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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,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，电极称为发射极，
2、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
3、状态：,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WB LB；,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
4、上必须满足两个基本条件：,（2）发射区的杂质总量远大于基区，当WE 与WB 接近时，即要求 NE NB。,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 In r。要减小 InE，就应使NE NB；要减小In r，就应使WB LB。,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：,
5、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 JpC JpE。,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
6、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=10 m，=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
7、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：,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 WB LB 及 WE LE 时，有：,代入 中得：,为提高，应使 NE NB，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阻，记为：R口。,对于均匀材料：,对于厚度方向（x方向）上不均匀的材料：,对于均匀掺杂的发射区与基区，有：,中，可将 表示为最简单的形式：,代入前面得到的 公式,由，可得：,6、电流放大系数与亏损因子,上式中：，称为 亏损因子。,
