晶體管小結(jié)課件

微電子技術(shù)專業(yè)《半導(dǎo)體器件》單元三雙極型晶體管小結(jié)講授教師：馬穎第

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章晶體管的直流特性

3.1概述掌握晶體管的基本結(jié)構(gòu)及分類熟悉晶體管雜質(zhì)分布特點(diǎn)熟悉晶體管載流子濃度分布特點(diǎn)掌握晶體管的直流放大系數(shù)及特性曲線3.2平面晶體管的電流放大系數(shù)及影響電流放大系數(shù)的原因（略）3.3晶體管的反向電流了解各反向電流的特點(diǎn)3.4晶體管的擊穿電壓了解各擊穿電壓的特點(diǎn)3.5晶體管的基極電阻了解基極電阻的危害，及其減小方法一、晶體管的概述簡述晶體管的結(jié)構(gòu)、基本形式掌握晶體管2種基本形式的圖形符號(hào)晶體管按制作工藝和管芯結(jié)構(gòu)形式分類晶體管基區(qū)雜質(zhì)分布的兩種形式均勻分布（如合金管），稱為均勻基區(qū)晶體管。均勻基區(qū)晶體管中，載流子在基區(qū)內(nèi)的傳輸主要靠擴(kuò)散進(jìn)行，故又稱為擴(kuò)散型晶體管?；鶇^(qū)雜質(zhì)是緩變的（如平面管），稱為緩變基區(qū)晶體管。這類晶體管的基區(qū)往往以漂移運(yùn)動(dòng)為主。所以又稱為漂移型晶體管。一、晶體管的概述晶體管具有放大能力需具備哪些條件？（1）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度比基區(qū)雜質(zhì)濃度高得多，即NE遠(yuǎn)大于NB，以保證發(fā)射效率γ≈1；（2）基區(qū)寬度WB遠(yuǎn)小于LnB，保證基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)β*≈1；（3）發(fā)射結(jié)必須正偏，使re很?。患娊Y(jié)反偏，使rc很大，rc遠(yuǎn)大于re。晶體管的共基極與共發(fā)射極直流放大系數(shù)之間的關(guān)系二、晶體管的反向電流關(guān)于反向電流ICB0與IEB0的特點(diǎn)鍺晶體管的反向電流主要是反向擴(kuò)散電流（少子電流）硅晶體管的反向電流主要是勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流（多子電流）引起反向電流過大的原因往往是表面漏電流太大。因此，在生產(chǎn)過程中，搞好表面清潔處理及工藝規(guī)范是減小反向電流的關(guān)鍵。ICEO=,減小ICEO的方法：▲要減小ICE0，必須減小ICB0?！娏鞣糯笙禂?shù)β不要追求過高。

BVEB0的大小由發(fā)射結(jié)的雪崩擊穿電壓決定，BVCB0的大小由集電結(jié)的雪崩擊穿電壓決定BVCE0與BVCB0之間滿足關(guān)系：對(duì)于NPN的Si管，n=4，PNP的Ge管n=6

什么是負(fù)阻擊穿現(xiàn)象？當(dāng)VCE達(dá)到BVCE0時(shí)發(fā)生擊穿，擊穿后電流上升，電壓卻反而降低。

三、晶體管的擊穿電壓第

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章晶體管的頻率特性與功率特性

4.1晶體管的頻率特性（理解3個(gè)頻率的概念、提高特征頻率的途徑，掌握交流αβ的公式及特點(diǎn)）4.2高頻等效電路（理解3個(gè)參數(shù)及其特點(diǎn)）4.3高頻功率增益和最高振蕩頻率（理解最高功率增益、高頻優(yōu)值的概念、提高功率增益的途徑）4.4晶體管的大電流特性（熟悉三個(gè)效應(yīng)的機(jī)理）4.5晶體管的最大耗散功率PCm和熱阻RT（熟悉特點(diǎn)及分類）4.6功率晶體管的二次擊穿和安全工作區(qū)（掌握二次擊穿的概念及其兩個(gè)機(jī)理，理解安全工作區(qū)圖形中各線條、區(qū)域表示的含義）一、晶體管的頻率特性當(dāng)頻率升高時(shí)，晶體管的結(jié)電容變大，使晶體管的放大能力下降。請(qǐng)列出4個(gè)主要的高頻參數(shù)截止頻率、特征頻率高頻功率增益、最高振蕩頻率fα稱為共基極截止頻率，反映了電流放大系數(shù)α的幅值|α|隨頻率上升而下降的快慢。fα表示共基極短路電流放大系數(shù)的幅值|α|下降到低頻值α0的

時(shí)的頻率?；蛘哒f是|α|比低頻α0下降3dB時(shí)的頻率。一、晶體管的頻率特性fβ稱為共發(fā)射極截止頻率表示共基極短路電流放大系數(shù)的幅值|β|下降到低頻值β0的

時(shí)的頻率?；蛘哒f是|β|比低頻β0下降3dB時(shí)的頻率。fT稱為特征頻率表示共射短路電流放大系數(shù)的幅值下降到|β|=1時(shí)的頻率。是晶體管在共射運(yùn)用中具有電流放大作用的頻率極限。

幾個(gè)頻率參數(shù)間的關(guān)系

fm稱為最高振蕩頻率，表示最佳功率增益GPm=1時(shí)的頻率，是晶體管具有功率增益的頻率極限。

交流放大系數(shù)α=

，說明α是一個(gè)復(fù)數(shù)，其幅值隨著頻率的升高而下降，相位差隨著頻率的升高而增大。α截止頻率fα=

。τe為發(fā)射極延遲時(shí)間τb對(duì)發(fā)射結(jié)處，基區(qū)側(cè)擴(kuò)散電容CDe的充電延遲時(shí)間。τc集電極延遲時(shí)間τd為集電結(jié)空間電荷區(qū)延遲時(shí)間m

為超相移因子（剩余相因子）。一、晶體管的頻率特性交流放大系數(shù)β=

，說明β是一個(gè)復(fù)數(shù)，其幅值隨著頻率的升高而下降，相位差隨著頻率的升高而增大。β截止頻率fβ=

。τe0為載流子從發(fā)射極到集電極總的傳輸延遲時(shí)間

fβ與fα的關(guān)系：

可以看出

。說明：共射短路電流放大系數(shù)β比共基短路電流放大系數(shù)α下降更快。因此，共基電路比共射電路頻帶更寬。

一、晶體管的頻率特性晶體管的特征頻率fT=

。提高特征頻率的途徑有哪些？

一、晶體管的頻率特性減小基區(qū)寬度Wb

；縮小結(jié)面積A；適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率ρc

；適當(dāng)減小集電區(qū)厚度Wc

；盡量減小延伸電極面積。三、高頻功率增益和最高振蕩頻率功率增益表示晶體管對(duì)功率的放大能力。等于輸出功率和輸入功率的比值。最佳功率增益GPm指信號(hào)源所供給的最大功率與晶體管向負(fù)載輸出的最大功率之比，即是輸入輸出阻抗各自匹配時(shí)的功率增益。最高振蕩頻率是最佳功率增益GPm=1時(shí)的頻率，它是晶體管真正具有功率放大能力的頻率限制。高頻優(yōu)值又稱增益-帶寬乘積，反映了晶體管的功率和頻率性能，而且只與晶體管本身的參數(shù)有關(guān)。三、高頻功率增益和最高振蕩頻率提高功率增益的途徑●提高晶體管的特征頻率；●適當(dāng)提高基區(qū)雜質(zhì)濃度，以減小基極電阻rb；●盡量縮小集電結(jié)和延伸電極面積，以減小勢(shì)壘電容和延伸電極電容；●盡量減小發(fā)射極引線電感和其他寄生參數(shù)；●選用合適的管殼，以獲得最佳高頻優(yōu)值。四、晶體管的大電流特性集電極最大電流IcM指共發(fā)射極直流短路電流放大系數(shù)下降到其最大值βM的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的集電極電流。要提高晶體管的輸出功率就必須提高集電極最大電流ICM。提高工作電流的唯一方法是增加電流密度。大電流工作時(shí)產(chǎn)生的三個(gè)效應(yīng)。基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)有效基區(qū)寬度擴(kuò)展效應(yīng)[kirk（克而克）效應(yīng)]

發(fā)射極電流集邊效應(yīng)又稱為基區(qū)電阻自偏壓效應(yīng)

四、晶體管的大電流特性發(fā)射極電流集邊效應(yīng)由基區(qū)電阻的不均勻所導(dǎo)致。發(fā)射極條寬越寬，距離發(fā)射極中心越遠(yuǎn)，則基區(qū)橫向壓降越大，發(fā)射極電流集邊效應(yīng)就越明顯。工作電流越大，基區(qū)橫向壓降也越大，發(fā)射極電流集邊效應(yīng)也就越明顯。防止發(fā)射極電流集邊效應(yīng)產(chǎn)生的方法是盡量縮小發(fā)射極寬度。五、晶體管的最大耗散功率和熱阻晶體管的功率主要耗散在集電結(jié)上。熱阻表示晶體管散熱能力的大小，等于任意兩點(diǎn)間的溫差與其熱流之比。熱阻分為穩(wěn)態(tài)熱阻（直流工作狀態(tài)下的熱阻RT）和瞬態(tài)熱阻（在開關(guān)和脈沖電路中，隨時(shí)間變化的晶體管的熱阻RTs)。提高晶體管最大耗散功率的主要措施有哪些？盡量降低晶體管的熱阻RT；選用最高結(jié)溫Tjm高的材料；盡量降低使用時(shí)的環(huán)境溫度Ta。六、功率晶體管的二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿的概念兩種二次擊穿的機(jī)理晶體管的安全工作區(qū)的概念器件承受的電壓突然降低，電流繼續(xù)增大，器件由高壓小電流狀態(tài)突然躍入低壓大電流狀態(tài)的一種現(xiàn)象。

●熱型又稱熱不穩(wěn)定型，是局部溫度升高和電流集中往復(fù)循環(huán)的結(jié)果。熱型二次擊穿的觸發(fā)時(shí)間較長屬于慢速型?！耠娏餍陀址Q雪崩注入型由雪崩注入引起，是快速型的二次擊穿。

晶體管能安全可靠地工作，并具有較長壽命的工作范圍。由最大集電極電流ICM，極限電壓BVCE0，最大功耗線和二次擊穿臨界線PsB所限定的區(qū)域。第

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章晶體管的開關(guān)特性

5.1二極管的開關(guān)作用和反向恢復(fù)時(shí)間5.2開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性（會(huì)通過計(jì)算判斷晶體管的開關(guān)工作類型）5.3晶體管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性（掌握四個(gè)動(dòng)態(tài)過程及其時(shí)間）一、二極管的開關(guān)作用和反向恢復(fù)時(shí)間雙極型器件與場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電機(jī)理有何不同？晶體管的開關(guān)特性包括哪些？儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和稱為P-N結(jié)的關(guān)斷時(shí)間，又稱反向恢復(fù)時(shí)間。要保持良好的開關(guān)作用，脈沖持續(xù)時(shí)間要比二極管反向恢復(fù)時(shí)間長得多，也就意味著脈沖的重復(fù)頻率不能太高。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件。場效應(yīng)晶體管是只由一種載流子參與傳導(dǎo)的半導(dǎo)體器件。晶體管處于開態(tài)和關(guān)態(tài)時(shí)端電流電壓間的靜態(tài)特性；在開態(tài)和關(guān)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，電流電壓隨時(shí)間變化的瞬態(tài)特性。二、開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性

晶體管各工作區(qū)的結(jié)電壓偏置情況如何？工作區(qū)結(jié)電壓放大區(qū)倒向放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)臨界飽和狀態(tài)過驅(qū)動(dòng)狀態(tài)集電結(jié)反偏正偏反偏零偏正偏發(fā)射極正偏反偏反偏正偏正偏晶體管工作在放大區(qū)的開關(guān)電路，稱為非飽和開關(guān)。這種工作模式，一般用在高速開關(guān)電路中。將晶體管導(dǎo)通后，工作在飽和區(qū)的開關(guān)電路，稱為飽和開關(guān)，此類開關(guān)接近于理想開關(guān)。二、開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性

圖示電路，用硅晶體管做為開關(guān)管使用接入電路中，已知其β，VBB，VCC，RL，RB，輸入正脈沖信號(hào)幅值VI等參數(shù);①試判斷晶體管的工作狀態(tài)如何？②試判斷該電路為飽和開關(guān)電路還是非飽和開關(guān)電路？③若為過驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，會(huì)計(jì)算其過驅(qū)動(dòng)電流、飽和深度。分析若IB=IBS，則晶體管處于

狀態(tài)。若IB>IBS，則晶體管處于

狀態(tài)。若IB<IBS，則晶體管處于

狀態(tài)。臨界飽和過驅(qū)動(dòng)放大通過基極驅(qū)動(dòng)電流的大小來判斷。二、開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性

圖示電路，用硅晶體管做為開關(guān)管使用接入電路中，已知其β，VBB，VCC，RL，RB，輸入正脈沖信號(hào)幅值VI等參數(shù);①試判斷晶體管的工作狀態(tài)如何？②試判斷該電路為飽和開關(guān)電路還是非飽和開關(guān)電路？③若為過驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，會(huì)計(jì)算其過驅(qū)動(dòng)電流、飽和深度。計(jì)算基極驅(qū)動(dòng)電流和基極臨界飽和電流三、晶體管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性晶體管的開關(guān)過程有那幾個(gè)動(dòng)態(tài)過程？

延遲過程、上升過程、超量儲(chǔ)存電荷消失過程、下降過程右圖中的td、tr、ts、tf分別代表什么時(shí)間？

td為延遲時(shí)間、tr為上升時(shí)間

ts為儲(chǔ)存時(shí)間、tf為下降時(shí)間晶體管的開啟時(shí)間

。關(guān)斷時(shí)間

。若晶體管的開關(guān)時(shí)間比輸入脈沖持續(xù)時(shí)間短，它就有良好的開關(guān)作用。三、晶體管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性（1）ICE0小，使開關(guān)電路截止時(shí)接近于斷路（開路），關(guān)斷性良好；（2）VCES小，使開關(guān)電路接通時(shí)接近于短路狀態(tài)，接通性良好；（3）開關(guān)時(shí)間盡可能短，要比輸入脈沖持續(xù)時(shí)間短，使晶體管的關(guān)斷性良好；（4）啟動(dòng)功率小，啟動(dòng)功率是晶體管從截止態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蛻B(tài)時(shí)所需的功率IBVBES；（5）開關(guān)功率大，即要求在截止態(tài)時(shí)能承受較高的反向電壓，在導(dǎo)通時(shí)，允許通過較大的電流；

為使晶體管具有良好的開關(guān)狀態(tài)，需具備哪些要求？第6章

雙極型晶體管的設(shè)計(jì)簡述晶體管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮哪3方面的參數(shù)？各有什么分類和哪些具體的參數(shù)？結(jié)構(gòu)參數(shù)工藝參數(shù)電學(xué)參數(shù)直流參數(shù)反向飽和電流（ICBO、IEBO、ICEO）直流電流放大系數(shù)（α、β）發(fā)射結(jié)正向壓降（VBE）飽和壓降（VCES）交流參數(shù)特征頻率（fT）、功率增益（GP）噪聲系數(shù)（NF）、開關(guān)時(shí)間（ton、toff）極限參數(shù)

最大集電極電流（ICM）擊穿電壓（BVCBO、BVEBO、BVCEO）最大集電極耗散功率（PCM）二次擊穿臨界功率（VsB）縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)基區(qū)寬度（Wb）外延層的電阻率（ρc）和厚度（W’C）集電結(jié)和發(fā)射結(jié)結(jié)深（xjc、xje）各區(qū)的雜質(zhì)濃度橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)射極總周長（LE）