第3章晶體管直流特性

1、1湖南大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)湖南大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2第3章 晶體管直流特性 第1節(jié) 晶體管基本結(jié)構(gòu)與放大機(jī)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(chǔ)晶體管直流特性3 掌握雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)分布，放大機(jī)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(guān)系。 本章要求：電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性4電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性第1節(jié) 晶體管基本結(jié)構(gòu)與放大機(jī)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(jié)集電區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)1 晶體管結(jié)構(gòu)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(gè)PN結(jié)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié) （背靠背，有機(jī)結(jié)合）5電子器件基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合金管微波晶體管合金擴(kuò)散管功率功率小功率晶體管臺(tái)面管中功率晶體管平面管大功率晶體管6電子器件基礎(chǔ)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(shè)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(diào)整管、低速開(kāi)關(guān)電路中開(kāi)關(guān)管。高頻大功率管特征頻率3MHz功率 1W無(wú)線通信等設(shè)備中功率驅(qū)動(dòng)和放大、高頻功率放大和開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓電路中。7電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性類型類型特征特征用途用途開(kāi)關(guān)晶體管截止區(qū)和飽和區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)換工作，由基極脈沖信號(hào)控制通斷，是一種無(wú)接觸電子開(kāi)關(guān)數(shù)字電路、驅(qū)動(dòng)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(yīng)用時(shí)有一定功率增益高頻放大、振蕩及混頻電路差分對(duì)晶體管兩只性能一致的晶體管封裝成一體，以最簡(jiǎn)單的方式構(gòu)成性能優(yōu)良的差分放大器儀器、儀表輸入級(jí)的前置放大器復(fù)合晶體管各種極性晶體管按一定方式連接而構(gòu)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(chǔ)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(zhì)濃度最低；l 發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均為突變結(jié)；均勻基區(qū)晶體管：基區(qū)雜質(zhì)均勻分布（ 3個(gè)區(qū)）9電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性合金擴(kuò)散管 PN+NP-GeEBCIn+Ga+SbZn+SbP PNxjexjcNA-NDx0NSWB = xjc- xjel 發(fā)射結(jié)(合金結(jié))為突變結(jié)；l 集電結(jié)(擴(kuò)散結(jié))為緩變結(jié)；緩變基區(qū)晶體管：基區(qū)雜質(zhì)濃度變化。10電子器件基礎(chǔ)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(jié)、集電結(jié)均為緩變結(jié)；臺(tái)面管：采用磨角使集電結(jié)形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)11電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性l PN結(jié)二極管的重要作用是具有單向?qū)щ娦?；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(nèi)部載流子傳輸，定性說(shuō)明晶體管的放大作用。l 對(duì)N+PN晶體管分析，P+NP管類似。2 晶體管的放大機(jī)理12電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性l無(wú)外加電壓作用l統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)EFl多子：

6、nne ppb nncl雜質(zhì)濃度：NENBNCl少子：pne npb qVDCl勢(shì)壘寬度：xme 0勢(shì)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(jié)：外加反偏電壓：VC ppb： IE = InE + IpEInE如 WB LnB： InC = InEIVBInE15電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性載流子傳輸 ECBPNN+IVBIEICIBInEInCIpEICBO16電子器件基礎(chǔ)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(shè)： (1) 理想突變結(jié)近似，雜質(zhì)都是均勻分布； (2) 一維晶體管，平行平面結(jié)； (3) 電壓降在勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)

7、壘區(qū)外無(wú)電場(chǎng)； (4) 勢(shì)壘區(qū)寬度比少子擴(kuò)散長(zhǎng)度小得多，勢(shì)壘 復(fù)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，均遠(yuǎn)大于KT/q，則有：)0( bWx 19電子器件基礎(chǔ)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(chǔ)晶體管直流特性集電結(jié)反偏且 時(shí)，有： qKTVCKTqVbpbnbncnenbEeWnqDjjj/基區(qū)寬度很?。╓bLnb）時(shí)，式中的雙曲函數(shù)展開(kāi)，并只取一次冪，即x0時(shí)，cosh(x)=0，sinh(x)=x，有： ncneKTqVKTqVbpbnbnbjjeeWnqDxjCE)()(/基區(qū)內(nèi)載流子復(fù)合可忽略，沒(méi)有載流子損失，jnb為常數(shù)。21電子器件基礎(chǔ)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(nèi)無(wú)電場(chǎng)，只有空穴擴(kuò)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(chǔ)晶體管直流特性集電區(qū)空穴電流密度:集電區(qū)內(nèi)無(wú)電場(chǎng)，只有空穴擴(kuò)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(chǔ)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(chǔ)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(jiǎn)化為：, bnbbnbCnbbnbbWLWLKTcothcsch, VLWLWq當(dāng)WbLnb 時(shí)，25電子器件基礎(chǔ)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(chǎng) 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(kuò)散，空穴擴(kuò)散破壞基區(qū)電中性，在基區(qū)建立電場(chǎng) Eb，方向?yàn)榧娊Y(jié)指向發(fā)射結(jié)。N+ PNxjexjcNA-NDx0NSWb = xjc- xjeEb26電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性l 阻礙多子空穴繼續(xù)擴(kuò)散， Eb 對(duì)空穴的漂移與空穴的擴(kuò)散方向相反，達(dá)

13、到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)凈空穴電流為零；l 對(duì)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(yùn)動(dòng)得更快，集電結(jié)收集的電子數(shù)增加，電流增加?；鶇^(qū)自建電場(chǎng)的作用：N+ PNxjexjcNA-NDx0NSWb = xjc- xjeEb27電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性0bpbpbbbpbdp ( x)jqp ( x)E ( x)qDdx動(dòng)態(tài)平衡時(shí)凈空穴電流密度為零：基區(qū)自建電場(chǎng)：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(duì)均勻基區(qū)晶體管，NB(x)= NB， Eb(x)=0。28電子器件基礎(chǔ)晶體

14、管直流特性如基區(qū)雜質(zhì)濃度為指數(shù)分布：bWBBx e )(N)x(N0NB(0)：基區(qū)靠發(fā)射結(jié)邊界處雜質(zhì)濃度，：電場(chǎng)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(wú)關(guān)，為均勻電場(chǎng)取決于基區(qū)雜質(zhì)濃度差29電子器件基礎(chǔ)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(rèn)為基區(qū)復(fù)合可忽略： jnb(x) = jnB ；電子在基區(qū)內(nèi)既有擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也有漂移運(yùn)動(dòng)；移項(xiàng)后，從x 到Wb積分，集電結(jié)反偏，且 nb(Wb)=0，對(duì)于基區(qū)雜質(zhì)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(chǔ)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(chǎng)越強(qiáng)，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(chǎng)的漂移加速載流子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。31電子器件基礎(chǔ)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(jié)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(chǔ)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(zhì)濃度指數(shù)分布時(shí)，代入基區(qū)均勻電場(chǎng)得： 0222nbpbbbbbLnndxdnWdxnd解方程求出nb(x)，得到j(luò)nB，同樣方法推得jnE

17、、 jpE 、 jnC 、 jpC ，得到 IE 和 IC：嚴(yán)格推導(dǎo)思路（具體過(guò)程略）：33電子器件基礎(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)晶體管直流特性1 晶體管電流放大系數(shù) VEEBCN+PNVCICIEIBICBOInCInEIpEIVBnCCnEnCEnEECIIIIIIII電子運(yùn)動(dòng)三個(gè)過(guò)程：發(fā)射結(jié)發(fā)射電子；電子在基區(qū)輸運(yùn)；集電結(jié)收集電子。CEII共基極電流放大系數(shù) 36電子器件基礎(chǔ)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(yùn)系數(shù)：11*nCnEVBVBnEnEnEIIIIIII 到達(dá)集電極的電子電流與進(jìn)入基區(qū)的電子電流之比，其差別即基區(qū)復(fù)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(shí)，考慮集電結(jié)空間電荷區(qū)雪崩倍增： *CEI MMI 37電子器件基礎(chǔ)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?yàn)?，所以IC1，同時(shí)具有電流放大、電壓放大和功率放大。39電子器件基礎(chǔ)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(jié)正偏，有載流子注入，re??； 集

20、電結(jié)反偏，能夠收集載流子， rc大。內(nèi)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(fù)合損失少，集電 結(jié)收集到的載流子數(shù)多，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)大。 40電子器件基礎(chǔ)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(guān)系輸入特性曲線 共基極：（ VCB一定時(shí)IEVBE的關(guān)系）lVCB = 0 時(shí)，集電結(jié)短路，輸入特性即發(fā)射結(jié)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(chǔ)晶體管直流特性共發(fā)射極（ VCE一定時(shí)IBVBE的關(guān)系）lVCE = 0 時(shí)，集電極與發(fā)射極短路，集電結(jié)與發(fā)射結(jié)并聯(lián)，輸入特性即兩個(gè)并聯(lián)

21、PN結(jié)的正向特性；lVCE增加， xmc增加， Wb減小， IB減小；lVBE = 0時(shí)，基極與發(fā)射極短路，如VCE0，則VCB0，有集電結(jié)反向電流ICBO流過(guò)基極。ICBO42電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性輸出特性曲線 共基極：（ IE一定時(shí)ICVCB的關(guān)系） IC = IE + ICBOlIE = 0時(shí)，發(fā)射極開(kāi)路，只有集電結(jié)反向電流ICBO流過(guò)；lIE增加(VBE增加)， IC增加；lVCB = 0時(shí)，集電結(jié)短路，發(fā)射結(jié)正偏，仍有電流IC流過(guò)；lVCB 0時(shí)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)仍正偏，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)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(chǔ)晶體管直流特性共發(fā)射極（ IB

22、一定時(shí)ICVCE的關(guān)系） IC = IB + ICEOlIB = 0，基極開(kāi)路， VCE使集電結(jié)反偏和發(fā)射結(jié)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(shí)VCB = 0，集電結(jié)零偏，仍有電流IC流過(guò)，VCE 再下降，VCB 0時(shí)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)仍正偏，IC下降。44電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性晶體管三個(gè)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(jié)正偏，集電結(jié)反偏，IB與IC近似成線性關(guān)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(wú)關(guān)，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(jié)反偏，集電結(jié)反偏，IC為穿透電流ICEO，晶體管呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)路。45電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，VCE=VBE為臨界飽和線(集電結(jié)零偏)，當(dāng)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(chǔ)晶體管的直流特性4 影響電流放大系數(shù)的其他因素 對(duì)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(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合N+NPInEIpEIVEIEEBC發(fā)射結(jié)正偏，空間電荷區(qū)內(nèi)載流子濃度高于平衡值，有凈復(fù)合產(chǎn)生，使從發(fā)射極進(jìn)入的電子流過(guò)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)時(shí)要復(fù)合損失一部分，使發(fā)射效率降低。55電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性考慮IVE 的總發(fā)射極電流： EnEpEVEIIII發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)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(chǔ)晶體管的直流特性發(fā)射區(qū)重?fù)诫sNE 增加使 提高，但NE過(guò)高又使發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄、俄歇復(fù)合增強(qiáng)，從而使 下降。（1）禁帶寬度變窄不考慮禁帶變窄時(shí)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(chǔ)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(chǎn)生自建電

26、場(chǎng)，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(chǎng)與雜質(zhì)濃度梯度形成電場(chǎng)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(chǔ)晶體管的直流特性考慮重?fù)诫s影響后的發(fā)射效率為： EieieffNnnN22112211bbeeWWpeBpeBooooinbeffnbEWWieDN ( x)dxDN ( x)dxnDNdxDN ( x)dxn有效雜質(zhì)濃度：重?fù)诫s時(shí)禁帶變窄Eg使本征載流子濃度nie增加，附加電場(chǎng)加速基區(qū)向

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

28、，俄歇復(fù)合增加，發(fā)射區(qū)載流子壽命縮短，載流子復(fù)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(shí)驗(yàn)得N型硅中：21nCnAP型硅中：21pCpA)(107 . 11631ScmCn)Scm(.Cp16311021俄歇復(fù)合系數(shù)：62電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性表面復(fù)合在上節(jié)討論基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)時(shí)，我們只考慮基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)受體內(nèi)復(fù)合損失的影響，實(shí)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(fù)合，形成表面復(fù)合電流 ISB，到達(dá)集電極的載流子減少，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)下降?？紤]表面復(fù)合后，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為： 1*nCnEVBSBVBSBnEnEnEnEIIIIIIIIII 63電子器件基礎(chǔ)晶體管

29、的直流特性對(duì)緩變基區(qū)晶體管： KTqVpbSSBEenSqAI/)0(l 表面復(fù)合主要取決于表面狀態(tài)，在半導(dǎo)體表面必須有良好的保護(hù)；l 由于Si-SiO2界面存在界面態(tài)，使表面復(fù)合速度加大；l 基區(qū)濃度大，基區(qū)寬度大，表面復(fù)合嚴(yán)重?；鶇^(qū)輸運(yùn)系數(shù)：2210bSbBnbnbBWAS W N*LA DN ( ) )0(/)0(2pbiBnnN64電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性基區(qū)寬度調(diào)變效應(yīng)（Early效應(yīng)）晶體管放大工作，發(fā)射結(jié)正偏，結(jié)電壓變化不大，近似認(rèn)為發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度xme不變。而集電結(jié)反向偏壓VCE增加時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度xmc增加，有一部分向基區(qū)擴(kuò)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(duì)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(chǔ)晶體管的直流特性IB 不變時(shí)，IC= IB 隨VCE增加而增大，輸出特性曲線傾斜，特性曲線延長(zhǎng)線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)電壓VEA稱為厄爾利電壓。EAVCEV01BI2BI3BICI4BIICICVCE由三角形相似關(guān)系可得：EA

31、CEEACEEACCVVVVVII167電子器件基礎(chǔ)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(yīng)越嚴(yán)重，輸出特性曲線越傾斜，VEA絕對(duì)值越小，電流放大系數(shù) 增加越大；l 由于 與VCE 有關(guān)，測(cè)量電流放大系數(shù)時(shí)，必須規(guī)定電壓的測(cè)試條件，如 VCE=5V；l 由于 與 IC 有關(guān)，測(cè)量電流放大系數(shù)時(shí)，必須規(guī)定電流的測(cè)試條件，如 ICE=5mA。68/149 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應(yīng)之一 Webster 效應(yīng)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(jì)算當(dāng) npb(0) = 0.1Nb 時(shí)所需的發(fā)射結(jié)偏壓Vbe .（答案：0.76 V）qVbe/kT qVbe/ 2kTkTqVLpqDIbepenepepeexp069/149Webster 效應(yīng) 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應(yīng)之一 Webster 效應(yīng)增益 隨電流 Ic 變化vbrepenebcIIIIIInerenevbnepeIIIIII1 IckTqVIIbenepe2expkTqVIbene2exp113211mccII發(fā)射結(jié)復(fù)合電流基區(qū)復(fù)合Webster 效應(yīng)kTqVIbepe

33、exp)2(22122nbnbnbbDDLW70/149 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應(yīng)之二 Kirk 效應(yīng)（基區(qū)展寬效應(yīng)）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(wèn)題：計(jì)算 Jc0 , nc0 max21EWVcbcscccNnqWE0max即ccbcsscNqWVqvJ202Jc Jc0 Wb Wb + Wb 5. 大注入效應(yīng)之二 Kirk 效應(yīng)Kirk 效應(yīng)ccbcscNqWVn

34、202NcW臨界 Jc0nc = nc072/149 晶體管的非理想現(xiàn)象5. 大注入效應(yīng)之三 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（基極電阻自偏壓效應(yīng)）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(yīng)之三 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（基極電阻自偏壓效應(yīng)）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(jié)結(jié)面積對(duì) 的影響n+pnAje*AjeoIneIne本征基區(qū)：Wb Lnb*jenejeojepenepeAJAAJII1 *1jejeojenejeojepenepeneneAAAJAAJIIII11*11nepejejeoJJAA要 則要 Ajeo/ Aje* 結(jié)面積大、結(jié)淺75/149實(shí)際晶體管的輸入、輸出特性Webster/Kirk 效應(yīng)發(fā)射結(jié)復(fù)合電流影響Si

36、晶體管發(fā)射結(jié)復(fù)合電流Webster/Kirkrbb自偏壓Vbe (V)76/1492.3.6 實(shí)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(yīng)輸入特性輸出特性N+PNWb*WbVcb Wb* dnb/dx Ine Ic 0, 0ccbIVdnb/dx 77/1492.3.6 實(shí)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(yīng)Early 效應(yīng)問(wèn)題：為什么Early效應(yīng)對(duì)共發(fā)射極輸出特性有明顯影響，而共基極輸出特性卻無(wú)明顯影響？cbobbeIIV , 0基區(qū)復(fù)合減少78電子器件基礎(chǔ)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(kāi)路，集電結(jié)的反向電流。IEBO：集電極開(kāi)路，發(fā)射結(jié)的反向電流。ICEO：基極開(kāi)路，集電極與發(fā)射結(jié)之間的反向電流穿透電流。1 晶體管反向電流特點(diǎn)：不受輸入電流控制，對(duì)放大無(wú)貢獻(xiàn)； 消耗部分電源能量；影響穩(wěn)定工作。79電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性BNPN+CEVCEICEOCBOECIII基極開(kāi)路 0BIECCEOIII由于：CBOCBOCEOI )(II111基極開(kāi)路時(shí)，雖 IB=0，但VCE同時(shí)使集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，晶體管具有放大作用，流過(guò)集電極和發(fā)射極的總電流ICEO是集電結(jié)反向電

38、流ICBO的 1+ 倍。80電子器件基礎(chǔ)晶體管的直流特性CEOIVBICBOInCIpEInEICEVCEBCEOIVCE使集電結(jié)反偏，有電流ICBO流入基區(qū)，相當(dāng)于基極電流IB =ICBO ；基極開(kāi)路，有：0CBOVBpEBIIIIVBpECBOIII發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)電流 InE，基區(qū)輸運(yùn)過(guò)程復(fù)合損失電流 IVB，集電結(jié)收集電流 InC = IB，則： I )(II IIICBOCBOCBOCBOnCCEO181電子器件基礎(chǔ)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(kāi)路，集電結(jié)反向擊穿

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

40、出現(xiàn)負(fù)阻特性；86電子器件基礎(chǔ)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(dāng) IC 到達(dá)谷值后再繼續(xù)增大時(shí)， 大電流時(shí) 減小，d/dIC0，故 IC 隨 VCE 增加而增大。CECBOCCBOCCECEdVdMIdIdMIaMdIdVr22)1 (87電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性峰值處： 1-M=0，集電結(jié)產(chǎn)生雪 崩擊穿， V= BVCEO，VB= BVCBO11111nCBOCEOnBBVBVVVMnCBOCBOnCEOBVBVBV1188電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性谷值處：0122CCB

41、OdIdMI)M(集電結(jié)產(chǎn)生雪崩擊穿，V=Vsus，集電結(jié)VB= BVCBOnCBOsus/cCBOBVVdIdIM1121CEOn/CCBOCBOsusBVdIdIBVV1211因ICBO很小，可以忽略時(shí)， Vsus= BVCEO ，負(fù)阻區(qū)很小，電壓下降很小。89電子器件基礎(chǔ)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(shí)，基極并不只是開(kāi)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(chǔ)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(shí)的結(jié)構(gòu)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(zhì)濃度。91電子器件基礎(chǔ)晶體管直流特性PN+NN+外延層穿通 WcNC，集電結(jié)空間電荷區(qū)主要向集電區(qū)一側(cè)擴(kuò)展，只有Wb 很小時(shí)，才可能發(fā)生基區(qū)穿通；鍺合金管： NBNC，集電結(jié)空間電荷區(qū)主要向基區(qū)一側(cè)擴(kuò)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(jié) 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(chǔ)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(jié)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(chǔ)晶體管直流特性基極