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1、第三章 双极晶体管,晶体管(半导体三极管)是由两个PN结构成的三端器件，由于两个PN结靠得很近，它具有放大电信号的能力，因此在电子电路中获得了更广泛的应用。晶体管按使用要求的不同一般分为高頻管和低頻管,小功率管和大功率管,高反压管和开关管等。低频小功率晶体管，指特征频率3MHz以下，功率小于1W的晶体管，主要用于各种电子设备中的低放、功放管。,高频小功率晶体管，指特征频率大于3MHz，功率小于1W的晶体管，主要用于高频振荡电路、放大电路中。低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放管，各种大电流输出稳压电源中作为调整
2、管，低速开关电路中作开关管。高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz，功率大于1W的晶体管，用于无线通讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、开关和稳压电路中。,其两个PN结分别称为发射结和集电结，两个结将晶体管分为发射区,基区和集电区,由三个区引出的电极分别称为发射极,基极和集电极。,一.晶体管的直流 特性 1.晶体管的基本结构和杂质分布按制作工艺和管芯结构形式晶体管可分为合金管,合金扩散管,台面管,双扩散管和平面管等,晶体管的基区杂质分布有两种形式。一种是均匀基区晶体管,载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，又称为扩散型晶体管；一种基区杂质分布是缓变的，这类晶体管的基区存在自建电场,载流子
3、在基区内除了扩散运动外,还存在漂移运动，而且常以漂移运动为主，又称漂移晶体管。,2.晶体管的放大机理（1）晶体管的直流电流放大系数,工作在放大状态的NPN管终端电流,（3-101）共基极直流电流放大系数：（3-102）共发射极直流电流放大系数：（3-103）,在共基极运用时：（3-110）（3-111）（3-112）晶体管要具备放大能力,必须满足以下条件：发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多,以保证发射效率接近1。基区宽度小于少子扩散长度,保证基区输运系数接近1。发射结必须正偏,使re小;集电结反偏,使 rc大。,对NPN管：（3-104）晶体管发射效率：（3-105）基区输运系数：（3-106
4、）,为了分析晶体管的电流放大系数与晶体管结构因素和工艺因素之间的关系,并反映电流传输过程中的各种损失,共基极直流电流放大系数分解为：,集电区倍增因子：（3-107）雪崩倍增因子M：（3-108）（2）晶体管的放大作用在共发射极运用时：（3-109）,3.晶体管的输入,输出特性,共基极输入特性：随 而指数上升，与正向PN结特性一致。随着 增加，上升得更快，这是因为基区宽度W随 增加而减少，从而 增大。共基极输出特性：时，集电极电流为反向饱和电流；按 的规律随增加，若 一定，基本不随 变化，下将到0以后 才逐步下降到0，这是因为只有当集电结处于正偏状态后，才能阻止发射区注入基区的电子流向集电区。此
5、时，晶体管进入饱和区。,共发射极输入特性：与正向PN结伏安特性相似，随集电结电压增加而基极电流减少；这是因为集电结电压增加使基区宽度减小，基区复合电流减少，故基极电流减少。共发射极输出特性：当基极电流为0时，流过晶体管的电流为；随着 的增加，以 的规律上升。随 增加 略上升，这是因为 减少而使 增大的结果。当 减少到一定值（硅管为0.7V）而使集电结正偏，迅速下降，进入饱和区。,晶体管输出特性分为三个区域：为线性工作区，为饱和区，为截止区I区工作的晶体管，发射结处于正偏，集电结处于反偏，区工作的晶体管，发射结和集电结均处于正偏；区工作的晶体管发射结和集电结都为反偏。,4晶体管直流电流电压方程均
6、匀基区晶体管的直流电流电压方程，假设：(1)发射结和集电结是理想的突变结，发射区、基区和集电区的杂质为均匀分布；(2)晶体管是一维的，发射结与集电结面积相等；(3)外加电压全部降落在PN结势垒区内；(4)发射区与集电区的长度比少子扩散长度大得多；(5)不考虑势垒区内的复合、产生，通过势垒区的电流不变；(6)小注入状态。,首先求出晶体管管内载流子浓度分布：（3-113）（3-114）（3-115）（3-116）,（3-117）（3-118）（3-119）（3-120）,基区非平衡载流子的连续性方程为：（3-121）（3-122）（3-123）,将边界条件代入得：（3-124）将上式中的双曲函数按
7、台劳级数展开，只取一次幂，（3-125）,在放大状态，集电结反偏，基区集电结界面的电子浓度趋近于零，则上式又可简化为：（3-126）发射区和集电区的空穴浓度可以通过求解稳态空穴连续性方程，再代入边界条件获得。发射区少子浓度分布：（3-127）,按台劳级数展开，取一次幂得：（3-128）发射区空穴沿着（-x）方向线性下降，直到 下降到平衡值。集电区少子浓度分布：（3-129）（3-130）,（3-131）再推导出均匀基区晶体管内电流密度的分布：已假设外加电压全部降落在势垒区内，也就是晶体管发射区、基区和集电区内没有电场，因而只需考虑扩散电流。基区中的电子电流：（3-132）,通过发射结的电子电流
8、密度即为X=0时的电流密度：(3-133)通过集电结的电子电流密度即为X=Wb时的电流密度：(3-134)当 基区很窄时式（3-132）可简化，双曲函数按台劳级数展开，只取一次幂，即,则上式可简化为：(3-135)基区内电子电流密度与X无关，保持不变。集电结反偏时，上式可进一步简化为：(3-136)发射区空穴电流密度：(3-137),发射结边界的空穴电流密度：(3-138)集电区的空穴电流密度：(3-139)集电结边界的空穴电流密度：(1-140),从电流分布推导出晶体管的电流电压方程：(1-141),(1-142),当 基区很窄时：(1-143)(1-144),2 晶体管的电流放大系数 随着
9、集电极电压的增加，集电结空间电荷区展宽，基区宽度减少，电流放大系数也随之变化；首先讨论短路（VCB=0）时的电流放大系数。（1）均匀基区晶体管的发射效率(1-145),(1-146)在集电极短路时：(1-147),当 时，(1-148)(1-149)(1-150),基区输运系数(3-151)集电极短路即VC=0时：(3-152)将双曲函数展开为级数，取二次幂，(3-153),集电区倍增因子和雪崩倍增因子 当集电区的电阻率较高时，电子流在集电区将产生电场，集电区内不仅有扩散电流还有漂移电流。(3-154)(3-155)根据电中性：,(3-156)(3-157)对上式微分（这为广义的集电极倍增因子
10、）：(1-158),(3-159)对大部分正常工作的晶体管:则NPN管的电流放大系数为：(3-160),将发射效率项展开，取一级近似，得：(3-161)(3-162),爱拜耳斯莫尔模型,爱拜耳斯莫尔(Ebers-Moll)方程(3-163)(3-164),(3-165)(3-166)式(3-163)和(3-165)称为爱拜耳斯莫尔方程,任何形状的晶体管均存在：针对图3-15（c)E-M等效模型有：（3-167）（3-168）、分别为两个二极管的反向饱和电流,端电流：（3-169）（3-170）（3-171）（3-172）,E-M模型参数与器件公共参数的关系（3-173）（3-174）（3-17
11、5）（3-176）互易关系：,上述E-M方程，只是一种非线性直流模型，通常记为E-M1模型。在E-M1模型的基础上计入非线性电荷储存效应和欧姆电阻，构成复杂的E-M2模型。如计入多种二级效应，如基区宽度调制，基区展宽效应以及器件参数随温度的变化等就构成三级E-M3模型。,漂移晶体管,缓变基区晶体管,由于基区受主杂质的不均匀分布，在热平衡时在中性基区形成一内建电场抵消扩散电流。内建电场主要作用：一是缩短注入电子渡越基区所需要的时间，从而改善晶体管的高温特性；二是基区渡越时间的减少，即电子在基区复合的几率下降，改善基区传输因子。,自建电场：,（3-177）,基区电子流：忽略基区复合，即基区电子流不
12、变。上式两边乘以 并对x从x到（基区）积分：,（3-178）,（3-179）,在正向有源工作模式下，基区内电子分布：（3-180）以x=0处的电子浓度求得基区电子流：（3-181）,积分代表基区中总的杂质原子数，称为根摩尔数；更窄的基区宽度，相应于更小的根摩尔数，可获得更大的电流。整个基区复合电流：（3-182）基区输运因子：（3-183）,（3-184）3影响电流放大系数的一些因素（1）发射结空间电荷区复合对发射效率的影响在发射极电流很小的情况下，发射结空间电荷区的复合电流可能比穿过发射结流入基区的少数载流子电流大。这部分复合损失降低晶体管的发射效率。（3-185）,（3-186）(2)发射
13、区重掺杂对发射效率的影响 发射区重掺杂也会引起发射效率的下降，这主要是由于禁带变窄和俄歇复合。,禁带变窄的影响（3-187）V1=9mV N0=1017cm-3 C=0.5（3-188）是位置的函数，nie也是位置的函数 nie的变化产生一自建电场，这一电场加速少子空穴流向发射极，降低发射效率。,（3-189）E俄歇复合的影响 俄歇复合是带间复合，复合几率与n2p成正比，在重掺杂半导体中，少子的寿命为俄歇寿命。少子寿命的减小使得少子扩散长度减少，使得注入到发射区的空穴密度增加，发射效率降低。对较宽的发射区，SHR复合为主；对很窄的发射区（小于2微米），以禁带变窄为主；对中等宽度的发射区，须考虑
14、两种因素的影响。在发射极电流很小的情况下，必须考虑SHR的影响。,（3）表面复合对基区输运系数的影响 在实际晶体管中注入基区的少数载流子不仅在体内复合，还有一部分将流到基区表面，在表面复合，使得基区输运系数下降。（3-190）在集电结反偏的情况下，注入到基区的电子流：（3-191）,（3-192）,（3-193）,（3-194）,(4)基区宽变效应对电流放大系数的影响当结电压变化时，其空间电荷区将发生相应的变化。集电结反偏增加，空间电荷区变宽，有效基区宽度减小，少数载流子密度梯度增加，电流增大，引起发射效率和基区输运系数的提高。,（3-195）,(5)集电极电流对电流放大系数的影响 高电流时增
15、益下降是由于注入的少子密度和基区的多子相比拟，使得发射结电流中基区向发射区注入的空穴电流增加，致使发射效率下降所致。,（6）温度对电流放大系数的影响与发射效率成正比(禁带变窄)，故温度上升，使得增大。发射区扩散长度随温度的升高而增加，故温度上升使增大。基区扩散长度随温度的升高而增加，则基区输运系数也增大。所以温度上升将引起电流放大系数增加。,5晶体管的反向电流晶体管的反向电流是检验其质量的一个重要参数。,（1）集电结反向电流ICBO：发射极开路时，集电极基极的反向电流。,反向电流主要由少子电流及多子电流两部分组成，由于集电结加反向偏压，势垒区两边的少子密度比平衡时的少子密度低得多，因此基区中的
16、少子(电子)及集电区中的少子(空穴)都向结区扩散，形成反向电流的少子部分。势垒区的产生电流是由势垒区中的复合中心提供的，它是多子电流，也构成了反向电流，硅晶体管的反向电流主要是多子电流。（3-196）（3-197）还需关注表面漏电流的影响,（2）IEBO为集电极开路，发射极-基极反向电流。（3-198）（3）ICEO为基极开路时，集电极-发射极反向电流。,当IB=0时，集电极和发射极电流都为ICEO（3-199）（3-200）（4）发射极浮动电压 在测量ICBO时，发射极是开路的，发射极-基极间存在一电位差，这称为发射极浮动电压。（3-201）,6晶体管的击穿电压（1）BVEBO和BVCBO
17、共基极连结时，VEBO和BVCBO分别由发射结和集电结的雪崩击穿电压决定。（2）BVCEO、BVCER、BVCEX、BVCES BVCEO 当VCE较高，集电结空间电荷区出现雪崩倍增效应，则通过集电结的所有载流子都被倍增：（3-202）,（3-203）（3-204）当当 时，集电结发生击穿 BVCEO BVCER BVCEX BVCES BVCBO,（3）穿通电压VPT随着集电结反向电压的增加集电结势垒区向两边扩展，使基区有效宽度减小如果晶体管的基区掺杂浓度比集电区低，基区宽度又较小，则有可能在集电结发生雪崩击穿之前，有效基区宽度减小到零，即发射区到集电区之间只有空间电荷而无中性基区，这种现象称为基区穿通发生基区穿通时的集电极电压称穿通电压，在穿通电压VPT下，集电极电流将迅速上升。（3-205）,
