第3章晶體管直流特性

1、1湖南大學電子科學與技術專業(yè)湖南大學電子科學與技術專業(yè)2第3章 晶體管直流特性 第1節(jié) 晶體管基本結構與放大機理第2節(jié) 晶體管直流電流電壓方程第3節(jié) 晶體管電流放大系數(shù)與特性曲線第4節(jié) 晶體管反向電流與擊穿電壓第5節(jié) 晶體管基極電阻電子器件基礎晶體管直流特性3 掌握雙極型晶體管的結構和雜質分布，放大機理和電流放大系數(shù)，直流電流電壓方程，反向電流和反向擊穿特性，基區(qū)電阻和寄生參數(shù)，直流特性的影響因素及其關系。 本章要求：電子器件基礎晶體管直流特性4電子器件基礎晶體管直流特性第1節(jié) 晶體管基本結構與放大機理C(N)B(P)E(N)C(P)B(N)E(P)B(基極)C(集電極)E(發(fā)射極)P(N)P

2、+(N+)N(P)集電結集電區(qū)發(fā)射結發(fā)射區(qū)基區(qū)1 晶體管結構l 晶體管又稱為晶體三極管l 兩種類型：P+NP、N+PNl 3區(qū)：集電區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)l 3極：集電極、基極、發(fā)射極l 兩個PN結：發(fā)射結、集電結 （背靠背，有機結合）5電子器件基礎晶體管直流特性晶體管的分類材料材料硅管極性極性NPN管鍺管PNP管砷化鎵管頻率頻率低頻晶體管磷化鎵管高頻晶體管管芯管芯結構結構合金管微波晶體管合金擴散管功率功率小功率晶體管臺面管中功率晶體管平面管大功率晶體管6電子器件基礎晶體管直流特性類型類型特征特征用途用途低頻小功率管特征頻率3MHz功率3MHz功率1W高頻振蕩電路、放大電路。低頻大功率管特征頻率1W

3、電子音響設備的低頻功率放大電路中功放管、大電流輸出穩(wěn)壓電源中調整管、低速開關電路中開關管。高頻大功率管特征頻率3MHz功率 1W無線通信等設備中功率驅動和放大、高頻功率放大和開關、穩(wěn)壓電路中。7電子器件基礎晶體管直流特性類型類型特征特征用途用途開關晶體管截止區(qū)和飽和區(qū)進行轉換工作，由基極脈沖信號控制通斷，是一種無接觸電子開關數(shù)字電路、驅動電路和電源電路高頻低噪聲管特征頻率高,，噪聲系數(shù)小，高頻應用時有一定功率增益高頻放大、振蕩及混頻電路差分對晶體管兩只性能一致的晶體管封裝成一體，以最簡單的方式構成性能優(yōu)良的差分放大器儀器、儀表輸入級的前置放大器復合晶體管各種極性晶體管按一定方式連接而構成的高電

4、流放大系數(shù)的晶體管較大功率輸出的電路8電子器件基礎晶體管直流特性合金管 WbxjexjcN-GeECBInIn + Ga PPxjexjcPPNWb1019cm-31018cm-31015cm-3NA-NDx0l N-Ge為襯底，雜質濃度最低；l 發(fā)射結、集電結均為突變結；均勻基區(qū)晶體管：基區(qū)雜質均勻分布（ 3個區(qū)）9電子器件基礎晶體管直流特性合金擴散管 PN+NP-GeEBCIn+Ga+SbZn+SbP PNxjexjcNA-NDx0NSWB = xjc- xjel 發(fā)射結(合金結)為突變結；l 集電結(擴散結)為緩變結；緩變基區(qū)晶體管：基區(qū)雜質濃度變化。10電子器件基礎晶體管直流特性外延平

5、面晶體管 EBCNPN+N+ -SiN-Si襯底 N+發(fā)射區(qū)集電區(qū) 絕緣層(SiO2 )P基區(qū) 金屬層(Al )N+ PNxjexjcNA-NDx0NSWB = xjc- xjeN+l N-Si為外延層濃度最低；l 發(fā)射結、集電結均為緩變結；臺面管：采用磨角使集電結形成臺面結構11電子器件基礎晶體管直流特性l PN結二極管的重要作用是具有單向導電性；l 晶體管的重要作用是具有放大能力；l 以均勻基區(qū)晶體管為例，分析晶體管內部載流子傳輸，定性說明晶體管的放大作用。l 對N+PN晶體管分析，P+NP管類似。2 晶體管的放大機理12電子器件基礎晶體管直流特性l無外加電壓作用l統(tǒng)一費米能級EFl多子：

6、nne ppb nncl雜質濃度：NENBNCl少子：pne npb qVDCl勢壘寬度：xme 0勢壘高度減小為q(VDEVE)發(fā)射區(qū)電子注入基區(qū)nb(x)基區(qū)空穴注入發(fā)射區(qū)pe(x)集電結：外加反偏電壓：VC ppb： IE = InE + IpEInE如 WB LnB： InC = InEIVBInE15電子器件基礎晶體管直流特性載流子傳輸 ECBPNN+IVBIEICIBInEInCIpEICBO16電子器件基礎晶體管直流特性第2節(jié) 晶體管直流電流電壓方程 1 均勻基區(qū)晶體管假設： (1) 理想突變結近似，雜質都是均勻分布； (2) 一維晶體管，平行平面結； (3) 電壓降在勢壘區(qū)，勢

7、壘區(qū)外無電場； (4) 勢壘區(qū)寬度比少子擴散長度小得多，勢壘 復合可以忽略； (5) 小注入，注入基區(qū)的少子濃度比基區(qū)多子 濃度少得多。 17電子器件基礎晶體管直流特性載流子濃度分布 且WbLnb，解得基區(qū)少子濃度線性分布：pbbKTqVpbbKTqVpbbnWxenWxenxncE) 1(1) 1()(/0)()(222nbpbbbLnxndxxnd注入基區(qū)的少子濃度滿足連續(xù)性方程：利用基區(qū)的邊界條件：KTqVpbbEenn/)0(KTqVpbbbCenWn/)(18電子器件基礎晶體管直流特性pncpc(x)npbnb(x)pnepe(x)n px-x1Wbx40LpeLpc1()/1( )

8、(1) ()peEx xLqVKTenenep xpeepxx 同理可推出發(fā)射區(qū)少子分布：集電區(qū)少子分布：4()/4( )(1) ()pcCx xLqVKTcncncp xpeepxxbKTqVpbbWxenxnE1)(/晶體管放大工作時發(fā)射結正偏，集電結反偏，均遠大于KT/q，則有：)0( bWx 19電子器件基礎晶體管直流特性基區(qū)電子電流密度： dxxdnqDxjbnbnb)()(/(1)cos(1)cos( )sinCEqVKTqVKTbpbpbnbnbnbnbnbbnbWxxnehnehLLqDjxLWhL 011CEnbpbqV / KTqV / KTbbnenbnbnbnbqD n

9、WWjj ( )coth(e)csch(e)LLL 11CEnbpbqV / KTqV / KTbbncnbbnbnbnbqD nWWjj (W )csch(e)coth(e)LLL 20電子器件基礎晶體管直流特性集電結反偏且 時，有： qKTVCKTqVbpbnbncnenbEeWnqDjjj/基區(qū)寬度很小（WbLnb）時，式中的雙曲函數(shù)展開，并只取一次冪，即x0時，cosh(x)=0，sinh(x)=x，有： ncneKTqVKTqVbpbnbnbjjeeWnqDxjCE)()(/基區(qū)內載流子復合可忽略，沒有載流子損失，jnb為常數(shù)。21電子器件基礎晶體管直流特性發(fā)射區(qū)空穴電流密度:發(fā)射區(qū)

10、內無電場，只有空穴擴散電流： peELxxKTqVpenepeepepeeeLpqDdxxdpqDxj/ )(/1) 1()(x -x1)e(LpqDj)x(jKT/qVpenepepepeE11)e(WpqDj)x(jKT/qVenepepepeE11We LpeLpe We22電子器件基礎晶體管直流特性集電區(qū)空穴電流密度:集電區(qū)內無電場，只有空穴擴散電流： pcCLxxKTqVpcncpccpcpceeLpqDdxxdpqDxj/ )(/4) 1()(x x4pcncpcKT/qVpcncpcpcpcLpqD)e(LpqDj)x(jC14cncpcKT/qVcncpcpcpcWpqD)e(

11、WpqDj)x(jC14Wc LpcLpc Wc23電子器件基礎晶體管直流特性發(fā)射極電流與集電極電流 1 1ECnbpbpeneqV / KTbEnepenbnbpenbpbqV / KTbnbnbqD nqD pWI( AjAj)Acoth(e)LLLqD nWAcsch(e)LL 1 1ECnbpbqV / KTbCncpcnbnbnbpbpcncqV / KTbnbnbpcqD nWIAjAjAcsch(e)LLqD nqD pWAcoth(e)LLL 24電子器件基礎晶體管直流特性peneKT/qVpepepebpbnbEII)e(LpqDWnqDAIE11 Enbpbnbpbpcnc

12、qV / KTCbbpcneCBOncCBOqD nqD nqD pIA(e)AWWLIIII 則上面兩式可簡化為：, bnbbnbCnbbnbbWLWLKTcothcsch, VLWLWq當WbLnb 時，25電子器件基礎晶體管直流特性2 緩變基區(qū)晶體管緩變基區(qū)中的自建電場 形成： 大多數(shù)晶體管是緩變基區(qū)，基區(qū)多子存在濃度梯度，引起空穴向濃度低的地方擴散，空穴擴散破壞基區(qū)電中性，在基區(qū)建立電場 Eb，方向為集電結指向發(fā)射結。N+ PNxjexjcNA-NDx0NSWb = xjc- xjeEb26電子器件基礎晶體管直流特性l 阻礙多子空穴繼續(xù)擴散， Eb 對空穴的漂移與空穴的擴散方向相反，達

13、到動態(tài)平衡時凈空穴電流為零；l 對發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的非平衡少子電子， Eb 起加速作用，使電子在基區(qū)運動得更快，集電結收集的電子數(shù)增加，電流增加?；鶇^(qū)自建電場的作用：N+ PNxjexjcNA-NDx0NSWb = xjc- xjeEb27電子器件基礎晶體管直流特性0bpbpbbbpbdp ( x)jqp ( x)E ( x)qDdx動態(tài)平衡時凈空穴電流密度為零：基區(qū)自建電場：11pbbBbpbbBDdp ( x)KTdN ( x)E ( x)p ( x)dxq N ( x)dx由基區(qū)摻雜濃度 NB(x) Eb(x)；對均勻基區(qū)晶體管，NB(x)= NB， Eb(x)=0。28電子器件基礎晶體

14、管直流特性如基區(qū)雜質濃度為指數(shù)分布：bWBBx e )(N)x(N0NB(0)：基區(qū)靠發(fā)射結邊界處雜質濃度，：電場因子均勻基區(qū)：NB(Wb)= NB(0)= NB， =0如NB(Wb)=51015cm-3，NB(0)= =51017cm-3，=4.6bbbKTE ( x)Eq W )()0(lnbBBWNN與 x 無關，為均勻電場取決于基區(qū)雜質濃度差29電子器件基礎晶體管直流特性緩變基區(qū)中少子濃度分布及電流密度 近似認為基區(qū)復合可忽略： jnb(x) = jnB ；電子在基區(qū)內既有擴散運動，也有漂移運動；移項后，從x 到Wb積分，集電結反偏，且 nb(Wb)=0，對于基區(qū)雜質濃度為指數(shù)分布，推

15、得：1 bnBnbbbnbnbBbBdn ( x)jqn ( x)E ( x)qDdxdqDN ( x) n ( x)N ( x) dx電子電流密度為：30電子器件基礎晶體管直流特性11 1bbWnBbBxnbBx()WnEbnbjn ( x)N ( x)dxqDN ( x)jWeqD l均勻基區(qū)晶體管=0，可求得nb(x)線性分布（羅比塔法則）l越大，基區(qū)電場越強，nb(x)下降，尤其靠發(fā)射區(qū)附近，載流子濃度梯度減小，是電場的漂移加速載流子運動的結果。31電子器件基礎晶體管直流特性 bbWWnBBBboonbj N ( x)dxd N ( x) n ( x)qD從0到Wb積分有： jnb(x

16、) = jnB = jnE ，集電結反偏，nb(Wb)=0，且：KT/qVBiKT/qVpbbEEe)(Nne )(n)(n0002bEbWoBKT/qVinbWoBbBnbnEdx)x(NenqDdx)x(N)(n)(NqDj200同樣方法可推得 jpE ，則 IE=A(jnE+jpE)32電子器件基礎晶體管直流特性基區(qū)少子連續(xù)性方程：nbbnBbnxjqtn1220bbbbnbnbbnbbnbd ndndEnDEndxdxdx代入 jnB得： 基區(qū)雜質濃度指數(shù)分布時，代入基區(qū)均勻電場得： 0222nbpbbbbbLnndxdnWdxnd解方程求出nb(x)，得到jnB，同樣方法推得jnE

17、、 jpE 、 jnC 、 jpC ，得到 IE 和 IC：嚴格推導思路（具體過程略）：33電子器件基礎晶體管直流特性)(pEnEEjjAI20101 0 1EebCpeiqV / KTnbpbooboEWW / gqV / KTabpbobqD nA qD n ()z coth z WegN ( x)dxA qD n ()ez csch z We )jj(AIpCnCC02011 01bEbCW / gqV / KTnbpbobpcncW / gqV / KTnbpboobpcA qD n ( )ezcsch z WeqD pA qD n ( )ez coth z WegL bWg21221

18、1nboLgz其中：34電子器件基礎晶體管直流特性第3節(jié) 晶體管電流放大系數(shù)與特性曲線 l 電流放大系數(shù)是晶體管的主要直流參數(shù)之一；l 不同偏置電壓接法，有不同的電流放大系數(shù)；l 輸出端電壓對放大系數(shù)有影響，先討論輸出短路情況；l 討論緩變基區(qū)晶體管電流放大系數(shù)。35電子器件基礎晶體管直流特性1 晶體管電流放大系數(shù) VEEBCN+PNVCICIEIBICBOInCInEIpEIVBnCCnEnCEnEECIIIIIIII電子運動三個過程：發(fā)射結發(fā)射電子；電子在基區(qū)輸運；集電結收集電子。CEII共基極電流放大系數(shù) 36電子器件基礎晶體管直流特性發(fā)射效率：111nEnEpEEnEpEnEIIIII

19、II注入基區(qū)的電子電流與發(fā)射極電流的比值 輸運系數(shù)：11*nCnEVBVBnEnEnEIIIIIII 到達集電極的電子電流與進入基區(qū)的電子電流之比，其差別即基區(qū)復合的損失。 集電區(qū)倍增因子：*1nCCBOnCIII反向飽和電流比電子(多子) 電流小得多。反壓接近雪崩擊穿電壓時，考慮集電結空間電荷區(qū)雪崩倍增： *CEI MMI 37電子器件基礎晶體管直流特性晶體管的放大作用 輸入電流變化IE，引起輸出端電流變化IC，且IC=IE，因為1，所以IC1，同時具有電流放大、電壓放大和功率放大。39電子器件基礎晶體管直流特性晶體管放大要求：IC IE IB外部條件：發(fā)射結正偏，有載流子注入，re??； 集

20、電結反偏，能夠收集載流子， rc大。內部條件： NE NB ，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)載流子數(shù)多， 發(fā)射效率高； WbLnb，基區(qū)載流子復合損失少，集電 結收集到的載流子數(shù)多，基區(qū)輸運系數(shù)大。 40電子器件基礎晶體管直流特性2 晶體管的特性曲線 反映各電極之間電流與電壓的關系輸入特性曲線 共基極：（ VCB一定時IEVBE的關系）lVCB = 0 時，集電結短路，輸入特性即發(fā)射結正向特性；lVCB增加， xmc增加， Wb減小， InE增加， IE增加。41電子器件基礎晶體管直流特性共發(fā)射極（ VCE一定時IBVBE的關系）lVCE = 0 時，集電極與發(fā)射極短路，集電結與發(fā)射結并聯(lián)，輸入特性即兩個并聯(lián)

21、PN結的正向特性；lVCE增加， xmc增加， Wb減小， IB減小；lVBE = 0時，基極與發(fā)射極短路，如VCE0，則VCB0，有集電結反向電流ICBO流過基極。ICBO42電子器件基礎晶體管直流特性輸出特性曲線 共基極：（ IE一定時ICVCB的關系） IC = IE + ICBOlIE = 0時，發(fā)射極開路，只有集電結反向電流ICBO流過；lIE增加(VBE增加)， IC增加；lVCB = 0時，集電結短路，發(fā)射結正偏，仍有電流IC流過；lVCB 0時，集電結正偏，發(fā)射結仍正偏，發(fā)射結和集電結向基區(qū)注入載流子方向相反，作用抵消， IC下降。43電子器件基礎晶體管直流特性共發(fā)射極（ IB

22、一定時ICVCE的關系） IC = IB + ICEOlIB = 0，基極開路， VCE使集電結反偏和發(fā)射結正偏，基區(qū)電流為ICBO，集電極電流(穿透電流) ICEO=(1+ )ICBO；lIB增加(VBE增加)， IC增加；lVCE = VCB +VBE， VCE = VBE時VCB = 0，集電結零偏，仍有電流IC流過，VCE 再下降，VCB 0時，集電結正偏，發(fā)射結仍正偏，IC下降。44電子器件基礎晶體管直流特性晶體管三個工作區(qū)飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)ICVCE0IB=0IBICEOVCE=VBE放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏，IB與IC近似成線性關系IC= IB，IB微小的變化可引起IC 較

23、大的變化，且IC幾乎與VCE無關，晶體管可看成受基極電流控制的恒流源。截止區(qū)：發(fā)射結反偏，集電結反偏，IC為穿透電流ICEO，晶體管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，相當于開路。45電子器件基礎晶體管直流特性飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏，VCE=VBE為臨界飽和線(集電結零偏)，當VCE 152/149 理想晶體管的輸入、輸出特性1. 共基極IE / mAVBE / VVCB輸入特性輸出特性IeIbIcVbeVcb53/149理想晶體管的輸入、輸出特性2. 共射極VCE輸入特性輸出特性IbIeIcVbeVce54電子器件基礎晶體管的直流特性4 影響電流放大系數(shù)的其他因素 對電流放大系數(shù)的影響除上述因素外，還有

24、一些次要因素。發(fā)射結勢壘區(qū)復合N+NPInEIpEIVEIEEBC發(fā)射結正偏，空間電荷區(qū)內載流子濃度高于平衡值，有凈復合產生，使從發(fā)射極進入的電子流過發(fā)射結勢壘區(qū)時要復合損失一部分，使發(fā)射效率降低。55電子器件基礎晶體管的直流特性考慮IVE 的總發(fā)射極電流： EnEpEVEIIII發(fā)射結勢壘區(qū)復合電流： 22EqV /KTiVEmenbnIAqxe發(fā)射效率： 12211 12EnEnEpEVEEnEpEVEnEnEqV /KTemebBbinbIIIIIIIIIIRx W NeRn L56Vbe Ic IvbIeIreIpeIne-x10增益 隨電流 Ic 變化vbrepenebcIIIIII

25、mkTqVbeexpnerenevbnepeIIIIII1pebbeLW222nbbLWkTqVbeexpkTqVmbe11expmdIdVdVdIdIdIIddcbebecccc11loglog57電子器件基礎晶體管的直流特性發(fā)射區(qū)重摻雜NE 增加使 提高，但NE過高又使發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄、俄歇復合增強，從而使 下降。（1）禁帶寬度變窄不考慮禁帶變窄時本征載流子濃度為： )KT/Eexp(TKngi32考慮禁帶寬度變窄，則本征載流子濃度為： gE)/exp(/ )(exp232KTEnKTEETKngiggie58電子器件基礎晶體管的直流特性發(fā)射區(qū)濃度分布不均勻，少子空穴分布不均勻產生自建電

26、場，用少數(shù)載流子濃度表示：)(xEedxdppqKTxEnenee1)(考慮禁帶變窄后的少子濃度： )()(2xNnxpEienedxxdNxNqKTdxdnnqKTxEEEieiee)()(12)(禁帶變窄附加電場與雜質濃度梯度形成電場的方向相反，它加速基區(qū)向發(fā)射區(qū)流入空穴，使發(fā)射效率降低。59電子器件基礎晶體管的直流特性考慮重摻雜影響后的發(fā)射效率為： EieieffNnnN22112211bbeeWWpeBpeBooooinbeffnbEWWieDN ( x)dxDN ( x)dxnDNdxDN ( x)dxn有效雜質濃度：重摻雜時禁帶變窄Eg使本征載流子濃度nie增加，附加電場加速基區(qū)向

27、發(fā)射區(qū)流入空穴，發(fā)射區(qū)復合增加，有效雜質濃度Neff 降低，發(fā)射效率降低。60電子器件基礎晶體管的直流特性同時考慮兩種復合，發(fā)射區(qū)空穴壽命為： ATp111為SHR復合壽命，典型值 。 為俄歇復合壽命。TAS710（2）俄歇復合（Auger復合）l 一般載流子復合是通過復合中心的間接復合，其理論模型是Shocly、Hall和Read建立的，稱為SHR復合。l 實驗證明重摻雜硅中載流子復合主要是俄歇復合，是一種帶間復合，復合率與 n2有關，復合時伴隨發(fā)射聲子，多余能量傳給晶格，加劇晶格振動。61電子器件基礎晶體管的直流特性在重摻雜（雜質濃度在1019cm-3以上時）的發(fā)射區(qū)中，雜質（多子）濃度高

28、，俄歇復合增加，發(fā)射區(qū)載流子壽命縮短，載流子復合增加，使注入到發(fā)射區(qū)的空穴濃度增加，空穴電流增大，發(fā)射效率降低。實驗得N型硅中：21nCnAP型硅中：21pCpA)(107 . 11631ScmCn)Scm(.Cp16311021俄歇復合系數(shù)：62電子器件基礎晶體管的直流特性表面復合在上節(jié)討論基區(qū)輸運系數(shù)時，我們只考慮基區(qū)輸運系數(shù)受體內復合損失的影響，實際上注入基區(qū)少子一部分要流到基區(qū)表面，在基區(qū)表面復合，形成表面復合電流 ISB，到達集電極的載流子減少，基區(qū)輸運系數(shù)下降?？紤]表面復合后，基區(qū)輸運系數(shù)為： 1*nCnEVBSBVBSBnEnEnEnEIIIIIIIIII 63電子器件基礎晶體管

29、的直流特性對緩變基區(qū)晶體管： KTqVpbSSBEenSqAI/)0(l 表面復合主要取決于表面狀態(tài)，在半導體表面必須有良好的保護；l 由于Si-SiO2界面存在界面態(tài)，使表面復合速度加大；l 基區(qū)濃度大，基區(qū)寬度大，表面復合嚴重?；鶇^(qū)輸運系數(shù)：2210bSbBnbnbBWAS W N*LA DN ( ) )0(/)0(2pbiBnnN64電子器件基礎晶體管的直流特性基區(qū)寬度調變效應（Early效應）晶體管放大工作，發(fā)射結正偏，結電壓變化不大，近似認為發(fā)射結空間電荷區(qū)寬度xme不變。而集電結反向偏壓VCE增加時，集電結空間電荷區(qū)寬度xmc增加，有一部分向基區(qū)擴展，使有效基區(qū)寬度Wb減小，電流放

30、大系數(shù) 增大。 E0bWbWCEVBEVCBNNPxmexmc65/149N+PNWb*WbVcb Wb* dnb/dx Ine Ic kTqVWnqADIIbebpbnbnecexp*0AccbbbccbbbccbcVIVWWIVWWIVIEarly 電壓cbbbAVWWV對非均勻基區(qū)晶體管cbbbbWbAVWWNdxxNVb)()(0影響輸出電阻影響輸出電阻66電子器件基礎晶體管的直流特性IB 不變時，IC= IB 隨VCE增加而增大，輸出特性曲線傾斜，特性曲線延長線與橫坐標軸的交點電壓VEA稱為厄爾利電壓。EAVCEV01BI2BI3BICI4BIICICVCE由三角形相似關系可得：EA

31、CEEACEEACCVVVVVII167電子器件基礎晶體管的直流特性EACEBCCCBCVVIIIIII144電流放大系數(shù)為： l VCE 越大，基區(qū)寬變效應越嚴重，輸出特性曲線越傾斜，VEA絕對值越小，電流放大系數(shù) 增加越大；l 由于 與VCE 有關，測量電流放大系數(shù)時，必須規(guī)定電壓的測試條件，如 VCE=5V；l 由于 與 IC 有關，測量電流放大系數(shù)時，必須規(guī)定電流的測試條件，如 ICE=5mA。68/149 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應之一 Webster 效應Dnb 2DnbkTqVLnDqAIIbenbinbnec2exp2kTqVWnqADIIbebpbnbnecexp0基

32、區(qū)大注入條件：npb(0) NbEx.：Si npn晶體管：若 Nb = 1017 cm-3 , 計算當 npb(0) = 0.1Nb 時所需的發(fā)射結偏壓Vbe .（答案：0.76 V）qVbe/kT qVbe/ 2kTkTqVLpqDIbepenepepeexp069/149Webster 效應 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應之一 Webster 效應增益 隨電流 Ic 變化vbrepenebcIIIIIInerenevbnepeIIIIII1 IckTqVIIbenepe2expkTqVIbene2exp113211mccII發(fā)射結復合電流基區(qū)復合Webster 效應kTqVIbepe

33、exp)2(22122nbnbnbbDDLW70/149 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應之二 Kirk 效應（基區(qū)展寬效應）pnxn+E集電區(qū)大注入：nc Nc集電極電流 Jc nc q ( Nb+ nc )q ( Nc nc )sccqvJn 飽和漂移速度71/149 晶體管的非理想現(xiàn)象中性nc = Ncnc Nc- - - - - - - - - - - -Emax問題：計算 Jc0 , nc0 max21EWVcbcscccNnqWE0max即ccbcsscNqWVqvJ202Jc Jc0 Wb Wb + Wb 5. 大注入效應之二 Kirk 效應Kirk 效應ccbcscNqWVn

34、202NcW臨界 Jc0nc = nc072/149 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應之三 發(fā)射極電流集邊效應（基極電阻自偏壓效應）Seff -發(fā)射極有效半寬qkTSVVVeffyy)()0(SeJ (Seff) = J (0) / ecebbpbeffILWNkTSzyxqkTILWScebeff73/149 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應之三 發(fā)射極電流集邊效應（基極電阻自偏壓效應）發(fā)射極電流分布kTyqVJyJee)(exp)0()(dyyJWLdyyIdryIydVbbbebbbb)()()()(dyLyJyJdIeceb)()(bebcebWyJWyJyJdydJ)(1)()(

35、kTyqVJWdyyVdebb)(exp)0(1)(22 V(y) Je (y) Seff = ? yyy+dy+dIBJC0)(yVy0EBrbbkTyqVkTyqV)(1)(exp74/149 晶體管的非理想現(xiàn)象6. 發(fā)射結結面積對 的影響n+pnAje*AjeoIneIne本征基區(qū)：Wb Lnb*jenejeojepenepeAJAAJII1 *1jejeojenejeojepenepeneneAAAJAAJIIII11*11nepejejeoJJAA要 則要 Ajeo/ Aje* 結面積大、結淺75/149實際晶體管的輸入、輸出特性Webster/Kirk 效應發(fā)射結復合電流影響Si

36、晶體管發(fā)射結復合電流Webster/Kirkrbb自偏壓Vbe (V)76/1492.3.6 實際晶體管的輸入、輸出特性2.3 直流特性281. 共基極輸入、輸出特性EBCEarly 效應輸入特性輸出特性N+PNWb*WbVcb Wb* dnb/dx Ine Ic 0, 0ccbIVdnb/dx 77/1492.3.6 實際晶體管的輸入、輸出特性2.3 直流特性292. 共射極輸入、輸出特性輸入特性輸出特性BECEarly 效應Early 效應問題：為什么Early效應對共發(fā)射極輸出特性有明顯影響，而共基極輸出特性卻無明顯影響？cbobbeIIV , 0基區(qū)復合減少78電子器件基礎晶體管直流特

37、性第4節(jié) 晶體管反向電流與擊穿電壓NPN+CEBVCBICBONPN+CEBVEBIEBOICBO：發(fā)射極開路，集電結的反向電流。IEBO：集電極開路，發(fā)射結的反向電流。ICEO：基極開路，集電極與發(fā)射結之間的反向電流穿透電流。1 晶體管反向電流特點：不受輸入電流控制，對放大無貢獻； 消耗部分電源能量；影響穩(wěn)定工作。79電子器件基礎晶體管的直流特性BNPN+CEVCEICEOCBOECIII基極開路 0BIECCEOIII由于：CBOCBOCEOI )(II111基極開路時，雖 IB=0，但VCE同時使集電結反偏，發(fā)射結正偏，晶體管具有放大作用，流過集電極和發(fā)射極的總電流ICEO是集電結反向電

38、流ICBO的 1+ 倍。80電子器件基礎晶體管的直流特性CEOIVBICBOInCIpEInEICEVCEBCEOIVCE使集電結反偏，有電流ICBO流入基區(qū)，相當于基極電流IB =ICBO ；基極開路，有：0CBOVBpEBIIIIVBpECBOIII發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)電流 InE，基區(qū)輸運過程復合損失電流 IVB，集電結收集電流 InC = IB，則： I )(II IIICBOCBOCBOCBOnCCEO181電子器件基礎晶體管直流特性NPN+CEBBVCBOICBONPN+CEBBVEBOIEBO2 晶體管擊穿電壓 （決定了外加電壓的上限）BVCBO：發(fā)射極開路，集電結反向擊穿

39、電壓。BVEBO：集電極開路，發(fā)射結反向擊穿電壓。82電子器件基礎晶體管直流特性11nCBOBVVM考慮集電結高反壓偏置，有載流子倍增因子：BNPN+CEBVCEOICEOMIMIMIIICBOCCBOECMMIICBOC1當M1時，IC集電結擊穿，V=BVCEO基極開路，IB=0BVCEO：基極開路，集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。83電子器件基礎晶體管直流特性l 由于 1，只要M稍大于1，集電結只要發(fā)生小量倍增，就能滿足M=1，就會引起 IC 劇增而發(fā)生擊穿；l 單獨集電結擊穿電壓BVCBO是雪崩倍增因子M時集電結的反向偏壓；l BVCEO 0 ， rCE 式中分子出現(xiàn)負值， rCE 0，

40、出現(xiàn)負阻特性；86電子器件基礎晶體管直流特性（iii）隨著IC不斷增大， 增大變緩， d/dIC減小，再次使rCE式中分子為0，再次出現(xiàn)rCE =0 ，電壓出現(xiàn)谷值Vsus。（iv）當 IC 到達谷值后再繼續(xù)增大時， 大電流時 減小，d/dIC0，故 IC 隨 VCE 增加而增大。CECBOCCBOCCECEdVdMIdIdMIaMdIdVr22)1 (87電子器件基礎晶體管直流特性峰值處： 1-M=0，集電結產生雪 崩擊穿， V= BVCEO，VB= BVCBO11111nCBOCEOnBBVBVVVMnCBOCBOnCEOBVBVBV1188電子器件基礎晶體管直流特性谷值處：0122CCB

41、OdIdMI)M(集電結產生雪崩擊穿，V=Vsus，集電結VB= BVCBOnCBOsus/cCBOBVVdIdIM1121CEOn/CCBOCBOsusBVdIdIBVV1211因ICBO很小，可以忽略時， Vsus= BVCEO ，負阻區(qū)很小，電壓下降很小。89電子器件基礎晶體管直流特性不同基極偏置條件的擊穿電壓VCEBVCEORLCEBrbRBRBVBBVCESBVCERBVCEXTBVCEZRBVB晶體管工作時，基極并不只是開路的，常在基極與發(fā)射極之間串接外電阻，或者電源，或者短路。晶體管的工作情況不同，C-E極間的擊穿電壓也不同。BVCEZ BVCEO BVCER BVCES BVC

42、EX BVCBO90電子器件基礎晶體管直流特性3 穿通電壓發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)（外延層）耗盡層襯底CBEPN+NN+WcWbl 集成電路中外延平面晶體管正常工作時的結構如圖，有正常擊穿特性；l 為減小晶體管集電區(qū)的電阻，采用高摻雜的N+襯底；l 為保證擊穿電壓的要求選擇集電區(qū)外延層的雜質濃度。91電子器件基礎晶體管直流特性PN+NN+外延層穿通 WcNC，集電結空間電荷區(qū)主要向集電區(qū)一側擴展，只有Wb 很小時，才可能發(fā)生基區(qū)穿通；鍺合金管： NBNC，集電結空間電荷區(qū)主要向基區(qū)一側擴展，而電流放大系數(shù)要求Wb不能太大，容易發(fā)生基區(qū)穿通；由突變結 xm= Wb得穿通電壓：obBPTWqNV22防止發(fā)生基區(qū)穿通，基區(qū)寬度Wb的下限：2/12BCEOobqNBVW94電子器件基礎晶體管直流特性第5節(jié) 晶體管基極電阻 晶體管的基極電流 IB 的方向平行于結平面， IB 是橫向的多數(shù)載流子電流；基區(qū)薄，Wb小，NB不高，基區(qū)存在一定的電阻基極電阻 rb 95電子器件基礎晶體管直流特性基極