半導(dǎo)體物理_第十章

1、 第十章第十章 雙極型晶體管雙極型晶體管本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：1. 1. 了解雙極型晶體管的基本工作原理，并建立其電流電壓關(guān)系；了解雙極型晶體管的基本工作原理，并建立其電流電壓關(guān)系；2. 2. 分析并推導(dǎo)出雙極型晶體管內(nèi)部少數(shù)載流子的分布情況；分析并推導(dǎo)出雙極型晶體管內(nèi)部少數(shù)載流子的分布情況；3. 3. 分析決定雙極型晶體管共基極電流增益的影響因子并推導(dǎo)出分析決定雙極型晶體管共基極電流增益的影響因子并推導(dǎo)出 其數(shù)學(xué)表達(dá)式；其數(shù)學(xué)表達(dá)式；4. 4. 了解雙極型晶體管中的幾個(gè)非理想效應(yīng)；了解雙極型晶體管中的幾個(gè)非理想效應(yīng)；5. 5. 建立雙極型晶體管的小信號等效電路模型；建立雙極型晶體管的小

2、信號等效電路模型；6. 6. 掌握分析雙極型晶體管頻率限制因素的方法；掌握分析雙極型晶體管頻率限制因素的方法；7. 7. 掌握分析雙極型晶體管大信號開關(guān)特性的方法。掌握分析雙極型晶體管大信號開關(guān)特性的方法。 雙極結(jié)型晶體管（雙極結(jié)型晶體管（Bipolar JunctionBipolar JunctionTransistorTransistor，BJTBJT），有時(shí)也簡稱為雙極型晶），有時(shí)也簡稱為雙極型晶體管或雙極晶體管，之所以稱為雙極型器件，體管或雙極晶體管，之所以稱為雙極型器件，是因?yàn)槠涔ぷ鬟^程中包含了是因?yàn)槠涔ぷ鬟^程中包含了電子和空穴兩種電子和空穴兩種載流子載流子的運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng). . 雙極型

3、晶體管包含雙極型晶體管包含3 3個(gè)獨(dú)立的摻雜區(qū)域個(gè)獨(dú)立的摻雜區(qū)域（NPNNPN或或PNPPNP），由此構(gòu)成兩個(gè)靠得很近且二），由此構(gòu)成兩個(gè)靠得很近且二者之間具有相互作用者之間具有相互作用PNPN結(jié)結(jié)，雙極型晶體管的，雙極型晶體管的工作原理與這兩個(gè)工作原理與這兩個(gè)PNPN結(jié)的特性密切相關(guān)。結(jié)的特性密切相關(guān)。10.1 10.1 雙極型晶體管的基本工作原理雙極型晶體管的基本工作原理組成情況：三個(gè)摻雜區(qū)，兩個(gè)組成情況：三個(gè)摻雜區(qū)，兩個(gè)PNPN結(jié)兩種結(jié)構(gòu)：結(jié)兩種結(jié)構(gòu)：NPNNPN型型BJTBJT：兩個(gè)：兩個(gè)N N型區(qū)中間夾著一個(gè)薄的型區(qū)中間夾著一個(gè)薄的P P型區(qū)；型區(qū)；PNPPNP型型BJTBJT：兩個(gè)

4、：兩個(gè)P P型區(qū)中間夾著一個(gè)薄的型區(qū)中間夾著一個(gè)薄的N N型區(qū)；型區(qū)； BJT BJT中中通常發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高通常發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高(10(101919/cm/cm3 3) )，基，基區(qū)次之區(qū)次之(10(101717，10101818) )，而收集區(qū)的摻雜濃度（，而收集區(qū)的摻雜濃度（10101515）則最低。則最低。實(shí)際實(shí)際BJTBJT的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖例例1 1：傳統(tǒng)雙極型集成電路中的：傳統(tǒng)雙極型集成電路中的BJTBJT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用PNPN結(jié)；結(jié)；實(shí)際實(shí)際BJTBJT的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖例例2 2：先進(jìn)的雙層多晶硅：先進(jìn)的雙

5、層多晶硅BJTBJT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用絕緣介質(zhì)；埋層：減小串聯(lián)電阻；隔離：采用絕緣介質(zhì)；1. 1. 基本的工作原理基本的工作原理 NPNNPN型型BJTBJT與與PNPPNP型型BJTBJT是完全互補(bǔ)的兩種雙極是完全互補(bǔ)的兩種雙極型晶體管，將以型晶體管，將以NPNNPN型器件為例來進(jìn)行討論分析。型器件為例來進(jìn)行討論分析。理想情況下，一個(gè)均勻摻雜的理想情況下，一個(gè)均勻摻雜的NPNNPN型型BJTBJT的摻雜的摻雜分布如下圖所示：分布如下圖所示：正常工作時(shí)，正常工作時(shí)，BJTBJT器件的發(fā)射結(jié)（器件的發(fā)射結(jié)（E-BE-B結(jié)）處于正向偏結(jié)）處于正向偏置狀態(tài)，而其收集結(jié)（置狀態(tài)，而

6、其收集結(jié)（B-CB-C結(jié)）則處于反向偏置狀態(tài)，結(jié)）則處于反向偏置狀態(tài)，這種情況通常稱為這種情況通常稱為正向放大模式。正向放大模式。A. A. 發(fā)射結(jié)正偏，電子由發(fā)射結(jié)正偏，電子由N N型發(fā)射區(qū)越過發(fā)射結(jié)空間電型發(fā)射區(qū)越過發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入基區(qū)，并在基區(qū)中形成非平衡過剩少子荷區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入基區(qū)，并在基區(qū)中形成非平衡過剩少子電子的濃度分布，電子的濃度分布，基區(qū)中少子電子的濃度分布是發(fā)射基區(qū)中少子電子的濃度分布是發(fā)射結(jié)上外加正偏電壓的函數(shù)，結(jié)上外加正偏電壓的函數(shù)，發(fā)射區(qū)中的電子電流是流發(fā)射區(qū)中的電子電流是流過發(fā)射極電流的一個(gè)組成部分。過發(fā)射極電流的一個(gè)組成部分。 首先來討論發(fā)生在正向放大模式首先來

7、討論發(fā)生在正向放大模式BJTBJT中的主要中的主要物理過程：物理過程：B. B. 收集結(jié)反偏，因此基區(qū)中靠近收集結(jié)邊界處少子電收集結(jié)反偏，因此基區(qū)中靠近收集結(jié)邊界處少子電 子的濃度為零。子的濃度為零。C. C. 基區(qū)中的少子電子存在著比較大的濃度梯度，基區(qū)中的少子電子存在著比較大的濃度梯度，因此電子可以通過擴(kuò)散流過基區(qū)，和正偏的因此電子可以通過擴(kuò)散流過基區(qū)，和正偏的PNPN結(jié)結(jié)二極管類似，少子電子在通過中性基區(qū)的過程中二極管類似，少子電子在通過中性基區(qū)的過程中也會(huì)與其中的多子空穴發(fā)生一定的復(fù)合。也會(huì)與其中的多子空穴發(fā)生一定的復(fù)合。D. D. 電子擴(kuò)散通過基區(qū)之后，將進(jìn)入反偏的收集電子擴(kuò)散通過基

8、區(qū)之后，將進(jìn)入反偏的收集結(jié)空間電荷區(qū)中，收集結(jié)中的電場將把擴(kuò)散過來結(jié)空間電荷區(qū)中，收集結(jié)中的電場將把擴(kuò)散過來的電子拉向收集區(qū)，的電子拉向收集區(qū)，能夠被拉向收集區(qū)的電子數(shù)能夠被拉向收集區(qū)的電子數(shù)目取決于由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子數(shù)目。目取決于由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子數(shù)目。E. E. 流入到收集區(qū)中的電子數(shù)量（構(gòu)成收集極電流入到收集區(qū)中的電子數(shù)量（構(gòu)成收集極電流）取決于發(fā)射結(jié)上的偏置電壓，此即雙極型流）取決于發(fā)射結(jié)上的偏置電壓，此即雙極型晶體管的放大作用，晶體管的放大作用，即：即：BJTBJT中流過一個(gè)端點(diǎn)的中流過一個(gè)端點(diǎn)的電流取決于另外兩個(gè)端點(diǎn)上的外加電壓。電流取決于另外兩個(gè)端點(diǎn)上的外加電壓。

9、發(fā)生在正向放大模式發(fā)生在正向放大模式BJTBJT中的其它次要的物理過中的其它次要的物理過程還有：程還有：F.F.基區(qū)中的基區(qū)中的少子電子將與基區(qū)中的多子空穴相少子電子將與基區(qū)中的多子空穴相復(fù)合，復(fù)合，因此基區(qū)中的多子空穴必須得到補(bǔ)充，因此基區(qū)中的多子空穴必須得到補(bǔ)充，這個(gè)過程構(gòu)成了基極空穴電流的一個(gè)組成部分這個(gè)過程構(gòu)成了基極空穴電流的一個(gè)組成部分G. G. 由于發(fā)射結(jié)正偏，因此基區(qū)中的空穴也會(huì)越過發(fā)射由于發(fā)射結(jié)正偏，因此基區(qū)中的空穴也會(huì)越過發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，結(jié)空間電荷區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，但是由于基區(qū)摻雜濃度通但是由于基區(qū)摻雜濃度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，因此空穴由基區(qū)擴(kuò)散至常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低

10、于發(fā)射區(qū)的摻雜濃度，因此空穴由基區(qū)擴(kuò)散至發(fā)射區(qū)所引起的空穴電流也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子由發(fā)射區(qū)擴(kuò)發(fā)射區(qū)所引起的空穴電流也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電子由發(fā)射區(qū)擴(kuò)散至基區(qū)所引起的電子電流，散至基區(qū)所引起的電子電流，這個(gè)空穴電流也構(gòu)成了基這個(gè)空穴電流也構(gòu)成了基極電流和發(fā)射極電流的一個(gè)組成部分。極電流和發(fā)射極電流的一個(gè)組成部分。H. H. 反偏的收集區(qū)中也存在著一個(gè)反向漏電流，這個(gè)反反偏的收集區(qū)中也存在著一個(gè)反向漏電流，這個(gè)反向漏電流通常很小。向漏電流通常很小。 BJTBJT器件的一個(gè)主要工作目標(biāo)就是要使得器件的一個(gè)主要工作目標(biāo)就是要使得由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子能夠盡量多地被由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子能夠盡量多地被收集區(qū)收集

11、到。為此，收集區(qū)收集到。為此，基區(qū)中少子電子與多基區(qū)中少子電子與多子空穴之間的復(fù)合應(yīng)該盡可能地減少，基區(qū)子空穴之間的復(fù)合應(yīng)該盡可能地減少，基區(qū)寬度也必須小于少子的擴(kuò)散長度寬度也必須小于少子的擴(kuò)散長度，從而使兩，從而使兩個(gè)個(gè)PNPN結(jié)之間能夠產(chǎn)生相互作用結(jié)之間能夠產(chǎn)生相互作用。2. 2. 工作模式工作模式BJTBJT器件可以有四種工作模式：器件可以有四種工作模式：（1 1）當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正偏，而收集結(jié)處于反偏）當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正偏，而收集結(jié)處于反偏時(shí)，這也就是所謂的時(shí)，這也就是所謂的正向放大模式；正向放大模式；（2 2）當(dāng)）當(dāng)發(fā)射結(jié)處于零偏或反偏，收集結(jié)也處發(fā)射結(jié)處于零偏或反偏，收集結(jié)也處于反偏時(shí)，于

12、反偏時(shí)，BJTBJT器件發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子電器件發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子電子不會(huì)向基區(qū)中注入，因此器件發(fā)射極電流和子不會(huì)向基區(qū)中注入，因此器件發(fā)射極電流和收集極電流均為零，此時(shí)稱為收集極電流均為零，此時(shí)稱為截止模式；截止模式；（3 3）隨著發(fā)射結(jié)正）隨著發(fā)射結(jié)正向偏置電壓的不斷增向偏置電壓的不斷增加，收集結(jié)由反偏變加，收集結(jié)由反偏變?yōu)榱闫踔琳?，此為零偏甚至正偏，此時(shí)時(shí)BJTBJT即進(jìn)入即進(jìn)入飽和工飽和工作模式。作模式。發(fā)射結(jié)正偏，收集結(jié)發(fā)射結(jié)正偏，收集結(jié)正偏。正偏。 BJT BJT器件四種不同的工作模式所對應(yīng)的器件四種不同的工作模式所對應(yīng)的PNPN結(jié)結(jié)偏置情況如下頁圖所示。偏置情況如下頁圖所

13、示。（4 4）當(dāng)）當(dāng)BJTBJT器件的器件的發(fā)射結(jié)處于反偏，而收集結(jié)處發(fā)射結(jié)處于反偏，而收集結(jié)處于正偏時(shí)，于正偏時(shí)，則則BJTBJT處于處于反向放大模式。反向放大模式。由于由于BJTBJT器器件結(jié)構(gòu)上的非對稱性，其反向放大特性與正向放件結(jié)構(gòu)上的非對稱性，其反向放大特性與正向放大特性有很大差別。大特性有很大差別。BJTBJT器件四種不同的工作模式及其對應(yīng)的器件四種不同的工作模式及其對應(yīng)的PNPN結(jié)結(jié)偏置條件示意圖偏置條件示意圖10.2 10.2 少數(shù)載流子分布情況少數(shù)載流子分布情況 我們主要感興趣的是雙極型晶體管的各個(gè)我們主要感興趣的是雙極型晶體管的各個(gè)電流表達(dá)式，和理想電流表達(dá)式，和理想PNP

14、N結(jié)情況類似，這些電流結(jié)情況類似，這些電流都是都是BJTBJT中各個(gè)區(qū)域少數(shù)載流子濃度分布的函中各個(gè)區(qū)域少數(shù)載流子濃度分布的函數(shù)，因此首先確定在數(shù)，因此首先確定在不同工作模式下，雙極型不同工作模式下，雙極型晶體管中穩(wěn)態(tài)條件下各個(gè)不同區(qū)域的少數(shù)載流晶體管中穩(wěn)態(tài)條件下各個(gè)不同區(qū)域的少數(shù)載流子濃度分布。子濃度分布。1. 1. 正向放大模式正向放大模式考慮如下結(jié)構(gòu)的一個(gè)均勻摻雜的考慮如下結(jié)構(gòu)的一個(gè)均勻摻雜的BJTBJT器件。器件。正向放大模式下正向放大模式下BJTBJT中各區(qū)少子濃度分布示意圖中各區(qū)少子濃度分布示意圖 下圖所示為工作在下圖所示為工作在截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)時(shí)時(shí)BJTBJT中不同區(qū)中不同區(qū)域的

15、少數(shù)載流子濃度分布。域的少數(shù)載流子濃度分布。 由于發(fā)射結(jié)和收集結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)，由于發(fā)射結(jié)和收集結(jié)均處于反向偏置狀態(tài)，又因?yàn)榛鶇^(qū)寬度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度，又因?yàn)榛鶇^(qū)寬度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度，因此在這兩個(gè)結(jié)的空間電荷區(qū)邊界處的少數(shù)載因此在這兩個(gè)結(jié)的空間電荷區(qū)邊界處的少數(shù)載流子濃度均為零。流子濃度均為零。 下圖所示為工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)下圖所示為工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)BJTBJT中各區(qū)的中各區(qū)的能帶情況示意圖。能帶情況示意圖。 下圖所示為工作在下圖所示為工作在飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)時(shí)時(shí)BJTBJT中不同區(qū)中不同區(qū)域的少數(shù)載流子濃度分布。器件發(fā)射結(jié)和收集域的少數(shù)載流子濃度分布。器件發(fā)射結(jié)和收集結(jié)均處于正

16、偏狀態(tài)，結(jié)均處于正偏狀態(tài)，但是發(fā)射結(jié)上的正偏電壓但是發(fā)射結(jié)上的正偏電壓還是略高于收集結(jié)上的正偏電壓還是略高于收集結(jié)上的正偏電壓，因此在基區(qū)，因此在基區(qū)內(nèi)部仍然存在著過剩少子電子的濃度梯度，由內(nèi)部仍然存在著過剩少子電子的濃度梯度，由此形成此形成BJTBJT器件的收集極電流。器件的收集極電流。 下圖所示為工作在飽和狀態(tài)時(shí)下圖所示為工作在飽和狀態(tài)時(shí)BJTBJT器件中各器件中各區(qū)的能帶情況示意圖區(qū)的能帶情況示意圖 最后，我們再給出最后，我們再給出BJTBJT處于處于反向放大狀態(tài)反向放大狀態(tài)時(shí)不時(shí)不同區(qū)域的少數(shù)載流子濃度分布。由于器件發(fā)射結(jié)同區(qū)域的少數(shù)載流子濃度分布。由于器件發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，而收集結(jié)

17、處于正偏狀態(tài)，電子由處于反偏狀態(tài)，而收集結(jié)處于正偏狀態(tài)，電子由收集區(qū)注入到基區(qū)，最后擴(kuò)散到發(fā)射結(jié)附近并被收集區(qū)注入到基區(qū)，最后擴(kuò)散到發(fā)射結(jié)附近并被發(fā)射結(jié)電場拉向發(fā)射區(qū)，發(fā)射結(jié)電場拉向發(fā)射區(qū)，基區(qū)中的過剩少子電子基區(qū)中的過剩少子電子的濃度梯度也與正向放大狀態(tài)正好相反。的濃度梯度也與正向放大狀態(tài)正好相反。 下圖所示為工作在反向放大模式時(shí)下圖所示為工作在反向放大模式時(shí)BJTBJT器件器件中各區(qū)的能帶情況示意圖，這也與正向放大模中各區(qū)的能帶情況示意圖，這也與正向放大模式時(shí)式時(shí)BJTBJT器件中各區(qū)的能帶情況呈對稱狀態(tài)。器件中各區(qū)的能帶情況呈對稱狀態(tài)。 但是由于但是由于BJTBJT中三個(gè)區(qū)域摻雜濃度的不

18、同以中三個(gè)區(qū)域摻雜濃度的不同以及幾何結(jié)構(gòu)上發(fā)射區(qū)與收集區(qū)的非對稱性，反及幾何結(jié)構(gòu)上發(fā)射區(qū)與收集區(qū)的非對稱性，反向放大模式下向放大模式下BJTBJT的電流增益將大大下降。如下的電流增益將大大下降。如下圖所示，由于發(fā)射極的面積遠(yuǎn)小于收集結(jié)的面圖所示，由于發(fā)射極的面積遠(yuǎn)小于收集結(jié)的面積，因此由收集區(qū)注入到基區(qū)的電子只有很少積，因此由收集區(qū)注入到基區(qū)的電子只有很少一部分能夠被發(fā)射區(qū)所收集。一部分能夠被發(fā)射區(qū)所收集。2. 2. 簡化的晶體管電流關(guān)系簡化的晶體管電流關(guān)系 首先我們將通過簡化的分析來獲得首先我們將通過簡化的分析來獲得NPNNPN型型BJTBJT中各個(gè)端點(diǎn)電流與端點(diǎn)電壓之間的關(guān)系，從而中各個(gè)端

19、點(diǎn)電流與端點(diǎn)電壓之間的關(guān)系，從而得到得到BJTBJT基本放大作用原理的物理圖像，然后我基本放大作用原理的物理圖像，然后我們再給出詳細(xì)的推導(dǎo)過程。們再給出詳細(xì)的推導(dǎo)過程。 一個(gè)處于正向放大模式一個(gè)處于正向放大模式BJTBJT器件內(nèi)部各區(qū)域器件內(nèi)部各區(qū)域中的少數(shù)載流子濃度分布如下頁圖所示。中的少數(shù)載流子濃度分布如下頁圖所示。 由發(fā)射區(qū)注入過來的電子擴(kuò)散通過基區(qū)，然由發(fā)射區(qū)注入過來的電子擴(kuò)散通過基區(qū)，然后被收集結(jié)空間電荷區(qū)中的電場拉向收集區(qū)，后被收集結(jié)空間電荷區(qū)中的電場拉向收集區(qū)，因此因此BJTBJT器件的收集極電流可表示為：器件的收集極電流可表示為： 其中其中A ABEBE為發(fā)射結(jié)面積，為發(fā)射結(jié)面

20、積，n nB0B0為熱平衡條件下基為熱平衡條件下基區(qū)中的電子濃度，電子沿著區(qū)中的電子濃度，電子沿著+x+x方向流動(dòng)，因此方向流動(dòng)，因此電流沿著電流沿著-x-x方向，則有：方向，則有： 由上式可見，由上式可見，BJTBJT器件的收集極電流受發(fā)射器件的收集極電流受發(fā)射結(jié)上外加電壓的控制，即：結(jié)上外加電壓的控制，即：BJTBJT中流過一個(gè)端中流過一個(gè)端點(diǎn)的電流取決于另外兩個(gè)端點(diǎn)上的外加電壓，點(diǎn)的電流取決于另外兩個(gè)端點(diǎn)上的外加電壓，此即雙極型晶體管的放大作用。此即雙極型晶體管的放大作用。理想情況下，由理想情況下，由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流與收集極電流相等。發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流與收集極電流相等。

21、 而由基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流則為：而由基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流則為： 由此可見，由此可見，BJTBJT中收集極電流與發(fā)射極電流中收集極電流與發(fā)射極電流之比為一個(gè)常數(shù)，即：之比為一個(gè)常數(shù)，即： 上式中上式中稱為稱為BJTBJT器件共基極電流增益，器件共基極電流增益，由上述分析可知，由上述分析可知，i iC CiiE E，即，即11，由于，由于i iE2E2與與晶體管的放大作用無關(guān)，因此我們總是希望這晶體管的放大作用無關(guān)，因此我們總是希望這個(gè)電流成分越小越好，也就是希望個(gè)電流成分越小越好，也就是希望BJTBJT的的共基共基極電流增益盡可能接近極電流增益盡可能接近1 1。 由上述分析可見，發(fā)射

22、極電流成分由上述分析可見，發(fā)射極電流成分i iE2E2實(shí)際上實(shí)際上也是基極電流的一個(gè)組成部分，也是基極電流的一個(gè)組成部分，基極電流的另基極電流的另一個(gè)組成部分則是基區(qū)中的多子空穴與電子的一個(gè)組成部分則是基區(qū)中的多子空穴與電子的復(fù)合電流復(fù)合電流i iBbBb，這二者都與，這二者都與exp(vexp(vBEBE/V/Vt t) )成正比，成正比，因此因此BJTBJT器件的收集極電流與基極電流之比也為器件的收集極電流與基極電流之比也為常數(shù)，即：常數(shù)，即： 上式中上式中稱為稱為BJTBJT器件的共發(fā)射極電流增益，器件的共發(fā)射極電流增益，大約為大約為100100左右。左右。3. 3. 雙極型晶體管的放大

23、作用雙極型晶體管的放大作用雙極型晶體管的電流放大作用和電壓放大作用雙極型晶體管的電流放大作用和電壓放大作用示意圖示意圖10.3 10.3 低頻信號下的共基極電流增益低頻信號下的共基極電流增益 前面我們已經(jīng)介紹過，前面我們已經(jīng)介紹過，BJTBJT器件的器件的基本工作基本工作原理就是收集極電流受到發(fā)射結(jié)電壓的控制作原理就是收集極電流受到發(fā)射結(jié)電壓的控制作用。用。而共基極電流增益也就是定義為而共基極電流增益也就是定義為BJTBJT器件的器件的收集極電流與發(fā)射極電流之比。收集極電流與發(fā)射極電流之比。1. 1. 影響共基極電流增益的因素影響共基極電流增益的因素 其中其中J JnEnE為基區(qū)中為基區(qū)中x=

24、0 x=0處由于少子電子的擴(kuò)散所處由于少子電子的擴(kuò)散所引起的電流；引起的電流；J JnCnC為基區(qū)中為基區(qū)中x=xx=xB B處由于少子電子的處由于少子電子的擴(kuò)散所引起的電流；擴(kuò)散所引起的電流；J JRBRB則為則為J JnEnE與與J JnCnC之差，它是之差，它是由基區(qū)中過剩少子電子與多子空穴的復(fù)合所引起由基區(qū)中過剩少子電子與多子空穴的復(fù)合所引起的，必須由基極提供的空穴電流；的，必須由基極提供的空穴電流；J JpEpE為發(fā)射區(qū)中為發(fā)射區(qū)中x=0 x=0處由于少子空穴的擴(kuò)散所引起的電流；處由于少子空穴的擴(kuò)散所引起的電流；J JR R為正偏發(fā)射結(jié)中的載流子復(fù)合電流；為正偏發(fā)射結(jié)中的載流子復(fù)合電

25、流；J Jpc0pc0為器件為器件收集區(qū)中收集區(qū)中x=0 x=0處由于少子空穴的擴(kuò)散所引起處由于少子空穴的擴(kuò)散所引起的電流；的電流；J JG G為反偏收集結(jié)中的載流子產(chǎn)生電流。為反偏收集結(jié)中的載流子產(chǎn)生電流。 其中其中J JRBRB、J JpEpE和和J JR R這三個(gè)電流僅僅流過發(fā)射這三個(gè)電流僅僅流過發(fā)射結(jié)，并沒有流過收集結(jié)，而結(jié)，并沒有流過收集結(jié)，而J Jpc0pc0和和J JG G這兩個(gè)電流這兩個(gè)電流則僅僅流過收集結(jié)，并沒有流過發(fā)射結(jié)。則僅僅流過收集結(jié)，并沒有流過發(fā)射結(jié)。因此因此這些電流成分對晶體管作用或電流增益并沒有這些電流成分對晶體管作用或電流增益并沒有任何貢獻(xiàn)。任何貢獻(xiàn)。直流情況下

26、直流情況下BJTBJT器件的共基極電流器件的共基極電流增益定義為：增益定義為： 我們真正感興趣的實(shí)際上是器件的收集極我們真正感興趣的實(shí)際上是器件的收集極電流如何隨著發(fā)射極電流的改變而變化，即在電流如何隨著發(fā)射極電流的改變而變化，即在正弦小信號情況下，正弦小信號情況下，BJTBJT器件的共基極電流增器件的共基極電流增益可定義為：益可定義為： 上述幾個(gè)因子的定義對于上述幾個(gè)因子的定義對于PNPPNP型型BJTBJT器件來器件來說，也是完全類似的，只是公式中的說，也是完全類似的，只是公式中的電子電流電子電流和空穴電流要互相對調(diào)一下。和空穴電流要互相對調(diào)一下。在理想情況下我在理想情況下我們總是希望們總

27、是希望=1=1，但實(shí)際的，但實(shí)際的總是小于總是小于1 1的。的。2.2.影響電流增益因素的數(shù)學(xué)推導(dǎo)影響電流增益因素的數(shù)學(xué)推導(dǎo)發(fā)射極注入效率因子：考慮理想情況下的發(fā)射發(fā)射極注入效率因子：考慮理想情況下的發(fā)射極注入效率因子，則有：極注入效率因子，則有： 利用已經(jīng)求得的正向放大模式下利用已經(jīng)求得的正向放大模式下BJTBJT中各區(qū)的少中各區(qū)的少數(shù)載流子濃度分布，上述兩個(gè)電流密度表示為：數(shù)載流子濃度分布，上述兩個(gè)電流密度表示為： 另外，復(fù)合因子中通常還必須另外，復(fù)合因子中通常還必須考慮表面復(fù)考慮表面復(fù)合效應(yīng)的影響合效應(yīng)的影響，如下圖所示，當(dāng)電子由發(fā)射區(qū)，如下圖所示，當(dāng)電子由發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)之后，由于基區(qū)

28、表面復(fù)合效應(yīng)的影注入到基區(qū)之后，由于基區(qū)表面復(fù)合效應(yīng)的影響，有一部分電子還將會(huì)向基區(qū)表面擴(kuò)散。響，有一部分電子還將會(huì)向基區(qū)表面擴(kuò)散。3. 3. 小結(jié)小結(jié) 以上對以上對NPNNPN型型BJTBJT器件的少數(shù)載流子濃度分布器件的少數(shù)載流子濃度分布以及電流增益做了分析，上述分析對以及電流增益做了分析，上述分析對PNPPNP型型BJTBJT器器件也是完全適用的，件也是完全適用的，只是電子和空穴的濃度必須只是電子和空穴的濃度必須對調(diào)，同時(shí)外加電壓的極性和電流的方向也必須對調(diào)，同時(shí)外加電壓的極性和電流的方向也必須反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)。對于共基極放大，對于共基極放大，BJTBJT的直流電流增益為：的直流電流增益為：1

29、0.4 BJT10.4 BJT中的幾個(gè)非理想效應(yīng)中的幾個(gè)非理想效應(yīng) 在前面的討論中，我們實(shí)際上假設(shè)了在前面的討論中，我們實(shí)際上假設(shè)了BJTBJT器件是器件是均勻摻雜的、滿足小注入條件、發(fā)射區(qū)均勻摻雜的、滿足小注入條件、發(fā)射區(qū)和基區(qū)寬度恒定、禁帶寬度恒定、結(jié)電流密度和基區(qū)寬度恒定、禁帶寬度恒定、結(jié)電流密度均勻且未進(jìn)入擊穿狀態(tài)。均勻且未進(jìn)入擊穿狀態(tài)。若上述任意一條不滿若上述任意一條不滿足，則器件特性就會(huì)偏離理想狀態(tài)下的情況。足，則器件特性就會(huì)偏離理想狀態(tài)下的情況。1. 1. 基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)：基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)： 在前面的討論中，我們一直默認(rèn)為在前面的討論中，我們一直默認(rèn)為BJTBJT器件器件的中性

30、基區(qū)寬度的中性基區(qū)寬度x xB B是恒定的，是恒定的，然而事實(shí)上然而事實(shí)上x xB B是收是收集結(jié)上反向偏置電壓的函數(shù)，當(dāng)收集結(jié)上反偏集結(jié)上反向偏置電壓的函數(shù)，當(dāng)收集結(jié)上反偏電壓增大，則其勢壘區(qū)寬度增加，電壓增大，則其勢壘區(qū)寬度增加，并向中性基并向中性基區(qū)中擴(kuò)展，從而使中性基區(qū)寬度變窄，區(qū)中擴(kuò)展，從而使中性基區(qū)寬度變窄，由此導(dǎo)由此導(dǎo)致基區(qū)中少數(shù)載流子濃度梯度的增大，最終引致基區(qū)中少數(shù)載流子濃度梯度的增大，最終引起擴(kuò)散電流的增加，起擴(kuò)散電流的增加，這個(gè)效應(yīng)通常稱為基區(qū)寬這個(gè)效應(yīng)通常稱為基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，或稱為厄立（度調(diào)制效應(yīng)，或稱為厄立（EarlyEarly）效應(yīng)。）效應(yīng)。 隨著收集結(jié)反偏電壓的

31、增加，收集結(jié)空間隨著收集結(jié)反偏電壓的增加，收集結(jié)空間電荷區(qū)展寬，并向基區(qū)中擴(kuò)展，從而導(dǎo)致基區(qū)電荷區(qū)展寬，并向基區(qū)中擴(kuò)展，從而導(dǎo)致基區(qū)寬度變窄、基區(qū)中少數(shù)載流子濃度梯度增加的寬度變窄、基區(qū)中少數(shù)載流子濃度梯度增加的情況如下圖所示。情況如下圖所示。 厄立效應(yīng)在厄立效應(yīng)在BJTBJT輸出特性曲線上的反映如下輸出特性曲線上的反映如下圖所示。圖所示。理想情況下器件收集極電流與收集結(jié)理想情況下器件收集極電流與收集結(jié)上的反偏電壓無關(guān)，即輸出電導(dǎo)為零；上的反偏電壓無關(guān)，即輸出電導(dǎo)為零；然而由然而由于基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，器件的輸出電導(dǎo)不為零，于基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，器件的輸出電導(dǎo)不為零，輸出特性曲線變斜，斜線交點(diǎn)處的

32、電壓值稱為輸出特性曲線變斜，斜線交點(diǎn)處的電壓值稱為厄立電壓，通常在厄立電壓，通常在100-300V100-300V之間。之間?？梢姡紤]基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)之后，可見，考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)之后，BJTBJT器件的器件的收集極電流與收集結(jié)上的外加反向電壓相關(guān)收集極電流與收集結(jié)上的外加反向電壓相關(guān)。2. 2. 大注入效應(yīng)：大注入效應(yīng)： 我們在前面用來求解少數(shù)載流子濃度分布我們在前面用來求解少數(shù)載流子濃度分布的雙極輸運(yùn)方程是在小注入條件下得到的，的雙極輸運(yùn)方程是在小注入條件下得到的，而而當(dāng)當(dāng)V VBEBE不斷增大之后，注入的少數(shù)載流子濃不斷增大之后，注入的少數(shù)載流子濃度有可能接近甚至超過多數(shù)載流子的濃度

33、。度有可能接近甚至超過多數(shù)載流子的濃度。 此時(shí)如下圖所示，此時(shí)如下圖所示，在大注入情況下，為了在大注入情況下，為了滿足電中性條件，在基區(qū)中滿足電中性條件，在基區(qū)中x=0 x=0處多數(shù)載流子處多數(shù)載流子空穴的濃度也將會(huì)有所增加?？昭ǖ臐舛纫矊?huì)有所增加。 大注入條件下基區(qū)大注入條件下基區(qū)多數(shù)載流子濃度的增多數(shù)載流子濃度的增加將帶來兩方面的影加將帶來兩方面的影響：響：一是引起基區(qū)向一是引起基區(qū)向發(fā)射區(qū)反向注入空穴發(fā)射區(qū)反向注入空穴電流的增大，從而導(dǎo)電流的增大，從而導(dǎo)致器件發(fā)射結(jié)注入效致器件發(fā)射結(jié)注入效率的下降，最終使得率的下降，最終使得電流增益在大注入情電流增益在大注入情況下出現(xiàn)下降的趨勢況下出現(xiàn)

34、下降的趨勢. . 當(dāng)器件的收集極電流增大到一定程度之后，當(dāng)器件的收集極電流增大到一定程度之后，電流增益將開始下降，電流增益將開始下降，這是因?yàn)榛鶇^(qū)中多數(shù)載流這是因?yàn)榛鶇^(qū)中多數(shù)載流子濃度增加導(dǎo)致器件發(fā)射結(jié)注入效率下降的結(jié)果子濃度增加導(dǎo)致器件發(fā)射結(jié)注入效率下降的結(jié)果 在小電流情況下，在小電流情況下，器件的電流增益也有器件的電流增益也有很大下降，很大下降，這是由于這是由于小電流條件下發(fā)射結(jié)小電流條件下發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)中的載流空間電荷區(qū)中的載流子復(fù)合效應(yīng)而引起的子復(fù)合效應(yīng)而引起的 大注入條件下基區(qū)多數(shù)載流子濃度增加帶來大注入條件下基區(qū)多數(shù)載流子濃度增加帶來的另一方面的影響：在小注入條件下，的另一方面的

35、影響：在小注入條件下，NPNNPN型型BJTBJT器件基區(qū)中器件基區(qū)中x=0 x=0處多數(shù)載流子空穴的濃度為：處多數(shù)載流子空穴的濃度為： 因此在大注入條件下因此在大注入條件下n np p(0)(0)隨隨V VBEBE增大的速率增大的速率將逐漸逼近下述關(guān)系：將逐漸逼近下述關(guān)系： 由上式可見，在發(fā)由上式可見，在發(fā)射結(jié)由小注入逐步進(jìn)射結(jié)由小注入逐步進(jìn)入到大注入的過程中，入到大注入的過程中，收集極電流隨著收集極電流隨著V VBEBE增增大的速率也將逐漸減大的速率也將逐漸減慢慢，如右圖所示，可，如右圖所示，可見大注入效見大注入效應(yīng)非常類似于應(yīng)非常類似于PNPN結(jié)中結(jié)中串聯(lián)電阻的影響。串聯(lián)電阻的影響。3.

36、3.發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄效應(yīng)發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄效應(yīng) 在前面做了這樣的假設(shè)，即在前面做了這樣的假設(shè)，即隨著發(fā)射區(qū)摻隨著發(fā)射區(qū)摻雜濃度的增加，雜濃度的增加，BJTBJT器件發(fā)射結(jié)的注入效率將器件發(fā)射結(jié)的注入效率將會(huì)持續(xù)增大。會(huì)持續(xù)增大。事實(shí)上，隨著發(fā)射區(qū)摻雜濃度的事實(shí)上，隨著發(fā)射區(qū)摻雜濃度的增加，雜質(zhì)原子之間的間距將不斷減小，由此增加，雜質(zhì)原子之間的間距將不斷減小，由此導(dǎo)致雜質(zhì)原子產(chǎn)生相互作用，引起雜質(zhì)能級的導(dǎo)致雜質(zhì)原子產(chǎn)生相互作用，引起雜質(zhì)能級的分裂，分裂，形成雜質(zhì)能帶，摻雜濃度進(jìn)一步增加，形成雜質(zhì)能帶，摻雜濃度進(jìn)一步增加，雜質(zhì)能帶也將進(jìn)一步展寬，最終將與導(dǎo)帶底相雜質(zhì)能帶也將進(jìn)一步展寬，最終將與導(dǎo)

37、帶底相連，從而導(dǎo)致有效的發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄。連，從而導(dǎo)致有效的發(fā)射區(qū)禁帶寬度變窄。 下頁圖所示為通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測得的硅下頁圖所示為通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測得的硅BJTBJT器件中發(fā)射區(qū)禁帶寬度隨著摻雜濃度的變器件中發(fā)射區(qū)禁帶寬度隨著摻雜濃度的變化關(guān)系?；P(guān)系。禁帶寬度變窄將導(dǎo)致本征載流子濃度禁帶寬度變窄將導(dǎo)致本征載流子濃度增加，因?yàn)椋涸黾?，因?yàn)椋?當(dāng)發(fā)射區(qū)摻雜濃度增加到使得其禁帶寬度開當(dāng)發(fā)射區(qū)摻雜濃度增加到使得其禁帶寬度開始出現(xiàn)變窄效應(yīng)時(shí)，始出現(xiàn)變窄效應(yīng)時(shí)，p pE0E0就會(huì)開始增大，就會(huì)開始增大，此時(shí)發(fā)此時(shí)發(fā)射結(jié)的注入效率就會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢，因此在射結(jié)的注入效率就會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢，因此在發(fā)射

38、區(qū)為重?fù)诫s的情況下，發(fā)射區(qū)為重?fù)诫s的情況下，BJTBJT器件的電流增器件的電流增益也會(huì)有所下降。益也會(huì)有所下降。4.4.發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 對于一個(gè)典型的平面集成化對于一個(gè)典型的平面集成化BJTBJT器件來說，器件來說，其基區(qū)寬度通常不會(huì)超過一個(gè)微米，因此位其基區(qū)寬度通常不會(huì)超過一個(gè)微米，因此位于發(fā)射區(qū)下方的于發(fā)射區(qū)下方的內(nèi)基區(qū)電阻就會(huì)比較大，這樣內(nèi)基區(qū)電阻就會(huì)比較大，這樣基極電流在這個(gè)電阻上就會(huì)產(chǎn)生比較大的壓降基極電流在這個(gè)電阻上就會(huì)產(chǎn)生比較大的壓降. . 而器件的發(fā)射區(qū)通常為重?fù)诫s，因此整個(gè)而器件的發(fā)射區(qū)通常為重?fù)诫s，因此整個(gè)發(fā)射區(qū)可以看作是一個(gè)等勢體。發(fā)射區(qū)可以看作是一

39、個(gè)等勢體。由于由于BJTBJT器件器件的發(fā)射極電流與其發(fā)射結(jié)上的壓降成指數(shù)關(guān)系，的發(fā)射極電流與其發(fā)射結(jié)上的壓降成指數(shù)關(guān)系，因此流過整個(gè)發(fā)射結(jié)的電流就會(huì)出現(xiàn)集邊效應(yīng)。因此流過整個(gè)發(fā)射結(jié)的電流就會(huì)出現(xiàn)集邊效應(yīng)。 由于由于BJTBJT器件的發(fā)射極電流與其發(fā)射結(jié)上器件的發(fā)射極電流與其發(fā)射結(jié)上的壓降成指數(shù)關(guān)系，因此流過整個(gè)發(fā)射結(jié)的電的壓降成指數(shù)關(guān)系，因此流過整個(gè)發(fā)射結(jié)的電流就會(huì)出現(xiàn)集邊效應(yīng)。流就會(huì)出現(xiàn)集邊效應(yīng)。 如下圖所示，對于實(shí)際的平面集成化如下圖所示，對于實(shí)際的平面集成化BJTBJT器器件來說，基區(qū)可分為件來說，基區(qū)可分為本征基區(qū)本征基區(qū)（位于發(fā)射結(jié)下（位于發(fā)射結(jié)下方）和方）和非本征基區(qū)非本征基區(qū)（

40、位于發(fā)射結(jié)下方以外）兩（位于發(fā)射結(jié)下方以外）兩部分。部分。 本征基區(qū)電阻的影響如下圖所示，當(dāng)基極電本征基區(qū)電阻的影響如下圖所示，當(dāng)基極電流流過本征基區(qū)電阻時(shí)將產(chǎn)生壓降，由此導(dǎo)致流流過本征基區(qū)電阻時(shí)將產(chǎn)生壓降，由此導(dǎo)致BJTBJT器件的發(fā)射結(jié)電流出現(xiàn)集邊效應(yīng)。器件的發(fā)射結(jié)電流出現(xiàn)集邊效應(yīng)。 當(dāng)當(dāng)BJTBJT器件中出現(xiàn)發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)時(shí)器件中出現(xiàn)發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)時(shí), ,靠近發(fā)射結(jié)邊緣處的電流密度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射靠近發(fā)射結(jié)邊緣處的電流密度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射結(jié)中心處的電流密度，因此整個(gè)發(fā)射結(jié)流過的結(jié)中心處的電流密度，因此整個(gè)發(fā)射結(jié)流過的總電流將不隨發(fā)射結(jié)面積的增加而線性增大，總電流將不隨發(fā)射結(jié)面積的增加

41、而線性增大，而只隨著發(fā)射結(jié)周長的增加而線性增大。而只隨著發(fā)射結(jié)周長的增加而線性增大。 對于大電流的對于大電流的功率型功率型BJTBJT器件采器件采用用多發(fā)射極長條和多發(fā)射極長條和多基極長條交錯(cuò)排多基極長條交錯(cuò)排列的插指狀并聯(lián)結(jié)列的插指狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)，構(gòu)，以避免發(fā)射結(jié)以避免發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)，并電流集邊效應(yīng)，并充分利用充分利用BJTBJT有效有效的發(fā)射結(jié)面積，同的發(fā)射結(jié)面積，同時(shí)減小基極電阻。時(shí)減小基極電阻。5. 5. 非均勻基區(qū)摻雜效應(yīng)非均勻基區(qū)摻雜效應(yīng) 在前面一直假設(shè)在前面一直假設(shè)BJTBJT的基區(qū)摻雜濃度是均勻的基區(qū)摻雜濃度是均勻的，實(shí)際情況卻并非完全如此，例如在雙擴(kuò)散的，實(shí)際情況卻并非完全如

42、此，例如在雙擴(kuò)散型型BJTBJT中，器件基區(qū)的摻雜濃度就是非均勻的。中，器件基區(qū)的摻雜濃度就是非均勻的。 圖中的圖中的BJTBJT器件采器件采用均勻摻雜的用均勻摻雜的N N型硅襯型硅襯底材料，底材料，然后由表面然后由表面向襯底體內(nèi)擴(kuò)散受主向襯底體內(nèi)擴(kuò)散受主雜質(zhì)，形成補(bǔ)償?shù)碾s質(zhì)，形成補(bǔ)償?shù)腜 P型型基區(qū)，基區(qū)，最后再采用同最后再采用同樣的方法形成二次補(bǔ)樣的方法形成二次補(bǔ)償?shù)膬數(shù)腘 N型發(fā)射區(qū)型發(fā)射區(qū)。 在第四章中我們已經(jīng)介紹過，器件內(nèi)部緩變在第四章中我們已經(jīng)介紹過，器件內(nèi)部緩變的雜質(zhì)分布將引起內(nèi)建電場，的雜質(zhì)分布將引起內(nèi)建電場，BJTBJT器件中非均器件中非均勻的基區(qū)摻雜濃度也會(huì)在基區(qū)中形成一個(gè)

43、勻的基區(qū)摻雜濃度也會(huì)在基區(qū)中形成一個(gè)內(nèi)建內(nèi)建電場電場。對于。對于P P型基區(qū)來說，型基區(qū)來說，在熱平衡狀態(tài)下，在熱平衡狀態(tài)下，多數(shù)載流子空穴的電流應(yīng)該為零，即：多數(shù)載流子空穴的電流應(yīng)該為零，即： 由上頁圖中可見，由上頁圖中可見，基區(qū)摻雜濃度的梯度為負(fù)基區(qū)摻雜濃度的梯度為負(fù)值，因此內(nèi)建電場的方向沿著值，因此內(nèi)建電場的方向沿著x x軸的負(fù)方向。軸的負(fù)方向。當(dāng)當(dāng)電子由電子由N N型發(fā)射區(qū)注入到型發(fā)射區(qū)注入到P P型基區(qū)中之后，將通型基區(qū)中之后，將通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)流向收集區(qū)，過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)流向收集區(qū)，此時(shí)內(nèi)建電場將對這此時(shí)內(nèi)建電場將對這些電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起到加速作用，因此這個(gè)內(nèi)些電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起到加速作用，因此

44、這個(gè)內(nèi)建電場也稱為加速場。建電場也稱為加速場。6. BJT6. BJT器件的擊穿電壓：器件的擊穿電壓： 在在BJTBJT器件中，通常存在著兩種截然不同的器件中，通常存在著兩種截然不同的擊穿機(jī)理。擊穿機(jī)理。第一種是所謂的基區(qū)穿通擊穿機(jī)理第一種是所謂的基區(qū)穿通擊穿機(jī)理。當(dāng)收集結(jié)上外加反偏電壓時(shí)，收集結(jié)空間電荷當(dāng)收集結(jié)上外加反偏電壓時(shí)，收集結(jié)空間電荷區(qū)寬度將逐漸擴(kuò)展。隨著收集結(jié)上反偏電壓的區(qū)寬度將逐漸擴(kuò)展。隨著收集結(jié)上反偏電壓的不斷增加，收集結(jié)空間電荷區(qū)有可能擴(kuò)展至整不斷增加，收集結(jié)空間電荷區(qū)有可能擴(kuò)展至整個(gè)基區(qū)個(gè)基區(qū) 當(dāng)收集結(jié)反偏電壓為當(dāng)收集結(jié)反偏電壓為V VR2R2時(shí)，收集結(jié)空間電時(shí)，收集結(jié)空間

45、電荷區(qū)則已經(jīng)擴(kuò)展至整個(gè)荷區(qū)則已經(jīng)擴(kuò)展至整個(gè)基區(qū)，發(fā)射結(jié)勢壘高度基區(qū)，發(fā)射結(jié)勢壘高度降低，降低，此時(shí)收集結(jié)反偏此時(shí)收集結(jié)反偏電壓的微小增加就會(huì)引電壓的微小增加就會(huì)引起晶體管中電流的急劇起晶體管中電流的急劇增大，此即所謂的基區(qū)增大，此即所謂的基區(qū)穿通擊穿。穿通擊穿。 根據(jù)下圖所示的基區(qū)穿通擊穿模型，忽略發(fā)根據(jù)下圖所示的基區(qū)穿通擊穿模型，忽略發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度的影響，我們可以計(jì)算出射結(jié)空間電荷區(qū)寬度的影響，我們可以計(jì)算出發(fā)生基區(qū)穿通擊穿時(shí)器件收集結(jié)上外加的反偏發(fā)生基區(qū)穿通擊穿時(shí)器件收集結(jié)上外加的反偏電壓，即：電壓，即： BJTBJT器件中常見的另一種擊穿機(jī)理則是所器件中常見的另一種擊穿機(jī)理則是所謂

46、的雪崩擊穿謂的雪崩擊穿，只不過此時(shí)需要考慮晶體管電，只不過此時(shí)需要考慮晶體管電流放大作用的影響。流放大作用的影響。10.5 10.5 混合混合型等效電路模型型等效電路模型(H-P(H-P模型模型) ) 要對雙極型晶體管的電路進(jìn)行分析和計(jì)算，要對雙極型晶體管的電路進(jìn)行分析和計(jì)算，就必須要用到就必須要用到BJTBJT器件的等效電路模型。目前已器件的等效電路模型。目前已經(jīng)有多種不同類型的經(jīng)有多種不同類型的BJTBJT器件模型，包括器件模型，包括EbersEbers- -mollmoll模型和模型和Gummel-PoonGummel-Poon模型，前者主要用于開模型，前者主要用于開關(guān)電路的分析和計(jì)算，

47、后者則主要用于線性放大關(guān)電路的分析和計(jì)算，后者則主要用于線性放大電路的模擬和分析。電路的模擬和分析。 我們將要介紹的我們將要介紹的混合混合型等效電路模型型等效電路模型也也是一種主要用于是一種主要用于線性放大電路模擬分析線性放大電路模擬分析的的BJTBJT器器件模型。件模型。 如下頁圖所示，左邊為一個(gè)用于小信號放如下頁圖所示，左邊為一個(gè)用于小信號放大的共發(fā)射極大的共發(fā)射極BJTBJT器件，右邊則為器件，右邊則為BJTBJT器件的剖器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中面結(jié)構(gòu)示意圖，其中C C、B B、E E為晶體管的外部電為晶體管的外部電極引線端，而極引線端，而CC、BB、EE點(diǎn)則為理想點(diǎn)則為理想BJTBJ

48、T器器件內(nèi)部的收集區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)。首先我們可件內(nèi)部的收集區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)。首先我們可以分別構(gòu)造出以分別構(gòu)造出BJTBJT器件不同端點(diǎn)電極之間的等效器件不同端點(diǎn)電極之間的等效電路。電路。 按照上圖所示結(jié)構(gòu)，我們可以構(gòu)造出按照上圖所示結(jié)構(gòu)，我們可以構(gòu)造出BJTBJT器件外部輸入電極器件外部輸入電極B B、E E之間的等效電路。電阻之間的等效電路。電阻r rb b是基極電極是基極電極B B與內(nèi)基區(qū)與內(nèi)基區(qū)BB之間的基區(qū)串聯(lián)電之間的基區(qū)串聯(lián)電阻阻，器件發(fā)射結(jié)，器件發(fā)射結(jié)E-BE-B處于正偏狀態(tài)，因此處于正偏狀態(tài)，因此C C和和r r分別是器件發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電分別是器件發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電

49、阻阻，這與，這與PNPN結(jié)的小信號等效電路模型是完全相結(jié)的小信號等效電路模型是完全相同的。同的。 另外從下圖中我們可以看到，另外從下圖中我們可以看到，擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電阻都是與發(fā)射結(jié)勢壘電容擴(kuò)散電阻都是與發(fā)射結(jié)勢壘電容C Cjeje相并聯(lián)的，相并聯(lián)的，最后最后r rexex是發(fā)射極外部引線電極與發(fā)射區(qū)之間的是發(fā)射極外部引線電極與發(fā)射區(qū)之間的串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻，該電阻通常很小，一般在該電阻通常很小，一般在1-21-2個(gè)歐個(gè)歐姆之間。姆之間。 也可以構(gòu)造出共發(fā)射極狀態(tài)下也可以構(gòu)造出共發(fā)射極狀態(tài)下BJTBJT器件外部器件外部輸出電極輸出電極C C與與EE之間的等效電路，之間的等效電路，其中電

50、阻其中電阻r rc c是收集極電極是收集極電極C C與內(nèi)部收集區(qū)與內(nèi)部收集區(qū)CC之間的串聯(lián)電之間的串聯(lián)電阻，阻，C CS S是收集區(qū)與襯底之間反偏是收集區(qū)與襯底之間反偏PNPN結(jié)之間的勢結(jié)之間的勢壘電容，壘電容，受控電流源受控電流源g gm mV Vbebe反映的是反映的是BJTBJT器件器件收集極電流受發(fā)射結(jié)電壓的控制關(guān)系，收集極電流受發(fā)射結(jié)電壓的控制關(guān)系，電阻電阻r r0 0則是器件輸出電導(dǎo)則是器件輸出電導(dǎo)g g0 0的倒數(shù)，它主要由厄立效的倒數(shù)，它主要由厄立效應(yīng)決定。應(yīng)決定。 最后構(gòu)造出反偏最后構(gòu)造出反偏C-BC-B結(jié)之間的等效電路，結(jié)之間的等效電路，其中其中C C是反偏是反偏C-BC-

51、B結(jié)的勢壘電容，而電阻結(jié)的勢壘電容，而電阻r r則是反偏則是反偏C-BC-B結(jié)的擴(kuò)散電阻結(jié)的擴(kuò)散電阻。一般情況下。一般情況下r r在兆歐姆的數(shù)量級，往往可以忽略不計(jì)，電在兆歐姆的數(shù)量級，往往可以忽略不計(jì)，電容容C C通常也比通常也比C C要小，但是由于負(fù)反饋?zhàn)饔靡?，但是由于?fù)反饋?zhàn)饔靡鸬拿芾招?yīng)，起的密勒效應(yīng)，C C的影響通常不能忽略。的影響通常不能忽略。 將上述三部分等效電路組合起來，就形成了一將上述三部分等效電路組合起來，就形成了一個(gè)個(gè)BJTBJT器件完整的混合器件完整的混合型等效電路模型，具體型等效電路模型，具體的等效電路結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。的等效電路結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。 在實(shí)際的電路

52、分析過程中，由于上述完整在實(shí)際的電路分析過程中，由于上述完整的混合的混合型等效電路模型中包含較多的電路元型等效電路模型中包含較多的電路元件，因此往往采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算求解。另件，因此往往采用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行計(jì)算求解。另外，在某些特定條件下，我們也可以對上述完外，在某些特定條件下，我們也可以對上述完整的混合整的混合型等效電路模型進(jìn)行簡化處理。型等效電路模型進(jìn)行簡化處理。10.6 BJT10.6 BJT的頻率限制因素的頻率限制因素 這一節(jié)中將討論限制這一節(jié)中將討論限制BJTBJT器件頻率特性的幾器件頻率特性的幾個(gè)主要因素。個(gè)主要因素。 雙極型晶體管實(shí)際上是一種雙極型晶體管實(shí)際上是一種渡越時(shí)間渡越時(shí)間

53、器件，器件，當(dāng)輸入信號的頻率增大，渡越時(shí)間與輸入信號的當(dāng)輸入信號的頻率增大，渡越時(shí)間與輸入信號的周期相比擬時(shí)，此時(shí)輸出響應(yīng)就會(huì)跟不上輸入信周期相比擬時(shí)，此時(shí)輸出響應(yīng)就會(huì)跟不上輸入信號的變化，因而電流增益也會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢。號的變化，因而電流增益也會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢。 1. 1. 時(shí)間延遲因子：時(shí)間延遲因子： 可以將載流子由發(fā)射區(qū)渡越到收集區(qū)總的延可以將載流子由發(fā)射區(qū)渡越到收集區(qū)總的延遲時(shí)間劃分為以下四個(gè)獨(dú)立的部分。遲時(shí)間劃分為以下四個(gè)獨(dú)立的部分。r re e為發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電阻，為發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電阻，C Cp p為發(fā)射結(jié)的寄生電為發(fā)射結(jié)的寄生電容。容。 上式中第二項(xiàng)，上式中第二項(xiàng)，BJTBJT器件基區(qū)渡越時(shí)間為少數(shù)器件基區(qū)渡越時(shí)間為少數(shù)載流子擴(kuò)散通過中性基區(qū)所需的時(shí)間載流子擴(kuò)散通過中性基區(qū)所需的時(shí)間，對，對NPNNPN型型BJTBJT晶體管，基區(qū)中的電子電流密度可表示為：晶體管，基區(qū)中的電