微电子器件(3-1与3-2)

1、第三章双极型晶体管的直流特性,内容,3.1双极晶体管基础,3.2均匀基区晶体管的电流放大系数,3.3缓变基区晶体管的电流放大系数,3.4双极晶体管的直流电流电压方程,3.5双极晶体管的反向特性,3.6基极电阻,3.1双极晶体管的基础,由两个相距很近的pn结组成：,分为：npn和pnp两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,2020/7/4,1、双极型晶体管的结构,双极型晶体管的结构示意图如图所示。它有两种类型:npn型和pnp型。,e-b间的pn结称为发射结(Je),c-b间的pn结称为集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，电极称为发射

2、极，用E或e表示（Emitter）；,另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。,两种极性的双极型晶体管,双极型晶体管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。,加在各PN结上的电压为：,PNP管：,NPN管：,根据两个结上电压的正负，晶体管可有4种工作状态：,E结,工作状态放大状态，用于模拟电路饱和状态，用于数字电路截止状态，用于数字电路倒向放大状态,C结,2、偏压与工作状态,放大状态：,饱和状态：,

3、截止状态：,倒向放大状态：,3、少子分布与能带图,NPN晶体管在平衡状态下的能带图：,EC,EF,EV,N,N,P,4、NPN晶体管在4种工作状态下的能带图：,NPN晶体管在4种工作状态下的能带图：,放大状态：,饱和状态：,截止状态：,倒向放大状态：,（1）基区必须很薄，即WBLB；,3-2均匀基区晶体管的放大系数,1、晶体管的放大作用,均匀基区晶体管：基区掺杂为均匀分布。少子在基区中主要作扩散运动，又称为扩散晶体管。缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，少子在基区中主要作漂移运动，又称为漂移晶体管。,要使晶体管区别于两个二极管的串联而具有放大作用，晶体管在结构上必须满足两个基本条件：,（2

4、）发射区的杂质总量远大于基区，当WE与WB接近时，即要求NENB。,晶体管放大电路有两种基本类型，即共基极接法与共发射极接法。,先讨论共基极接法（以PNP管为例）：,V,P区,N区,0,为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下PN结中的电流：,忽略势垒区产生复合电流，处于放大状态的晶体管内部的各电流成分如下图所示：,从IE到IC，发生了两部分亏损：InE与Inr。要减小InE，就应使NENB；要减小Inr，就应使WBLB。,定义：发射结正偏，集电结零偏时的IC与IE之比，称为共基极直流短路电流放大系数，记为，即：,共发射极接法：,定义：发射结正偏，集电结零偏时的IC与IB之比，称为共发射极直

5、流短路电流放大系数，记为，即：,根据，及的关系，可得与之间有如下关系：,对于一般的晶体管，=0.9500.995，=20200。,定义：由发射结注入基区的少子电流IpE与总的发射极电流IE之比，称为注入效率（或发射效率），记为，即：,2、电流放大系数中间参数的定义,定义：基区中到达集电结的少子电流IpC与从发射结注入基区的少子电流IpE之比，称为基区输运系数，记为*，即：,由于空穴在基区的复合，使JpCJpE。,3.基区传输系数1)用电流密度方程求基区传输系数,用连续性方程求解基区非平衡载流子浓度,这里必须采用薄基区二极管的精确结果，即:,pB(0),pB(x),x,0,WB,近似式，忽略基区

6、复合,精确式，考虑基区复合,再利用近似公式：(x很小时），得：,根据基区输运系数的定义，得：,静态下的空穴电荷控制方程为：,2)利用电荷控制法来求*。,另一方面，由薄基区二极管的近似公式：,从上式可解出：，代入Jpr中，得：,B,E,C,0,WB,JpE,JpC,上式中，即代表了少子在基区中的复合引起的电流亏损所占的比例。要减少亏损，应使WB，LB。,的典型值：WB=1m，LB=10m，=0.9950。,3、基区渡越时间,定义：少子在基区内从发射结渡越到集电结所需要的平均时间，称为少子的基区渡越时间，记为。,可以设想，在期间，基区内的少子全部更新一遍，因此：,。将：代入，得：,。因此又可表为：

7、,注意与的区别如下：,的物理意义：,时间，代表少子在单位时间内的复合几率，因而就代表,少子在基区停留期间被复合的几率，而则代表未复合,掉的比例，也即到达集电结的少子电流与注入基区的少子电流,4、表面复合的影响（自学）,之比。,代表少子在基区停留的平均,5、注入效率,定义：由发射结注入基区的少子电流IpE与总的发射极电流IE之比，称为注入效率（或发射效率），记为，即：,当WBLB及WELE时，有：,代入中得：,为提高，应使NENB，即（NB/NE）1，则上式可近似写为：,已知：，代入中，,再利用爱因斯坦关系：，得：,注意：DB、DE代表少子扩散系数，B、E代表多子迁移率。,得：,利用方块电阻的概念，可有更简单的表达式。方块电阻表示一个正方形薄层材料的电