第三章BJT雙極型晶體管

第三章雙極型晶體管中國計量學院光電學院晶體管——transistor它是轉(zhuǎn)換電阻transferresistor的縮寫晶體管就是一個多重結(jié)的半導體器件通常晶體管會與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號功率增益雙極型晶體管（bipolartransistor）是最重要的半導體器件之一在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應用雙極型器件是一種電子與空穴均參與導通過程的半導體器件歷史1947年肖克利和他的兩位助手布拉頓、巴丁在貝爾實驗室工作時發(fā)明了世界上第一個晶體管。為此，肖克利三人于1956年獲得諾貝爾物理學獎。用晶體管代替電子管制造電腦，在電腦史上是一次突破性技術飛躍。第一支晶體管表面積2cm2，相當于現(xiàn)在十億個晶體管歷史1945年二戰(zhàn)結(jié)束后，貝爾實驗室迅速批準固體物理學研究項目上馬，當時總裁凱利作為決策者在課題任務書上簽署了大名。由肖克利領銜，布拉頓、巴丁等人組成的半導體小組把目光盯住了那些特殊的“礦石”，肖克利首先提出了“場效應”半導體管的實驗方案。然而他們并沒有發(fā)現(xiàn)預期的那種放大作用。歷史1947年的圣誕前某一天，貝爾實驗室中，布拉頓平穩(wěn)地用刀片在三角形金箔上劃了一道細痕，恰到好處地將頂角一分為二，分別接上導線，隨即準確地壓進鍺晶體表面的選定部位。電流表的指示清晰地顯示出，他們得到了一個有放大作用的新電子器件！布拉頓和巴丁興奮地大喊大叫起來，聞聲而至的肖克利也為眼前的奇跡感到格外振奮。布拉頓在筆記本上這樣寫道：“電壓增益100，功率增益40……實驗演示日期1947年12月23日下午?！弊鳛橐娮C者，肖克利在這本筆記上鄭重地簽了名。肖克利(坐)在檢查巴丁(左)和布拉頓(右)的實驗結(jié)果歷史1948年，美國專利局批準了貝爾實驗室這種被命名為晶體管的發(fā)明專利。當時，專利書上的發(fā)明人只列著布拉頓和巴丁。1948年7月1日，美國《紐約時報》只用了8個句子的篇幅，簡短地公開了貝爾實驗室發(fā)明晶體管的消息。歷史此后，肖克利一舉攻克晶體管中的另一座“堡壘”：他發(fā)明了一種“結(jié)型晶體管”，離布拉頓和巴丁發(fā)明“點接觸型晶體管”的時間僅隔一年。人們后來知道，結(jié)型晶體管才是現(xiàn)代晶體管的正宗始祖，它預示著半導體技術的發(fā)展方向。歷史這是一顆重磅炸彈，在全世界電子行業(yè)“引爆”出強烈的沖擊波。1954年，貝爾實驗室使用800支晶體管成功組裝了人類有史以來的第一臺晶體管計算機TRADIC。電子計算機邁入了第二代！p-n-p雙極晶體管制造過程以p型半導體為襯底利用熱擴散的原理在p型襯底上形成一個n型區(qū)域再在此n型區(qū)域上以熱擴散形成一高濃度的p+型區(qū)域接著以金屬覆蓋p+、n以及下方的p型區(qū)域分別形成歐姆接觸理想的一維結(jié)構p-n-p雙極型晶體管p-n-p雙極型晶體管的電路符號

圖中也顯示了各電流成分和電壓極性，箭頭表示晶體管在一般工作模式(或稱放大模式activemode)下各電流的方向。我們將仔細討論p-n-p雙極型晶體管理由：因為其少數(shù)載流子(空穴)的流動方向與電流方向相同可更直觀地了解電荷運動的機制了解了p-n-p晶體管，只要將極性和摻雜類型調(diào)換，即可描述n-p-n晶體管所有端點接地的p-n-p晶體管

（熱平衡狀態(tài)）晶體管工作在放大模式時能帶圖理想的p-n-p晶體管偏壓在放大模式下的各電流成分工作原理各端點的電流成分共基電流增益晶體管中有一項重要的參數(shù)，稱為共基電流增益(commonbasecurrentgain)將式(1)代人式(4)可得發(fā)射效率基區(qū)輸運系數(shù)發(fā)射效率發(fā)射效率(emitterefficency)，是入射空穴電流與總發(fā)射極電流之比基區(qū)輸運系數(shù)基區(qū)輸運系數(shù)(basetransportfactor)，是到達集電極的空穴電流量與由發(fā)射極入射的空穴電流量之比集電極電流可表示為所以式（5）可寫成接近于1表示發(fā)射極斷路時集電極與基極之間的電流前兩個下標CB表示集電極和基極兩個端點，第三個下標O表示第三端點（發(fā)射極）斷路共基極組態(tài)下的集電極電流可表示為：理想BJT的靜態(tài)特性靜態(tài)電流電壓特性各端點的電流方程式何謂靜態(tài)？五點假設（1）晶體管中各區(qū)域的濃度為均勻摻雜；（2）基區(qū)中的空穴漂移電流和集基極反向飽和電流可以忽略；（3）載流子注入屬于小注入；（4）耗盡區(qū)中沒有產(chǎn)生-復合電流；（5）晶體管中無串聯(lián)電阻。用途：為推導理想晶體管電流、電壓表達式做準備！意味什么？理想PN結(jié)電流-電壓特性的假設耗盡區(qū)為突變邊界，且假設在邊界之外，半導體為電中性。在邊界的載流子濃度和跨過結(jié)的靜電電勢有關。小注入情況，即注入的少子遠小于多子濃度。也就是說，在中性區(qū)的邊界上，多子濃度因外加偏壓而改變的量可以忽略。在耗盡區(qū)內(nèi)并無產(chǎn)生復合電流，且電子和空穴在耗盡區(qū)內(nèi)為常數(shù)。注意熱平衡時的PN結(jié)載流子濃度基本上，假設在正向偏壓的狀況下，空穴由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，然后這些空穴再以擴散的方式穿過基區(qū)到達集基結(jié)，一旦我們確定了少數(shù)載流子的分布（即N區(qū)中的空穴），就可以由少數(shù)載流子的濃度梯度得出電流。摻雜濃度分布和加偏壓狀態(tài)下的耗盡區(qū)以及電場分布根據(jù)圖中結(jié)上的電場強度分布，中性區(qū)域中的少數(shù)載流子分布可由無電場的穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程來求解：方程的一般解為：

為空穴的擴散長度如何確定常數(shù)C1和C2

？常數(shù)C1和C2由放大模式下的邊界條件求解：

是熱平衡狀態(tài)下基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度，

NB表示基區(qū)中均勻的施主濃度。

第一個邊界條件表示在正向偏壓的狀態(tài)下，射基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣（x=0）的少數(shù)載流子濃度是熱平衡狀態(tài)下的值乘以指數(shù)函數(shù)exp（qVEB/kT）

第二個邊界條件表示在反向偏壓條件下，集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣（x=W）的少數(shù)載流子濃度為零。

將（3）式代入（2）式，可得：sinh是雙曲正弦函數(shù)，雙曲正弦函數(shù)的特點是什么？如何根據(jù)函數(shù)形式進行化簡？雙曲函數(shù)

雙曲函數(shù)常出現(xiàn)于某些重要的線性微分方程的解中，譬如說拉普拉斯方程補充雙曲函數(shù)的來歷雙曲函數(shù)的定義名稱為什么和三角函數(shù)有關？回到方程（5）考慮雙曲正弦函數(shù)的特點！最直觀的方法！從圖象中找函數(shù)特點。所以當時，方程（5）可簡化為：

這個假設合理嗎？

這個近似是合理的，因為在晶體管的設計中，基區(qū)寬度遠小于少數(shù)載流子的擴散長度。從這個方程中可以看出，少數(shù)載流子分布趨近于一條直線。

那么整體PNP晶體管在放大模式下的少子分布究竟如何呢？類似于基區(qū)的求解，可以求出發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的少子分布。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中性區(qū)域的邊界條件為：分別是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中熱平衡狀態(tài)下的電子濃度。假設：發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度分別遠大于擴散長度LE和LC。

發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的少子濃度為：放大模式下PNP晶體管中的少子分布水平虛線表示什么？基區(qū)電荷是圖中哪一部分面積？注意坐標系的建立！在x=0處，由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴電流IEP與少子濃度分布的梯度成正比。當W/Lp<<1時，空穴電流IEP可由式（6）表示為：同樣，在x=W處，由集電極所收集到的空穴電流為：當W/Lp<<1時，IEP等于ICP。IEN是由基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電子流形成的。ICN是由集電區(qū)流向基區(qū)的電子流形成的。各端點的電流發(fā)射極電流各端點的電流集電極電流請注意：各端點的電流基極電流例：對一只理想的p-n-p晶體管,若各個區(qū)的摻雜濃度分別是1019cm-3,1017cm-3

和5×1015cm-3；又已知DnE=1cm2/V-s，DP=10cm2/V-s,LE=1.0mm,LP=10mm,W=0.5mm。試計算共基極電流增益a0。

a0

≈[1+(DEn/DP)(W/LE)(NB/NE)]-1=0.9995

加在各PN

結(jié)上的電壓為PNP

管，NPN

管，

根據(jù)兩個結(jié)上電壓的正負，晶體管有4種工作狀態(tài)：E結(jié)＋＋－－

工作狀態(tài)放大狀態(tài)，用于模擬電路飽和狀態(tài)，用于數(shù)字電路截止狀態(tài)，用于數(shù)字電路倒向放大狀態(tài)C結(jié)－＋－＋

偏壓與工作模式

偏壓方式放大模式——射基結(jié)正偏、集基結(jié)反偏飽和模式——兩個結(jié)均為正偏截止模式——兩個結(jié)均為反偏反轉(zhuǎn)模式——射基結(jié)反偏、集基結(jié)正偏飽和模式晶體管中兩個結(jié)均為正偏，導致兩個結(jié)的耗盡區(qū)中少子分布并非為零因此，在x=W處的邊界條件由（4）式變?yōu)椋涸陲柡湍Ｊ较拢瑯O小的電壓就產(chǎn)生了極大的輸出電流，晶體管處于導通狀態(tài)，類似于開關短路的狀態(tài)。截止模式晶體管的兩個結(jié)皆為反向偏壓，邊界條件變?yōu)椋航刂鼓Ｊ较碌木w管可視為開路，類似開關斷路。反轉(zhuǎn)模式也稱為反放大模式射基結(jié)是反偏，集基結(jié)是正偏反轉(zhuǎn)模式下，集電極用作發(fā)射極，而發(fā)射極用作集電極，相當于晶體管倒過來用。在反轉(zhuǎn)模式下的電流增益通常教放大模式小，這是因為集電區(qū)摻雜濃度較小，造成了低的“發(fā)射效率”所致。各模式的電流、電壓關系一般表示式：注意：系數(shù)如前，各結(jié)的偏壓視工作模式可正可負放大狀態(tài)：飽和狀態(tài)：截止狀態(tài)：倒向放大狀態(tài)：

均勻基區(qū)PNP晶體管在4種工作模式的少子分布圖自左向右為E、B、C結(jié)ECEFEVNNP均勻基區(qū)NPN晶體管在平衡狀態(tài)下的能帶圖

均勻基區(qū)

NPN

晶體管在4種工作模式下的能帶圖放大模式：飽和模式：截止模式：反轉(zhuǎn)模式：共基組態(tài)輸入、輸出的電流、電壓分別是什么？

晶體管放大電路有兩種基本類型：共基極接法與

共發(fā)射極接法

。BECBPNPNENBNCIEIBICECBNPIEIBPENENBNCIC晶體管的放大作用共基組態(tài)輸出I-V特性

共發(fā)射極輸出特性：以輸入端的IB

為參變量，輸出端的IC與VCE之間的關系。ECBPNIBICNEVCE共射組態(tài)共射組態(tài)集電極電流共射電流增益

ICEO代表基極開路(IB

=0)、集電結(jié)反偏(VBC<0)時從發(fā)射極穿透到集電極的電流，稱為共發(fā)射極反向截止電流，或共發(fā)射極穿透電流。例題：求共射極穿透電流。

圖中，虛線代表

VBC=0，或

VCE=VBE

，即放大區(qū)與飽和區(qū)的分界線。在虛線右側(cè)，VBC<0，或

VCE>VBE，為放大區(qū)；在虛線左側(cè)，VBC>0，或

VCE<VBE

，為飽和區(qū)。共射組態(tài)I-V特性

在共發(fā)射極放大區(qū)，理論上，即IC

與VCE

無關。但在實際的晶體管中，IC隨VCE的增大會略有增大?；鶇^(qū)寬度調(diào)變效應

原因：當

VCE增大時，集電結(jié)反偏(VBC=VBE–VCE)增大，集電結(jié)耗盡區(qū)增寬，使中性基區(qū)的寬度變窄，基區(qū)少子濃度分布的梯度增大，從而使IC

增大。這種現(xiàn)象稱為

基區(qū)寬度調(diào)變效應，也稱為

厄爾利效應（Earlyeffect）。W'BW'BWBWBxNNP00nB(x)厄爾利電壓（EarlyVoltage）

將集電極電流往左方延伸，與電壓軸相交，可得交點Va，稱厄爾利電壓。雙極型晶體管的頻率響應連接成共射組態(tài)的雙極型晶體管晶體管電路的小信號工作狀態(tài)

晶體管內(nèi)部的作用雖然很復雜，但從外部看，只有輸入端的電流電壓和輸出端的電流電壓這四個信號量。晶體管用在電路中時，重要的只是這四個量之間的關系。特別是在小信號運用時，這些信號量之間的關系為線性關系。

如果用另外一些元件構成一個電路，使其輸入輸出端上信號量之間的關系和晶體管的完全一樣，則這個電路就是晶體管的

等效電路。在分析含有晶體管的電路時，可以用等效電路來代替晶體管。要注意的是，等效電路是對外等效對內(nèi)不等效，所以等效電路不能用來研究晶體管的內(nèi)部物理過程。（a）基本晶體管等效電路（b）加上勢壘和擴散電容后的基本等效電路

基區(qū)的寬度調(diào)制效應，將產(chǎn)生一個有限的輸出電導，如上，將基極的電阻和集電極的電阻列入考慮，可得到圖（c）的等效電路?？鐚Т砑姌O電流受發(fā)射結(jié)電壓變化的影響

（c）再添加電阻和電導之后的等效電路在等效電路圖（c）中，跨導gm和輸入電導gEB與晶體管的共基電流增益有關。在低頻時，共基電流增益是一個固定值，不會因工作頻率而改變。然而，當頻率升高至一關鍵點后，共基電流增益將會降低。加入頻率參量后，共基電流增益為：共基截止頻率同樣加入頻率參量，共射電流增益為：稱為共射截止頻率

特征頻率（截止頻率）定義為時的頻率。用表示：電流增益與工作頻率的關系圖特征頻率空穴經(jīng)過基區(qū)所需的時間為：要改善頻率響應，必須縮短少子穿越基區(qū)的時間。改善頻率響應的方法高頻晶體管為了縮短少子穿越基區(qū)的時間，都設計成短基區(qū)寬度。由于硅材料中電子的擴散系數(shù)是空穴的三倍，所有的高頻硅晶體管都是NPN結(jié)構（基區(qū)中的少子為電子）。也可以利用內(nèi)建電場的緩變摻雜基區(qū)，使得基區(qū)靠近發(fā)射極端摻雜濃度高，靠近集電極端摻雜濃度低。產(chǎn)生的電場有助于載流子往集電極移動，從而縮短基區(qū)渡越時間。晶體管可近似于一個理想的開關

——開關應用數(shù)字電路中，晶體管主要作為開關應用。利用小的基極電流在極短時間內(nèi)改變集電極電流，從而改變開、關狀態(tài)。開——低電壓高電流的狀態(tài)；關——高電壓低電流的狀態(tài)。晶體管工作于截止模式，即為關的狀態(tài)，發(fā)射極與集電極之間斷路。晶體管工作在飽和模式，即為開的狀態(tài)，發(fā)射極與集電極之間短路。開關時間（以PNP晶體管為例）開關時間指晶體管從開到關或從關到開所需的時間。導通時間取決于如何迅速的將空穴（PNP晶體管中的少子）加入基極區(qū)域。關閉時間取決于如何迅速的通過復合將空穴移除。晶體管開關時最重要的一個參數(shù)是少子壽命！有效降低少子壽命的方法是加入深能級雜質(zhì)。如何有效降低少子壽命？1、當作放大器使用時，NPN晶體管的基極必須是（）（A）相對發(fā)射極是正電壓（B）相對發(fā)射極是負電壓（C）相對集電極是正電壓（D）0V2、發(fā)射極電流總是（）（A）大于基極電流（B）小于基極電流（C）大于集電極電流（D）答案（A）、（C）均正確3、當工作在截止區(qū)和飽和區(qū)時，晶體管像（）（A）線性放大器（B）電子開關（C）可變電容器（D）可變電阻器4、解釋為什么晶體管的基極電流比集電極電流小很多？5、一個NPN晶體管，其基區(qū)輸運效率aT=0.998，發(fā)射效率為0.997，Icp=10nA

。（1）計算晶體管的a0,b0;（2）如果IB=0，發(fā)射極電流為多少？異質(zhì)結(jié)兩個分離半導體的能帶圖假設兩種半導體有不同的禁帶寬度、介電常數(shù)、功函數(shù)和電子親和勢。功函數(shù)定義為將一個電子由費米能級EF移到材料外（真空能級）所需的能量。電子親和勢定義為將一個電子由導帶底部移至真空能級所需的能量。兩種半導體導帶邊緣的能量差和價帶邊緣的能量差可分別表示為：熱平衡下，理想NP異質(zhì)結(jié)的能帶圖理想異質(zhì)結(jié)理想異質(zhì)結(jié)能帶圖中必須假設兩種不同半導體的界面沒有陷阱或產(chǎn)生-復合中心。這條假設只在兩個晶格常數(shù)很接近的半導體形成異質(zhì)結(jié)時才成立。必須選擇晶格接近的材料以符合此假設。X=0異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）即晶體管中的一或兩個結(jié)由不同的半導體材料構成HBT的優(yōu)點發(fā)射效率較高應用基本與雙極型晶體管相同具有較高的速度可以工作在更高的頻率因此，HBT在光電、微波和數(shù)字應用上非常受歡迎。如微波應用：固態(tài)微波及毫米波功率放大器、振蕩器和混頻器。HBT的電流增益假設HBT的發(fā)射區(qū)材料是半導體1，基區(qū)材料是半導體2，必須考慮不同半導體材料的禁帶寬度差對HBT電流增益所造成的影響。當基區(qū)輸運系數(shù)αT非常接近于1時，共射電流增益可以表示為：NPN晶體管的共射電流增益發(fā)射區(qū)和基區(qū)中的少子濃度可寫成：NPNHBT結(jié)構的截面圖放大模式下HBT的能帶圖因為發(fā)射區(qū)和基區(qū)材料間具有很大的禁帶寬度差，共射電流增益可以提到很高。而同質(zhì)結(jié)的雙極型晶體管并無禁帶寬度差存在，必須將發(fā)射區(qū)和基區(qū)的摻雜濃度比提到很高。這是同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管最基本的不同處。晶閘管

PNPN結(jié)構晶閘管晶閘管又叫可控硅，英文縮寫為SCR。自從20世紀50年代問世以來，晶閘管已經(jīng)發(fā)展成了一個大的家族。它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管，等等。晶閘管可控硅整流元件或者晶閘管，是一種大功率硅半導體器件。它具有同半導體二極管相似的單向?qū)щ娞匦?，但導通可控制，所以說是具有可控的單向?qū)щ娞匦缘恼髟?。利用該特性?/p>