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1、微电子技术专业,半导体器件,单元三 双极型晶体管小结讲授教师：马 颖,第 3 章,晶体管的直流特性,3.1 概述 掌握晶体管的基本结构及分类 熟悉晶体管杂质分布特点 熟悉晶体管载流子浓度分布特点 掌握晶体管的直流放大系数及特性曲线3.2 平面晶体管的电流放大系数及影响电流放大系数的原因（略）3.3 晶体管的反向电流 了解各反向电流的特点3.4 晶体管的击穿电压 了解各击穿电压的特点3.5 晶体管的基极电阻 了解基极电阻的危害，及其减小方法,一、晶体管的概述,简述晶体管的结构、基本形式,掌握晶体管2种基本形式的图形符号,晶体管按制作工艺和管芯结构形式分类,晶体管基区杂质分布的两种形式,均匀分布（
2、如合金管），称为均匀基区晶体管。均匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，故又称为扩散型晶体管。基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶体管。这类晶体管的基区往往以漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。,一、晶体管的概述,晶体管的共基极直流放大系数=*如何提高发射效率？如何提高基区输运系数？,直流电流放大系数表示放大电流的能力,等于输出电流与输入电流之比,提高*的主要措施是减薄基区宽度WB，使基区宽度远小于少子在基区的扩散长度LnB，即WB远小于LnB。,发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多,发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多,提高发射效率的方法是使发射区杂质浓度比基区杂质浓度高
3、得多,一、晶体管的概述,晶体管具有放大能力需具备哪些条件？,（1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，即NE远大于NB，以保证发射效率1；（2）基区宽度WB远小于LnB，保证基区输运系数*1；（3）发射结必须正偏，使re很小；集电结反偏，使rc很大，rc远大于re。,晶体管的共基极与共发射极直流放大系数之间的关系,二、晶体管的反向电流,关于反向电流ICB0 与IEB0 的特点锗晶体管的反向电流主要是反向扩散电流（少子电流）硅晶体管的反向电流主要是势垒区的产生电流（多子电流）引起反向电流过大的原因往往是表面漏电流太大。因此，在生产过程中，搞好表面清洁处理及工艺规范是减小反向电流的关键。ICEO=
4、,减小ICEO的方法：,要减小ICE0，必须减小ICB0。电流放大系数不要追求过高。,BVEB0的大小由发射结的雪崩击穿电压决定，BVCB0的大小由集电结的雪崩击穿电压决定BVCE0与BVCB0之间满足关系：对于NPN的Si管，n=4，PNP的Ge管n=6 什么是负阻击穿现象？当VCE达到BVCE0时发生击穿，击穿 后电流上升，电压却反而降低。,三、晶体管的击穿电压,基极电阻对直流运用没有影响，对交流运用主要影响晶体管的功率特性和频率特性，设计时要减小基极电阻。基极电阻的两种典型图形是：梳状和圆形晶体管的基极电阻。减小基极电阻的途径,四、晶体管的基极电阻,在不影响晶体管发射效率的情况下，尽可能
5、提高基区杂质浓度，减小方块电阻RB；尽可能减小宽长比；发射极条尽可能多，即n大；做好欧姆接触，减小欧姆电阻Rcon。,第 4 章,晶体管的频率特性与功率特性,4.1 晶体管的频率特性（理解3个频率的概念、提高特征频率的途径，掌握交流的公式及特点）4.2 高频等效电路（理解3个参数及其特点）4.3 高频功率增益和最高振荡频率（理解最高功率增益、高频优值的概念、提高功率增益的途径）4.4 晶体管的大电流特性（熟悉三个效应的机理）4.5 晶体管的最大耗散功率PCm和热阻RT（熟悉特点及分类）4.6 功率晶体管的二次击穿和安全工作区（掌握二次击穿的概念及其两个机理，理解安全工作区图形中各线条、区域表示
6、的含义）,一、晶体管的频率特性,当频率升高时，晶体管的结电容变大，使晶体管的放大能力下降。请列出4个主要的高频参数 截止频率、特征频率高频功率增益、最高振荡频率 f 称为共基极截止频率，反映了电流放大系数的幅值|随频率上升而下降的快慢。f 表示共基极短路电流放大系数的幅值|下降到低频值0的 时的频率。或者说是|比低频0下降 3 dB时的频率。,一、晶体管的频率特性,f 称为共发射极截止频率表示共基极短路电流放大系数的幅值|下降到低频值0的 时的频率。或者说是|比低频0下降 3 dB时的频率。f T称为特征频率表示共射短路电流放大系数的幅值下降到|=1时的频率。是晶体管在共射运用中具有电流放大作
7、用的频率极限。几个频率参数间的关系 f m称为最高振荡频率，表示最佳功率增益GPm=1 时的频率，是晶体管具有功率增益的频率极限。,频率增高，发射结电容分流电流iCTe增大，导致交流发射效率下降。频率越高，基区扩散电容分流电流iCDe越大，基区输运系数*也随着频率的升高而下降。频率越高，位移电流越大，使集电结空间电荷区输运系数d随着频率增高而下降。高频时，共基极交流短路电流放大系数=,一、晶体管的频率特性,交流放大系数=，说明是一个复数，其幅值随着频率的升高而下降，相位差随着频率的升高而增大。截止频率f=。e为发射极延迟时间b对发射结处，基区侧扩散电容CDe的充电延迟时间。c集电极延迟时间d
8、为集电结空间电荷区延迟时间m 为超相移因子（剩余相因子）。,一、晶体管的频率特性,交流放大系数=，说明是一个复数，其幅值随着频率的升高而下降，相位差随着频率的升高而增大。截止频率f=。e0为载流子从发射极到集电极总的传输延迟时间 f与f的关系：可以看出。说明：共射短路电流放大系数比共基短路电流放大系数下降更快。因此，共基电路比共射电路频带更宽。,一、晶体管的频率特性,晶体管的特征频率fT=。提高特征频率的途径有哪些？,一、晶体管的频率特性,减小基区宽度 Wb；缩小结面积A；适当降低集电区电阻率c；适当减小集电区厚度Wc；尽量减小延伸电极面积。,二、晶体管高频等效电路,I1、V1 输入端的电流和
9、电压，I2、V2 输出端的电流和电压 这四个参量中只有两个是独立变量。选用不同的自变量和因变量，可以得到晶体管的Y参数、h参数、Z参数方程。Y参数是在短路状态下通过计算或测定的导纳参数，因此也称为短路导纳参数，该参数测量困难。Z参数表示一端开路时，另一端电压与电流之比，因此也称为开路阻抗参数，该参数测量困难 h参数是混合参数，测量方便。运用较多的是Y参数和h 参数等效电路,三、高频功率增益和最高振荡频率,功率增益表示晶体管对功率的放大能力。等于输出功率和输入功率的比值。最佳功率增益GPm指信号源所供给的最大功率与晶体管向负载输出的最大功率之比，即是输入输出阻抗各自匹配时的功率增益。最高振荡频率
10、是最佳功率增益GPm=1时的频率，它是晶体管真正具有功率放大能力的频率限制。高频优值又称增益-带宽乘积，反映了晶体管的功率和频率性能，而且只与晶体管本身的参数有关。,三、高频功率增益和最高振荡频率,提高功率增益的途径,提高晶体管的特征频率；适当提高基区杂质浓度，以减小基极电阻rb；尽量缩小集电结和延伸电极面积，以减小势垒电容和延伸电极电容；尽量减小发射极引线电感和其他寄生参数；选用合适的管壳，以获得最佳高频优值。,四、晶体管的大电流特性,集电极最大电流IcM指共发射极直流短路电流放大系数下降到其最大值M的一半时所对应的集电极电流。要提高晶体管的输出功率就必须提高集电极最大电流ICM。提高工作电
11、流的唯一方法是增加电流密度。大电流工作时产生的三个效应。基区电导调制效应有效基区宽度扩展效应kirk（克而克）效应 发射极电流集边效应又称为基区电阻自偏压效应,四、晶体管的大电流特性,简述大电流工作时产生的三个效应的机理。基区电导调制效应有效基区宽度扩展效应发射极电流集边效应,基区多子浓度增大导致基区电阻率下降，由此而产生基区电导率受注入电流调制的“基区电导调制效应”。,在大注入下，晶体管，特别是缓变基区晶体管的有效基区宽度将随注入电流的增加而扩展。,晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则
12、由中心到边缘逐渐增大，由此产生发射极电流集边效应。,四、晶体管的大电流特性,发射极电流集边效应由基区电阻的不均匀所导致。发射极条宽越宽，距离发射极中心越远，则基区横向压降越大，发射极电流集边效应就越明显。工作电流越大，基区横向压降也越大，发射极电流集边效应也就越明显。防止发射极电流集边效应产生的方法是尽量缩小发射极宽度。,五、晶体管的最大耗散功率和热阻,晶体管的功率主要耗散在集电结上。热阻表示晶体管散热能力的大小，等于任意两点间的温差与其热流之比。热阻分为稳态热阻（直流工作状态下的热阻RT）和瞬态热阻（在开关和脉冲电路中，随时间变化的晶体管的热阻 RTs)。提高晶体管最大耗散功率的主要措施有哪
13、些？,尽量降低晶体管的热阻RT；选用最高结温Tjm高的材料；尽量降低使用时的环境温度Ta。,六、功率晶体管的二次击穿和安全工作区,二次击穿的概念两种二次击穿的机理晶体管的安全工作区的概念,器件承受的电压突然降低，电流继续增大，器件由高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。,热型又称热不稳定型，是局部温度升高和电流集中往复循环的结果。热型二次击穿的触发时间较长属于慢速型。电流型又称雪崩注入型由雪崩注入引起，是快速型的二次击穿。,晶体管能安全可靠地工作，并具有较长寿命的工作范围。由最大集电极电流ICM，极限电压BVCE0，最大功耗线和二次击穿临界线PsB所限定的区域。,六、功率晶体管的二次
14、击穿和安全工作区,图中实线为最大功耗线，由最大耗散功率PCm、热阻、最高结温和环境温度决定。图中虚线是二次击穿临界线区为功率耗散过荷区区为热型二次击穿区区为雪崩注入二次击穿区区为雪崩击穿区区为电流过荷区,在、两区内，若采取限流措施，均不会造成晶体管永久失效。,第 5 章,晶体管的开关特性,5.1 二极管的开关作用和反向恢复时间5.2 开关晶体管的静态特性（会通过计算判断晶体管的开关工作类型）5.3 晶体管开关的动态特性（掌握四个动态过程及其时间）,一、二极管的开关作用和反向恢复时间,双极型器件与场效应晶体管的导电机理有何不同？晶体管的开关特性包括哪些？储存时间ts和下降时间tf之和称为P-N结
15、的关断时间，又称反向恢复时间。要保持良好的开关作用，脉冲持续时间要比二极管反向恢复时间长得多，也就意味着脉冲的重复频率不能太高。,双极型器件是一种电子与空穴皆参与导电过程的半导体器件。场效应晶体管是只由一种载流子参与传导的半导体器件。,晶体管处于开态和关态时端电流电压间的静态特性；在开态和关态之间转换时，电流电压随时间变化的瞬态特性。,二、开关晶体管的静态特性,晶体管各工作区的结电压偏置情况如何？,晶体管工作在放大区的开关电路，称为非饱和开关。这种工作模式，一般用在高速开关电路中。将晶体管导通后，工作在饱和区的开关电路，称为 饱和 开关，此类开关接近于理想开关。,二、开关晶体管的静态特性,饱和
16、开关电路和非饱和开关电路的比较根据下图中的基区非平衡载流子（少子）浓度分布判断晶体管的工作区域。,二、开关晶体管的静态特性,图示电路，用硅晶体管做为开关管使用接入电路中，已知其，VBB，VCC，RL，RB，输入正脉冲信号幅值VI等参数;试判断晶体管的工作状态如何？试判断该电路为饱和开关电路还是非饱和开关电路？若为过驱动状态，会计算其过驱动电流、饱和深度。,分析,若IB=IBS，则晶体管处于 状态。若IBIBS，则晶体管处于 状态。若IBIBS，则晶体管处于 状态。,临界饱和过驱动放大,通过基极驱动电流的大小来判断。,二、开关晶体管的静态特性,图示电路，用硅晶体管做为开关管使用接入电路中，已知其
17、，VBB，VCC，RL，RB，输入正脉冲信号幅值VI等参数;试判断晶体管的工作状态如何？试判断该电路为饱和开关电路还是非饱和开关电路？若为过驱动状态，会计算其过驱动电流、饱和深度。,计算基极驱动电流和基极临界饱和电流,三、晶体管开关的动态特性,晶体管的开关过程有那几个动态过程？延迟过程、上升过程、超量储存电荷消失过程、下降过程右图中的td、tr、ts、tf分别代表什么时间？td为延迟时间、tr为上升时间 ts为储存时间、tf为下降时间晶体管的开启时间。关断时间。若晶体管的开关时间比输入脉冲 持续时间短，它就有良好的开关作用。,三、晶体管开关的动态特性,（1）ICE0小，使开关电路截止时接近于断
18、路（开路），关断性良好；（2）VCES小，使开关电路接通时接近于短路状态，接通性良好；（3）开关时间尽可能短，要比输入脉冲持续时间短，使晶体管的关断性良好；（4）启动功率小，启动功率是晶体管从截止态转变为饱和态时所需的功率IBVBES；（5）开关功率大，即要求在截止态时能承受较高的反向电压，在导通时，允许通过较大的电流；,为使晶体管具有良好的开关状态，需具备哪些要求？,第6章 双极型晶体管的设计,简述晶体管设计时应考虑哪3方面的参数？各有什么分类和哪些具体的参数？,结构参数,工艺参数,电学参数,直流参数 反向饱和电流（ICBO、IEBO、ICEO）直流电流放大系数（、）发射结正向压降（VBE）
19、饱和压降（VCES）交流参数 特征频率（fT）、功率增益（GP）噪声系数（NF）、开关时间（ton、toff）极限参数 最大集电极电流（ICM）击穿电压（BVCBO、BVEBO、BVCEO）最大集电极耗散功率（PCM）二次击穿临界功率（VsB）,纵向结构参数 基区宽度（Wb）外延层的电阻率（c）和厚度（WC）集电结和发射结结深（xjc、xje）各区的杂质浓度横向结构参数 发射极总周长（LE）单元发射极条宽（Se）和条长（le）发射区面积（Ae）基区（集电结）面积（Ab=Ac）淡、浓基区的网格 及其与发射结边沿的间距（deb）,硼扩散的时间和温度磷扩散的时间和温度氧化的时间和温度等,第6章 双极型晶体管的设计,晶体管的设计必须掌握的4个原则,必须全面衡量晶体管各参数之间的关系，正确处理各参数之间的矛盾。首要先满足主要电学参数的要求。必须正确处理设计和实际工艺水平之间的矛盾。必须正确处理技术指标与经济指标之间的关系，把提高晶体管的质量与降低成本结合起来。尽可能地提高晶体管的稳定性和可靠性。,
