没有注入，输出电压接近于电源电压。开关晶体管的工作状态

VCCRLRbOICIB

0VCE饱和区放大区截止区VCC共射输出伏安特性曲线曲线基本上平直的这一部分称为是放大区。在这个区域当中，集电极电流和基极电流始终保持IC等于贝塔IB的关系。开关晶体管的工作状态

VCCRLRbOICIB

0VCE饱和区放大区截止区VCC共射输出伏安特性曲线工作区中曲线是斜线的这个部分的时候。就称为饱和区。开关晶体管的工作状态1.饱和区OICIB

0VCE饱和区放大区截止区RCVCCVCC作为开关管使用的时候，晶体管常处于饱和导通的状态。开关晶体管的工作状态1.饱和区三极管的集电极和发射极之间的电压UCE可以表示成电源电压VCC减去负载电阻上的电压降。OICIB

0VCE饱和区放大区截止区RCVCCVCC开关晶体管的工作状态1.饱和区而负载电阻上的电压降等于集电极电流乘以负载电阻。基极电流增加的时候，集电极电流也会随之增加。所以UCE会随之减小OICIB

0VCE饱和区放大区截止区RCVCCVCC开关晶体管的工作状态1.饱和区当UCE等于UBE的时候。集电结上的压降就变为零。此时集电区收集载流子的能力就变得很差。OICIB

0VCE饱和区放大区截止区RCVCCVCC开关晶体管的工作状态1.饱和区集电极电流就没有办法随着基极电流的增长迅速增长。但是也不会立刻消失，但是电流增长的速度开始变慢。晶体管进入临界饱和状态OCEICIB

0V饱和区放大区截止区RCVCCCCV开关晶体管的工作状态1.饱和区临界饱和集电极电流���=���−���≈����� ��OICIB

0VCE饱和区放大区截止区RCVCCVCC开关晶体管的工作状态1.饱和区�临界饱和基极电流 ��=

����假如说基极电流大于临界饱和基极电流，表明晶体管处于饱和状态。OVCEICBI

0饱和区放大区截止区RCVCCVCC开关晶体管的工作状态1.饱和区过驱动电流���=��

−���OICIB

0VCE饱和区放大区截止区RCVCCVCC�临界饱和基极电流 ��=

����开关晶体管的工作状态bQ少子浓度基区bQ‘集电区Q‘c当IB

大于

Ibs时过驱动电流会使流入基区的空穴大于复合以及注入的空穴数量。因此会造成基区当中空穴的堆积。开关晶体管的工作状态当IB

大于

Ibs时为了维持基区的电中性。存储在基区当中的电子也会相应的增加。同时，这部分过量的空穴还会注入集电区，使得集电结势垒区变窄。集电结由零偏变成正偏。Qb少子浓度基区bQ‘集电区Q‘c开关晶体管的工作状态当IB

大于

Ibs时过驱动电流所提供的空穴注入到集电区当中，在集电区当中也造成空穴的积累。超量存储电荷Qb少子浓度基区bQ‘集电区Q‘c开关晶体管的工作状态基区复合电流随着超量存储电荷的增加而上升。当过驱动电流正好补充超量存储电荷因复合而消失的空穴数时，晶体管进入稳定的深度饱和状态。过驱动基极电流越大，饱和深度越深。超量存储电荷越多，集电结的正偏电压也越高。少子浓度集电区Qb基区‘bQcQ‘开关晶体管的工作状