半導(dǎo)體物理與器件-課件-教學(xué)-作者-裴素華-第3章-雙極型晶體管

第3章雙極型晶體管

第3章雙極型晶體管13.1晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理

3.1.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)

晶體管就有兩種基本組合形式：P-N-P型或N-P-N型，它們的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖所示，其符號(hào)中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)電流的方向。

（a）管芯結(jié)構(gòu)

（b）符號(hào)P-N-P型晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

3.1晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理

3.1.1晶體管的基本結(jié)23.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布

1.合金晶體管

PNP型合金管結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布如圖所示

合金晶體管的雜質(zhì)分布特點(diǎn)：三個(gè)區(qū)的雜質(zhì)分布都是均勻分布，基區(qū)的雜質(zhì)濃度最低，其發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均是突變結(jié)。

（a）管芯結(jié)構(gòu)（b）雜質(zhì)分布鍺合金晶體管的結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布

3.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布1.合金晶體管 （33.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布

2.平面晶體管

平面晶體管結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布如圖所示

平面工藝最主要的特點(diǎn)是：利用SiO2穩(wěn)定的化學(xué)性能，能耐高溫，具有掩蔽雜質(zhì)原子擴(kuò)散和良好的絕緣性能，與光刻技術(shù)相配合，可進(jìn)行選擇擴(kuò)散，這樣使平面晶體管具有更為合理的電極形狀，薄的基區(qū)，鈍化的表面，因此在功率、噪聲、穩(wěn)定性、可靠性等方面達(dá)到一個(gè)較高的水平。

（a）管芯結(jié)構(gòu)（b）雜質(zhì)分布圖3-4硅平面晶體管的結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布

3.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布2.平面晶體管 （43.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布

3.外延平面晶體管

在平面晶體管制造工藝的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種外延平面晶體管。其結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布如圖所示

由圖可見(jiàn)，雙擴(kuò)散外延平面晶體管的基片電阻率很低，集電極串聯(lián)電阻很小，使集電極飽和壓降減小，晶體管可做得很小，基區(qū)寬度Wb很薄，從而使外延平面晶體管在頻率特性、開(kāi)關(guān)速度和功率等方面都有很大的提高與改善，因此，成為目前生產(chǎn)最主要的一種晶體管。（a）管芯結(jié)構(gòu)（b）雜質(zhì)分布

硅外延平面管結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)分布示意圖

3.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布3.外延平面晶體管53.1.3晶體管的工作原理

晶體管最重要的作用是具有放大電信號(hào)的能力。為什么緊靠著的兩個(gè)PN結(jié)具有放大作用？要晶體管具有放大作用首先要有適當(dāng)?shù)碾娐贰?/p>

晶體管放大電路原理

3.1.3晶體管的工作原理 晶體管放大電路原理63.1.3晶體管的放大功能

基區(qū)厚度很大的NPN結(jié)構(gòu)的電流流通與少子分布示意圖

3.1.3晶體管的放大功能 基區(qū)厚度很大的NPN結(jié)構(gòu)的電流73.1.4晶體管的放大功能

表1給出了型號(hào)為3DG6晶體管（硅高頻小功率管），在集電結(jié)UCC=6V條件下測(cè)量所得的實(shí)際數(shù)據(jù)。晶體管的電壓放大系數(shù)為：晶體管的功率放大應(yīng)等于它的電流放大系數(shù)與電壓放大系數(shù)的乘積，

表1晶體管各電極電流分配表發(fā)射極電流IE（mA)12345集電極電流IC（mA)0.981.962.943.924.90基極電流IB（mA)0.020.040.060.080.103.1.4晶體管的放大功能表1給出了83.2晶體管的電流放大特性

幾點(diǎn)假設(shè):

發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為理想的突變結(jié)，且結(jié)面積相等（用A表示）；各區(qū)雜質(zhì)為均勻分布，載流子僅做一維傳輸，不考慮表面的影響；

外加電壓全部降落在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘區(qū)以外不存在電場(chǎng)；

發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，且不存在載流子的產(chǎn)生與復(fù)合，因而通過(guò)勢(shì)壘區(qū)的電流不變；

發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，而基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度；

注入基區(qū)的少子濃度比基區(qū)多子濃度低得多，只討論小注入情況。

3.2晶體管的電流放大特性幾點(diǎn)假設(shè):93.2.1晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸

1.平衡晶體管的能帶及載流子的濃度分布

（a）結(jié)構(gòu)（b）能帶（c）載流子分布平衡晶體管能帶與載流子濃度分布

3.2.1晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸103.2.1晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸

2.非平衡晶體管的能帶及少數(shù)載流子的濃度分布

（a）結(jié)構(gòu)（b）能帶（c）少子分布非平衡晶體管能帶與少數(shù)載流子濃度分布

3.2.1晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸113.2.1晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸

3.載流子的輸運(yùn)過(guò)程

（a）少子分布示意圖（b）載流子輸運(yùn)過(guò)程示意圖

晶體管中載流子分布及其輸運(yùn)過(guò)程示意圖

3.2.1晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸123.2.1晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸

3.載流子的輸運(yùn)過(guò)程（1）根據(jù)正向PN結(jié)特性，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)靠發(fā)射結(jié)邊界X2處的電子濃度為由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)靠發(fā)射結(jié)邊界X1處的空穴濃度為（2）根據(jù)反向PN結(jié)特性，集電結(jié)兩邊界X3和X4處的少子濃度分別為

3.2.1晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸3.133.2.2晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成

1.晶體管內(nèi)的電流傳輸NPN型晶體管電流傳輸示意圖

3.2.2晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成143.2.2晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成

2.晶體管各端電流的形成（1）發(fā)射極電流IE從上面的分析與討論可知，發(fā)射極的正向電流IE是由兩股電流組成的：

IE=Ip(X1)+In(X2)

（3-8）

（2）基極電流IB基極電流IB是由三部分組成的：

IB=Ip(X1)+IVB-ICBO（3-9）由于通常情況下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示為IB≈Ip(X1)+IVB

（3-10）（3）集電極電流IC通過(guò)集電結(jié)和集電區(qū)的電流主要有兩股組成：IC=In(X4)+ICBO（3-11）因?yàn)镮CBO很小，（3-11）式可近似表示為IC=≈In(X4)

（3-12）

3.2.2晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成153.2.2晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成

2.晶體管各端電流的形成（4）

晶體管三端電流之間的關(guān)系

由上面的分析可以得出In(X2)=IVB+In(X3)=IVB+In(X4)（3-13）將（3-13）式代入（3-8）式，得IE=Ip(X1)+IVB+In(X4)（3-14）將（3-9）式與（3-11）式相加，可得IB+IC=Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO=Ip(X1)+IVB+In(X4)（3-15）將（3-15）式代入（3-14）式，得IE=IB+IC（3-16）

3.2.2晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成163.2.3晶體管的直流電流方程式

1.In(X2)的表達(dá)式In(X2)是注入基區(qū)的電子所形成的擴(kuò)散電流，根據(jù)擴(kuò)散電流公式有

基區(qū)電子可近似看成線性分布

基區(qū)少子分布示意圖

3.2.3晶體管的直流電流方程式1.I173.2.3晶體管的直流電流方程式

根據(jù)PN結(jié)理論，基區(qū)X2和X3處的電子濃度分別為

基區(qū)電子分布函數(shù)為

那么基區(qū)電子的擴(kuò)散電流In(X2)則為

可求出In(X2)近似為

3.2.3晶體管的直流電流方程式根據(jù)PN結(jié)理論，基區(qū)X183.2.3晶體管的直流電流方程式

2.Ip(X1)表達(dá)式Ip(X1)是在發(fā)射結(jié)正偏情況下由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴擴(kuò)散電流。根據(jù)正向PN結(jié)特性，邊界X1處的少子空穴濃度為

空穴擴(kuò)散電流為

3.2.3晶體管的直流電流方程式2.193.2.3晶體管的直流電流方程式

3.IVB表達(dá)式IVB是注入基區(qū)的電子與基區(qū)中的空穴復(fù)合而形成的復(fù)合電流。

IVB=-q×單位時(shí)間內(nèi)在基區(qū)中復(fù)合的電子數(shù)

在只考慮體內(nèi)復(fù)合的情況下

3.2.3晶體管的直流電流方程式3.203.2.3晶體管的直流電流方程式

4.ICBO的表達(dá)式ICBO由電子漂移電流和空穴漂移電流IpCB兩部分組成，即ICBO=InCB+IpCB

若晶體管工作在放大區(qū)，且有時(shí)，

3.2.3晶體管的直流電流方程式4.I213.2.3晶體管的直流電流方程式

5.IE、IC、IB直流電流方程式因?yàn)镮E由Ip(x1)和In(x2)組成，所以

因?yàn)镮C=In(x4)+ICBO=In(x2)-IVB+ICBO，所以

因?yàn)镮B=Ip(x1)+IVB-ICBO，所以

3.2.3晶體管的直流電流方程式5.223.2.4晶體管的直流電流放大系數(shù)

1.共基極直流電流放大系數(shù)在共基極電路中，基極作為輸入和輸出的公共端，共基極連接方式如下圖所示。NPN型晶體管的共基極連接

3.2.4晶體管的直流電流放大系數(shù)1.共233.2.4晶體管的直流電流放大系數(shù)

2.共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)

在共發(fā)射極電路中發(fā)射極作為輸入和輸出的公共端，其連接方式如圖所示。NPN型晶體管的共發(fā)射極連接

3.2.4晶體管的直流電流放大系數(shù)2.共243.2.4晶體管的直流電流放大系數(shù)

3.共集電極直流電流放大系數(shù)

共集電極電流放大系數(shù)4.α0與β0的關(guān)系β0和α0的關(guān)系曲線

3.2.4晶體管的直流電流放大系數(shù)3.共253.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析

1.均勻基區(qū)晶體管電流放大的中間參量

（1）發(fā)射結(jié)的發(fā)射效率γ0對(duì)于NPN型晶體管，γ0定義為注入基區(qū)的電子電流與發(fā)射極總電流之比，即有（3-41）由于IE=In(X2)+Ip(X1)，利用nbo·pbo=neo·peo=ni2

3.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析1263.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析

3.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析273.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析

（2）基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)β0*對(duì)于NPN晶體管，定義為到達(dá)集電結(jié)邊界X3的電子電流In(X3)與注入基區(qū)的電子電流In(X2)之比，即有

3.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析（2）基區(qū)輸283.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析

（3）晶體管直流電流放大系數(shù)與γ0和β0*的關(guān)系

In(X3)=In(X4)≈IC

1<<1

，或3.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析（3）晶體管直293.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析

2.緩變基區(qū)晶體管電流放大的中間參量

（1）基區(qū)自建電場(chǎng)在緩變基區(qū)晶體管中，基區(qū)摻雜濃度是不均勻的，因此基區(qū)存在著雜質(zhì)濃度梯度。

NPN平面晶體管凈雜質(zhì)濃度分布

3.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析2303.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析

利用，，

基區(qū)雜質(zhì)分布

3.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析313.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析

（2）發(fā)射結(jié)的發(fā)射效率γ0

（當(dāng)We>>LPe時(shí)）

（當(dāng)We<<LPe時(shí)）

3.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析（2）發(fā)射結(jié)的323.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析

（3）基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)β0*

（λ>2）

（4）

緩變基區(qū)共基極直流電流放大系數(shù)α0

（5）

緩變基區(qū)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)β0

3.2.5晶體管電流放大系數(shù)的定量分析（3）基區(qū)輸運(yùn)333.2.6影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素

1．發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合對(duì)電流放大系數(shù)的影響

Ip(X1)=Ip(X2)，In(X2)=In(X1)IE=Ip(X1)+In(X2)

IE=Ip(X1)+In(X2)+IVE

發(fā)射效率3.2.6影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素1．發(fā)343.2.6影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素

發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流示意圖根據(jù)PN結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流公式可推出3.2.6影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素353.2.6影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素

2.基區(qū)表面復(fù)合對(duì)電流放大系數(shù)的影響

考慮表面復(fù)合后NPN管中的電流傳輸3.2.6影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素2.363.集電極電流大小對(duì)電流放大系數(shù)的影響電流放大系數(shù)也與晶體管的工作電流即集電極電流的大小有關(guān)，β0與IC的變化如圖所示。β0與IC的變化曲線3.集電極電流大小對(duì)電流放大系數(shù)的影響β0與I374.基區(qū)寬變效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響當(dāng)晶體管的集電結(jié)反向偏壓發(fā)生變化時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度Xmc也將發(fā)生變化，因而會(huì)引起有效基區(qū)寬度的相應(yīng)變化，如圖所示。這種由于外加電壓變化引起有效基區(qū)寬度變化的現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度效應(yīng)?；鶇^(qū)寬度效應(yīng)示意圖4.基區(qū)寬變效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響基區(qū)寬度效38基區(qū)寬變效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響表現(xiàn)在晶體管輸出特性曲線族上（輸出特性曲線在后面討論），如圖所示。具體表現(xiàn)為曲線隨外加電壓增加而傾斜上升。基區(qū)寬度效應(yīng)對(duì)輸出特性曲線的影響（a）曲線向上傾斜（b）基區(qū)寬度效應(yīng)的影響基區(qū)寬變效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響表現(xiàn)在晶體管輸出特性曲線族上39對(duì)均勻基區(qū)晶體管，其電流放大系數(shù)為對(duì)緩變基區(qū)晶體管，其電流放大系數(shù)為由此可見(jiàn)，晶體管的基區(qū)寬度越窄，反向偏壓越高Xmc越寬，則基區(qū)寬度效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響越嚴(yán)重。對(duì)均勻基區(qū)晶體管，其電流放大系數(shù)為對(duì)緩變基區(qū)晶體管，其電流405.溫度對(duì)電流放大系數(shù)的影響溫度對(duì)電流放大系數(shù)的影響是比較顯著的，當(dāng)溫度升高時(shí)，β0會(huì)隨之增大，如圖所示。β0隨溫度的變化關(guān)系5.溫度對(duì)電流放大系數(shù)的影響溫度對(duì)電流放大系數(shù)的影響是比413.3晶體管的直流特性曲線

3.3.1共基極連接直流特性曲線下圖為測(cè)量晶體管共基極直流特性曲線的原理圖。圖中UEB為發(fā)射極和基極之間的電壓降，UCB為集電極和基極之間的電壓降，RE為發(fā)射極串聯(lián)電阻，可控制UEB或IE。共基極直流特性曲線測(cè)量原理電路圖3.3晶體管的直流特性曲線

3.3.1共基極連接直流42共基極直流輸入特性曲線對(duì)于一個(gè)給定的UCB，改變UEB，測(cè)量IE，可以測(cè)得一條IE與UEB的關(guān)系曲線，對(duì)于不同的UCB值，改變UEB測(cè)量IE，可測(cè)得一組IE與UEB的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共基極直流輸入特性曲線，如圖（a）所示。共基極直流特性曲線（a）輸入特性曲線共基極直流輸入特性曲線對(duì)于一個(gè)給定的UCB，改變UEB，測(cè)43由前所知IE=[Jp(X1)+Jn(X2)]AE式中Jp(X1)為空穴擴(kuò)散電流密度；Jn(X2)為電子擴(kuò)散電流密度；AE為發(fā)射結(jié)面積。Jp(X1)和Jn(X2)都隨正向壓降增大而呈指數(shù)增大，因此IE也必然與UEB呈指數(shù)規(guī)律增大。在同樣的UEB下，IE隨著UCB的增大而增大，表現(xiàn)為曲線左移。這是因?yàn)榧娊Y(jié)空間電荷區(qū)的寬度隨著UCB的增大而展寬，結(jié)果引起了有效基區(qū)寬度的減?。ㄓ行Щ鶇^(qū)寬度隨著UCB的增大或減小而減小或增大的現(xiàn)象，就是上面所討論過(guò)的基區(qū)寬變效應(yīng)），使得在同樣的UEB下，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子濃度梯度增加，流速加快，IE增大。

由前所知IE=[Jp(X1)+Jn(X2)]AE442.共基極直流輸出特性曲線對(duì)于一個(gè)給定的IE，改變UCB，測(cè)量IC，可得到一條IC-UCB之間的關(guān)系曲線。對(duì)于固定的不同的IE，改變UCB，測(cè)量IC，可得到一組不同的IC-UCB的曲線，稱這組曲線為共基極直流輸出特性曲線，如圖（b）所示。共基極直流特性曲線（b）輸出特性曲線2.共基極直流輸出特性曲線對(duì)于一個(gè)給定的IE，改變UCB，453.3.2共發(fā)射極連接直流特性曲線下圖為晶體管共發(fā)射極直流輸出特性曲線的測(cè)試原理電路圖。圖中UBE為基極與發(fā)射極間壓降；UCE為集電極與發(fā)射極間壓降；RB為基極串聯(lián)電阻，可控制UBE或IB。測(cè)量共發(fā)射極直流特性曲線原理電路圖3.3.2共發(fā)射極連接直流特性曲線下圖為晶體管共發(fā)射極直流461.共發(fā)射極直流輸入特性曲線對(duì)于固定的不同的UCE，改變UBE，測(cè)量IB，可以得出一組IB與UBE的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共發(fā)射極直流輸入特性曲線，如圖（a）所示。共發(fā)射極直流特性曲線（a）輸入特性曲線1.共發(fā)射極直流輸入特性曲線對(duì)于固定的不同的UCE，改變U472.共發(fā)射極直流輸出特性曲線對(duì)于固定的不同的IB，改變UCE，測(cè)量IC，可得出一組IC與UCE的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共發(fā)射極的輸出特性曲線，如圖（b）所示。共發(fā)射極直流特性曲線（b）輸出特性曲線2.共發(fā)射極直流輸出特性曲線對(duì)于固定的不同的IB，改變UC483.3.3共基極與共發(fā)射極輸出特性曲線的比較比較共基極與共發(fā)射極兩種輸出特性曲線，可以看到兩者的共同之處是：當(dāng)輸入電流一定是，兩種特性曲線的輸出電流都不隨輸出電壓的增加而變化，只有當(dāng)輸入電流改變了輸出電流才會(huì)跟著變化。然而兩種輸出特性曲線之間也存在許多不同的地方。首先，共發(fā)射極電路的電流放大系數(shù)要比共基極的大得多。其次，共基極電路的輸出阻抗比共發(fā)射極電路大。另外，UCE的減小對(duì)輸出電流的影響有所不同。實(shí)際上，共基極與共發(fā)射極特性曲線在輸出電壓減小時(shí)的下降所反映的是同一個(gè)物理過(guò)程，只不過(guò)共基極電路的輸出電壓就是UCB，才使得其特性曲線的下降發(fā)生在輸出電壓更?。ㄘ?fù)值時(shí)）的區(qū)域。3.3.3共基極與共發(fā)射極輸出特性曲線的比較比較共基極與共493.3.4共發(fā)射極輸出特性曲線的討論正常特性曲線對(duì)于一只性能良好的晶體管，它的共發(fā)射極輸出特性曲線應(yīng)該如圖所示。正常晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線3.3.4共發(fā)射極輸出特性曲線的討論正常特性曲線對(duì)于一只502.特性曲線向上傾斜如圖所示，包括零注入線在內(nèi)，整個(gè)曲線組向上傾斜，它所反映出的問(wèn)題是整個(gè)曲線族的IC均隨輸出電壓UCE的增加而明顯增加，這是由于晶體管的反向電流過(guò)大引起的。特性曲線的傾斜2.特性曲線向上傾斜如圖所示，包括零注入線在內(nèi)，整個(gè)曲線組513.特性曲線分散如圖所示的曲線，零線是平坦的，而其他曲線則分散傾斜。特性曲線分散傾斜會(huì)降低晶體管的輸出阻抗，并且因放大系數(shù)不均勻引起信號(hào)失真。這種不正常特性曲線產(chǎn)生的原因是由于晶體管的基區(qū)寬變效應(yīng)過(guò)于靈敏所致。特性曲線的分散3.特性曲線分散如圖所示的曲線，零線是平坦的，而其他曲線則524.小注入時(shí)特性曲線密集小注入時(shí)特性曲線密集的狀況如圖所示。導(dǎo)致小注入時(shí)β0變低的原因有三：其一有比較嚴(yán)重的表面復(fù)合作用，在注入電流比較小時(shí)，大部分注入電流都在基區(qū)表面被復(fù)合掉了。其二發(fā)射結(jié)勢(shì)壘復(fù)合作用比較強(qiáng)，小注入時(shí)一部分載流子沒(méi)能注入到基區(qū)，而在發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)被復(fù)合掉了。其三發(fā)射結(jié)特性不好，漏電流太大被旁路掉了，沒(méi)有起到真正的注入作用。小注入時(shí)特性曲線密集4.小注入時(shí)特性曲線密集小注入時(shí)特性曲線密集的狀況如圖所示535.大注入時(shí)特性曲線密集大注入時(shí)特性曲線密集的狀況如圖所示。大注入時(shí)引起了β0下降的原因是由于發(fā)射效率γ0的降低造成的，大注入引起γ0降低的原因有三：基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)；集電結(jié)空間電荷限制效應(yīng)；基區(qū)自偏壓效應(yīng)。大注入時(shí)特性曲線密集5.大注入時(shí)特性曲線密集大注入時(shí)特性曲線密集的狀況如圖所示546.溝道漏電下圖所示的特性曲線稱為溝道漏電，其特點(diǎn)是發(fā)射極與集電極之間有很大的漏電流，使得IB=0的曲線（零線）升高。溝道漏電特性曲線6.溝道漏電下圖所示的特性曲線稱為溝道漏電，其特點(diǎn)是發(fā)射極55這種現(xiàn)象往往是由溝道效應(yīng)引起的，若在N-P-N晶體管的P型基區(qū)表面,受氧化層正電中心作用形成了N型反型層，則N型發(fā)射區(qū)和N型集電區(qū)就通過(guò)反型層連接起來(lái)，通常把這樣的連通稱“溝道”，如圖所示。N型反型層形成的溝道這種現(xiàn)象往往是由溝道效應(yīng)引起的，若在N-P-N晶體管的P型基567.飽和壓降大（曲線上升緩慢）輸出特性曲線上升得比較緩慢，即晶體管飽和壓降大的狀況如圖所示。顯然由于曲線不陡，飽和壓降也會(huì)較大。其原因是集電區(qū)或者在E、C電極接觸處有較大的串聯(lián)電阻，電阻的存在分掉了部分電壓，從而使加到結(jié)上的電壓降減小，造成電流IC上升緩慢。飽和壓降大的特性曲線7.飽和壓降大（曲線上升緩慢）輸出特性曲線上升得比較緩慢，578.低擊穿特性曲線低擊穿盡管是硬擊穿，但擊穿電壓很低，只有幾伏，如圖所示，低擊穿主要是由E、C穿通或集電結(jié)低擊穿所致。低擊穿特性曲線8.低擊穿特性曲線低擊穿盡管是硬擊穿，但擊穿電壓很低，只有583.4晶體管的反向電流與擊穿電壓

3.4.1晶體管的反向電流反向電流主要包括：ICBO、IEBO和ICEO，它不受輸入電流的控制，因此對(duì)放大作用沒(méi)有貢獻(xiàn)，它無(wú)謂地消耗掉一部分電源能量，甚至還影響晶體管工作的穩(wěn)定性.ICBOICBO是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極—基極（即集電結(jié)）的反向漏電流，如圖所示。3.4晶體管的反向電流與擊穿電壓

3.4.1晶體管的59與反向PN結(jié)一樣，晶體管集電結(jié)的反向電流ICBO由空間電荷區(qū)外的反向擴(kuò)散電流IR、空間電荷區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生電流Ig和表面漏電流IS三部分組成。以NPN晶體管為例：由上兩式可見(jiàn)，IR、Ig均隨著溫度的升高而指數(shù)增大（因?yàn)閚i隨溫度的升高而指數(shù)增大），說(shuō)明ICBO隨溫度的升高而快速增大。IS表面漏電流往往比IR和Ig大得多，因此減小ICBO關(guān)鍵在于減小IS。與反向PN結(jié)一樣，晶體管集電結(jié)的反向電流ICBO由空間電荷區(qū)602.IEBOIEBO是集電極開(kāi)路，發(fā)射極—基極間（即發(fā)射結(jié)）的反向漏電流，如圖所示。實(shí)際上，對(duì)IEBO要求不高。IEBO測(cè)量原理圖2.IEBOIEBO測(cè)量原理圖613.ICEOICEO是基極開(kāi)路，集電極—發(fā)射極間的反向漏電流，如圖所示。它不受基極電流控制，對(duì)放大無(wú)貢獻(xiàn)，ICEO一般都比ICBO大。從ICEO測(cè)量原理圖上看出，測(cè)量ICEO時(shí)電壓的偏置使發(fā)射結(jié)處于正向，集電結(jié)處于反向。3.ICEO從ICEO測(cè)量原理圖上看出，測(cè)量ICEO時(shí)電壓62上圖示意地畫出了基極開(kāi)路時(shí)的電流傳輸情況。從圖中可見(jiàn)，通過(guò)集電極的總電流ICEO=In(X4)+ICBO>ICBO

在基極開(kāi)路的情況下，In(X4)=β0ICBO

ICEO=β0ICBO+ICBO=（β0+1）ICBO

上式表明：要減小ICEO，必須減小ICBO。上圖示意地畫出了基極開(kāi)路時(shí)的電流傳輸情況。從圖中可見(jiàn)，通過(guò)集633.4.2晶體管的反向擊穿電壓BUCBOBUCBO是發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極與基極間的擊穿電壓，也是集電結(jié)本身的擊穿電壓。下圖為測(cè)量BUCBO的電路原理圖。BUCBO測(cè)量原理圖3.4.2晶體管的反向擊穿電壓BUCBOBUCBO是發(fā)射64改變電源電壓（增大電源電壓），當(dāng)ICBO突然趨向無(wú)窮大時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓即為BUCBO，這樣的擊穿特性稱雪崩擊穿，也稱硬擊穿，如下圖中的曲線甲。但是，在實(shí)際的晶體管中也經(jīng)常遇到下圖中的曲線乙所示的情況，該曲線稱軟擊穿，反向電流ICBO不飽和，而是隨著電壓的增加而增加。BUCBO的實(shí)際測(cè)量曲線改變電源電壓（增大電源電壓），當(dāng)ICBO突然趨向無(wú)窮大時(shí)所對(duì)652.BUCEOBUCEO是基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓，也是共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)集電極—發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓，測(cè)試電路原理如圖所示。改變電源電壓，電流ICEO隨著增加，當(dāng)ICEO達(dá)到指標(biāo)所規(guī)定的某一電流值時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓即為BUCEO。BUCEO測(cè)量原理圖2.BUCEOBUCEO是基極開(kāi)路時(shí)集電極與發(fā)射極之間的擊66BUCEO是晶體管的重要參數(shù)之一，它與BUCBO有一定的關(guān)系，同時(shí)在測(cè)量時(shí)，經(jīng)常看到IC—UCE曲線有負(fù)阻現(xiàn)象，如圖所示，下面就以上兩個(gè)問(wèn)題給以簡(jiǎn)單分析。IC—UCE曲線的負(fù)阻現(xiàn)象BUCEO是晶體管的重要參數(shù)之一，它與BUCBO有一定的關(guān)系67（1）BUCEO與BUCBO的關(guān)系BUCEO與BUCBO的上述關(guān)系式只能用于近似地估算，但它說(shuō)明了兩個(gè)問(wèn)題：其一是BUCEO小于BUCBO；其二是要想提高BUCEO就必須首先提高BUCBO。（1）BUCEO與BUCBO的關(guān)系BUCEO與BUCBO68（2）IC—UCE曲線上的負(fù)阻現(xiàn)象在基極開(kāi)路、外加電壓UCE增高至BUCEO時(shí)，集電結(jié)擊穿，擊穿后電流上升，電壓卻反而降低，這種現(xiàn)象稱為負(fù)阻現(xiàn)象。出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象的主要原因在于集電極電流較小時(shí)，α0隨IC增大而變大的結(jié)果。對(duì)電流放大系數(shù)隨IC變化不大的晶體管，如硼基區(qū)晶體管，其負(fù)阻現(xiàn)象比較小。而對(duì)于用開(kāi)管擴(kuò)鎵作基區(qū)的晶體管其負(fù)阻現(xiàn)象比較明顯。（2）IC—UCE曲線上的負(fù)阻現(xiàn)象693.BUCEO與BUCES、BUCER、BUCEX、BUCEZ的關(guān)系晶體管工作時(shí)，基極并不是開(kāi)路的，常常在基極與發(fā)射極之間串接外電阻，或者電源，或者短路，如圖所示。晶體管的工作情況不同，集電極—發(fā)射極間的擊穿電壓也不同，因而晶體管還有下述幾種擊穿電壓。基極不同情況的共射極擊穿電壓3.BUCEO與BUCES、BUCER、BUCEX、BUC70（1）BUCES

BUCES是基極對(duì)地（發(fā)射極）短路時(shí)集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。這種情況的應(yīng)用之一是在集成電路芯片中作為PN結(jié)使用。此時(shí)BUCES>BUCEO。（2）BUCERBUCER是基極接有電阻RB時(shí)集電極—發(fā)射極間的擊穿電壓。這種偏置條件實(shí)際上與基極短路時(shí)相同，只是相當(dāng)于rb增大了RB（二者串聯(lián)），因此電流傳輸過(guò)程兩者是相同的。BUCER<BUCES。（1）BUCES71（3）BUCEXBUCEX是基極接有反向偏壓時(shí)的C—E間的擊穿電壓。由于該偏壓使發(fā)射結(jié)正偏程度更?。ㄉ踔练雌琁n(X4)比基極接電阻時(shí)更小，故擊穿時(shí)要求M值更大，因此BUCEX>BUCER。（4）BUCEZBUCEZ是基極加有正向偏壓時(shí)C—E間的擊穿電壓。當(dāng)晶體管工作在正常放大工作狀態(tài)時(shí)就屬這種情況。外接正偏壓使得發(fā)射結(jié)正偏程度比基極開(kāi)路時(shí)更甚，In(X4)比基極開(kāi)路時(shí)更大，因而C—E間擊穿電壓所需要的倍增因子M值更小，故BUCEZ<BUCEO。從以上討論可知，基極在各種不同偏置條件下，C—E間的擊穿電壓大小關(guān)系為BUCEZ<BUCEO<BUCER<BUCES<BUCEX<BUCBO，且BUCEX≈BUCBO。（3）BUCEX從以上討論可知，基極在各種不同偏置條件下，C724.BUEBOBUEBO是集電極開(kāi)路，發(fā)射極與基極間的擊穿電壓，也是發(fā)射結(jié)本身的擊穿電壓。下圖為測(cè)量BUEBO的電路原理圖，改變電源電壓，當(dāng)IEBO達(dá)到指標(biāo)所規(guī)定的電流值時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射結(jié)外加反向偏壓即為BUEBO。

BUEBO測(cè)量原理圖4.BUEBOBUEBO是集電極開(kāi)路，發(fā)射極與基極間的擊穿73對(duì)于平面晶體管而言，發(fā)射結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度都比較高，勢(shì)壘區(qū)很薄，所以發(fā)射結(jié)的擊穿電壓只有幾伏特，如圖所示。發(fā)射極—基極間的擊穿電壓對(duì)于平面晶體管而言，發(fā)射結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度都比較高，勢(shì)壘區(qū)很薄743.4.3穿通電壓發(fā)生穿通時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向偏壓稱穿通電壓。造成穿通電壓的情況有兩種：基區(qū)穿通和外延層穿通。1.基區(qū)穿通電壓UPT基區(qū)穿通時(shí)的反向電壓曲線基區(qū)穿通電壓曲線如圖所示。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因，一般認(rèn)為是基區(qū)穿通引起的。當(dāng)反向偏置的集電結(jié)在發(fā)生雪崩倍增之前，向基區(qū)一側(cè)擴(kuò)展的空間電荷區(qū)與發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)連通在一起的結(jié)果。3.4.3穿通電壓發(fā)生穿通時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向偏壓稱穿通電壓。造75一般來(lái)說(shuō)，這種現(xiàn)象在擴(kuò)散基區(qū)晶體管是不易發(fā)生的。因?yàn)榛鶇^(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于集電區(qū)，集電結(jié)空間電荷區(qū)主要往集電區(qū)一側(cè)擴(kuò)展，而往基區(qū)一側(cè)擴(kuò)展的很少，不易與發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)相連。但是，由于材料缺陷和工藝不良等，發(fā)射結(jié)結(jié)面會(huì)出現(xiàn)“尖峰”，如圖所示，在尖峰處的基區(qū)很薄，在此可能發(fā)生局部穿通。結(jié)“尖峰”示意圖一般來(lái)說(shuō)，這種現(xiàn)象在擴(kuò)散基區(qū)晶體管是不易發(fā)生的。因?yàn)榛鶇^(qū)摻雜76在基區(qū)未穿通之前，集電結(jié)呈現(xiàn)正常的反向電流—電壓特性，若電壓增加到UPT發(fā)生局部基區(qū)穿通，UPT稱為基區(qū)穿通電壓。此時(shí)可認(rèn)為電壓仍加在集電結(jié)上，對(duì)發(fā)射結(jié)無(wú)影響。當(dāng)電壓高于UPT后，發(fā)射結(jié)的一部分處于正電位，而另一部分如上圖中的B處則處于反向偏置。當(dāng)基極與集電極間外加偏壓達(dá)到UPT+BUEBO時(shí)，反向偏置的那部分發(fā)射結(jié)便發(fā)生雪崩擊穿。發(fā)生基區(qū)穿通時(shí)，C—B極間的擊穿電壓BUCBO=UPT+BUEBO

如果UPT遠(yuǎn)小于集電區(qū)電阻率決定的雪崩擊穿電壓理論值UB，那么BUCBO遠(yuǎn)小于UB?？梢?jiàn)，擊穿電壓BUCBO不僅由電阻率、外延層厚度決定，有時(shí)還受基區(qū)穿通的限制。在基區(qū)未穿通之前，集電結(jié)呈現(xiàn)正常的反向電流—電壓特性，若電壓77對(duì)于基區(qū)為低摻雜的合金晶體管，由于集電結(jié)空間電荷區(qū)主要擴(kuò)展在基區(qū)這一側(cè)，若基區(qū)寬度不當(dāng)，很容易發(fā)生基區(qū)穿通現(xiàn)象。所以，合金晶體管的基區(qū)寬度必須大于集電結(jié)雪崩擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)的空間電荷區(qū)寬度。對(duì)于NPN型合金晶體管，以NB代表表基區(qū)凈雜質(zhì)濃度，即式中Wb0為基區(qū)寬度；UB為基區(qū)摻雜濃度為NB時(shí)所決定的雪崩擊穿電壓理論值。對(duì)于基區(qū)為低摻雜的合金晶體管，由于集電結(jié)空間電荷區(qū)主要擴(kuò)展782.外延層穿通電壓發(fā)生外延層穿通的電壓為式中Wc為外延層厚度；UB為集電結(jié)雪崩擊穿電壓的理論值；Xmc為電壓UB時(shí)的空間電荷區(qū)寬度理論值。為了防止外延層穿通，外延層厚度d必須大于結(jié)深Xjc和Xmc之和，即d≥Xjc+Xmc

2.外延層穿通電壓發(fā)生外延層穿通的電壓為式中Wc為外延層793.5晶體管的頻率特性

3.5.1晶體管交流電流放大系數(shù)所謂晶體管的交流頻率特性是指一個(gè)小交流信號(hào)重疊在一個(gè)直流信號(hào)基礎(chǔ)的情況，如圖所示，交流信號(hào)為正弦。（a）電壓偏置（b）電流ic小信號(hào)意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。當(dāng)一個(gè)小信號(hào)附加在輸入電壓上時(shí)，基極電流ib將會(huì)隨時(shí)間變化而成為一個(gè)時(shí)間函數(shù)，基極電流的變化使得輸出電流ic跟隨變化，最終實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的放大。3.5晶體管的頻率特性

3.5.1晶體管交流電流放大系數(shù)80共基極交流放大系數(shù)共基極交流放大系數(shù)定義為：在共基極運(yùn)用時(shí)，集電極（輸出端）交流短路，集電極的輸出交流小信號(hào)電流ic與發(fā)射極的輸入交流小信號(hào)電流ie之比（用小寫字母代表小信號(hào)交流電流），即在低頻下，電流放大與工作頻率無(wú)關(guān)。但在頻率較高下，考慮到相位關(guān)系，α為復(fù)數(shù)，通常所說(shuō)的的大小是指它的模值∣α∣。共基極交流放大系數(shù)在低頻下，電流放大與工作頻率無(wú)關(guān)。但在頻率812．共發(fā)射極交流放大系數(shù)β共發(fā)射極交流放大系數(shù)β定義為：在共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)，集電極（輸出端）交流短路，集電極的輸出交流小信號(hào)電流ic與基極的輸入交流小信號(hào)電流ib之比，即同樣，β也是復(fù)數(shù)。在交流小信號(hào)工作條件下，晶體管端電流α與β之間仍有如下關(guān)系式ie=ic+ib

電流增益也常用分貝（dB）表示，即∣

β(dB)=20lg∣β∣α(dB)=20lg∣α∣∣由于α與β是在集電極交流短路的條件下定義的，因此也稱為交流短路電流增益。2．共發(fā)射極交流放大系數(shù)β同樣，β也是復(fù)數(shù)。在交流小信號(hào)工作823.5.2晶體管頻率特性參數(shù)隨著晶體管工作頻率的增高，晶體管的電學(xué)性能會(huì)發(fā)生很大變化，主要表現(xiàn)為電流增益和功率增益的下降。下圖示出典型的電流增益隨頻率變化關(guān)系的簡(jiǎn)圖，其中縱坐標(biāo)是以分貝表示電流放大系數(shù)。電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系3.5.2晶體管頻率特性參數(shù)隨著晶體管工作頻率的增高，晶體83從晶體管的頻率響應(yīng)特性定義以下幾個(gè)參數(shù)，用于描述其高頻性能。

1.α截止頻率fαfα定義為共基極短路電流放大系數(shù)下降到低頻的所對(duì)應(yīng)的頻率，即時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，此時(shí)的分貝值比

下降3dB，fα反映了共基極運(yùn)用的頻率限制。

2.β截止頻率fβ

fβ定義為共發(fā)射極電流放大系數(shù)β下降到低頻β0的時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率?；蛘哒f(shuō)，fβ為β比β0下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。從晶體管的頻率響應(yīng)特性定義以下幾個(gè)參數(shù)，用于描述其高頻性能。843.特征頻率fT

在共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)，截止頻率fβ還不能完全反映晶體管使用頻率的上限，也就是說(shuō)當(dāng)工作頻率等于fβ時(shí)，β值還可能相當(dāng)大。為了更好地表示共發(fā)射極運(yùn)用晶體管具有電流放大作用的最高頻率限制，引進(jìn)了特征頻率fT的概念。特征頻率fT定義為共發(fā)射極電流放大系數(shù)∣β∣=1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。顯然，當(dāng)工作頻率等于fT時(shí)，晶體管不再具有電流放大作用，由此說(shuō)明特征頻率fT是判斷晶體管是否能起電流放大作用的一個(gè)重要依據(jù)，也是晶體管電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。3.特征頻率fT854.最高振蕩頻率fMfT還不是晶體管工作頻率的最終限制。為此，再引入一個(gè)最高振蕩頻率fM的概念。最高振蕩頻率fM定義為共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)，功率增益等于1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率?？梢?jiàn)fM是晶體管工作頻率的最終限制，此時(shí)晶體管的輸出功率等于輸入功率。fM不僅表示晶體管具有功率放大作用的頻率極限，也是晶體管使用頻率的最高上限，若工作頻率超過(guò)fM，晶體管失去任何放大作用。4.最高振蕩頻率fM863.5.3交流電流放大系數(shù)隨頻率變化的物理原因1.頻率對(duì)晶體管交流電流放大系數(shù)的影響首先給出高頻時(shí)輸出電流ic幅度變化和相移示意圖，如圖所示，以作為頻率對(duì)晶體管交流電流放大影響的感性認(rèn)識(shí)。高頻下輸出電流幅度變化和相移示意圖3.5.3交流電流放大系數(shù)隨頻率變化的物理原因1.頻率對(duì)872.交流小信號(hào)電流的傳輸過(guò)程以NPN晶體管為例分為四個(gè)階段闡述交流電流的傳輸過(guò)程，如圖所示。并且引入新的中間參量來(lái)描述每個(gè)傳輸過(guò)程的效率。晶體管交流小信號(hào)電流傳輸示意圖2.交流小信號(hào)電流的傳輸過(guò)程晶體管交流小信號(hào)電流傳輸示意圖88（1）通過(guò)發(fā)射結(jié)階段發(fā)射極交流小信號(hào)電流由三部分組成，即式中的iCTe為發(fā)射結(jié)結(jié)電容分流電流。由此可得出交流發(fā)射效率γ的表達(dá)式為顯然，信號(hào)頻率越高，結(jié)電容分流電流iCTe越大，交流發(fā)射效率越低。此外，由于對(duì)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電需要一定的時(shí)間，因而使電流在發(fā)射過(guò)程產(chǎn)生延遲。（1）通過(guò)發(fā)射結(jié)階段發(fā)射極交流小信號(hào)電流由三部分組成，即89（2）基區(qū)輸運(yùn)階段以iCDe表示擴(kuò)散電容分流電流，in(X3)表示輸運(yùn)到基區(qū)集電結(jié)邊界的電子電流，則注入到基區(qū)的電子電流in(X2)=in(X3)+iVB+iCDe

交流情況下基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)可定義為因此，頻率越高分流電流iCDe越大，到達(dá)集電結(jié)的有用電子in(X3)越小，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)越小。同樣，對(duì)CCDe的充放電時(shí)間也對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定延遲。（2）基區(qū)輸運(yùn)階段以iCDe表示擴(kuò)散電容分流電流，in(90（3）集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越階段為了描述到達(dá)X4邊界in(X4)的減小，引入集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)βd，它定義為流出與流入集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)的電子電流之比，即（4）通過(guò)集電區(qū)階段最終到達(dá)集電極的電子電流大小為ic=in(X4)-iCTc

為了描述該過(guò)程電流的損失，引入集電區(qū)衰減因子這一概念，其表達(dá)式為（3）集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越階段為了描述到達(dá)X4邊界in(X491綜上所述，與直流電流傳輸情況相比，在交流小信號(hào)電流的傳輸過(guò)程中，增加了四個(gè)信號(hào)電流損失途徑：①發(fā)射結(jié)發(fā)射過(guò)程中的勢(shì)壘電容充放電電流；②基區(qū)輸運(yùn)過(guò)程中擴(kuò)散電容的充放電電流；③集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越過(guò)程中的衰減；④集電區(qū)輸運(yùn)過(guò)程中對(duì)集電結(jié)勢(shì)壘電容的充放電電流。上述四個(gè)分流電流均隨著信號(hào)頻率的升高而增加，使輸運(yùn)到集電極電流ic減小和電流增益下降；同時(shí)對(duì)電容的充放電均需要一定的時(shí)間，使信號(hào)產(chǎn)生延遲，導(dǎo)致輸入信號(hào)與輸出信號(hào)存在相位差。綜上所述，與直流電流傳輸情況相比，在交流小信號(hào)電流的傳輸過(guò)程923.5.4晶體管高頻等效電路1.發(fā)射結(jié)和發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)正向偏壓的改變會(huì)引起三個(gè)結(jié)果：引起發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)空間電荷量的變化，這一變化可用發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容CTe來(lái)等效；引起了發(fā)射極電流的變化，這一變化的大小可以用發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻re來(lái)等效；引起了基區(qū)、發(fā)射區(qū)貯存電荷的變化，這一變化可用發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容CDe來(lái)等效。發(fā)射結(jié)的作用可以用re、CTe、CDe的并聯(lián)來(lái)等效，如下圖所示。3.5.4晶體管高頻等效電路1.發(fā)射結(jié)和發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)的作93發(fā)射結(jié)和發(fā)射區(qū)的等效電路發(fā)射結(jié)和發(fā)射區(qū)的等效電路942.集電結(jié)和集電區(qū)與發(fā)射結(jié)同樣，可用集電結(jié)勢(shì)壘電容CTc、擴(kuò)散電容CDc和動(dòng)態(tài)電阻rc來(lái)描述，并且集電結(jié)可用三者并聯(lián)來(lái)等效，如圖所示。集電結(jié)和集電區(qū)的等效電路2.集電結(jié)和集電區(qū)與發(fā)射結(jié)同樣，可用集電結(jié)勢(shì)壘電容CTc、953.基區(qū)基區(qū)貯存電荷的改變已經(jīng)由擴(kuò)散電容所描述。晶體管的基極電流是一股平行于結(jié)平面方向流動(dòng)的多子電流，它將在基區(qū)橫向產(chǎn)生電位降，基區(qū)的這一作用可用一個(gè)電阻來(lái)等效，這一等效電阻稱為基極電阻，用rb表示。把發(fā)射結(jié)電流ie通過(guò)基區(qū)輸運(yùn)而轉(zhuǎn)化為集電極電流的相互控制關(guān)系反映出來(lái)，為此可用一個(gè)恒流源表示，如圖所示。集電結(jié)和集電區(qū)的等效電路3.基區(qū)基區(qū)貯存電荷的改變已經(jīng)由擴(kuò)散電容所描述。晶體管的964.晶體管共基極高頻等效電路通過(guò)上述分析，立即可得到晶體管共基極“T”型等效電路。如果CTe、CDe并聯(lián)后的電容用Ce代表、CTc、CDc并聯(lián)后的電容用Cc代表，則得到晶體管共基極高頻等效電路圖所示。晶體管共基極高頻等效電路4.晶體管共基極高頻等效電路通過(guò)上述分析，立即可得到晶體管975.晶體管共發(fā)射極高頻等效電路將共基極晶體管高頻“T”型等效電路中的基極與發(fā)射極交換，恒流源用βib去代替αie，就可得到共發(fā)射極晶體管高頻“T”型等效電路，如圖所示。在此需要說(shuō)明的是，與βib并聯(lián)的電阻縮小為原來(lái)的1/（1+β），而電容則擴(kuò)大為原來(lái)的（1+β）倍。晶體管共發(fā)射極高頻等效電路5.晶體管共發(fā)射極高頻等效電路將共基極晶體管高頻“T”型等983.5.5共基極交流電流放大系數(shù)及截止頻率fα的定量分析上面我們已經(jīng)定義了共基極小信號(hào)電流放大系數(shù)=ic/ie，綜合前面對(duì)晶體管交流傳輸過(guò)程，晶體管的共基極電流放大系數(shù)可表示為下面對(duì)各個(gè)中間參量進(jìn)行定量分析，從而得出與fα的定量表達(dá)式。3.5.5共基極交流電流放大系數(shù)及截止頻率fα的定量分析上991.發(fā)射效率和發(fā)射極延遲時(shí)間常數(shù)通過(guò)前面對(duì)發(fā)射極發(fā)射過(guò)程的分析，并依據(jù)晶體管的共基極等效電路，我們也可將發(fā)射結(jié)等效為下圖所示的電路。發(fā)射結(jié)小信號(hào)等效電路1.發(fā)射效率和發(fā)射極延遲時(shí)間常數(shù)通過(guò)前面對(duì)發(fā)射極發(fā)射過(guò)程的100上圖中in(X2)和反向注入電流ip(X1)是通過(guò)發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻的電流，iCTe是對(duì)勢(shì)壘電容充放電形成的分流電流。根據(jù)簡(jiǎn)單的并聯(lián)支路的電流關(guān)系，可以得到由發(fā)射效率的定義式可得γ0為低頻發(fā)射效率。上圖中in(X2)和反向注入電流ip(X1)是通過(guò)發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)101令re·CTe=τe，τe是發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電時(shí)間常數(shù)，則發(fā)射效率式中ω為輸入信號(hào)的角頻率（ω=2πf）。發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間為嚴(yán)格分析表明，in(X2)和ip(X1)均與頻率有關(guān)，只有在晶體管的使用頻率滿足的關(guān)系時(shí)，才能認(rèn)為in(X2)和ip(X1)與頻率無(wú)關(guān)。不過(guò)，一般晶體管的使用頻率都滿足這個(gè)關(guān)系，所以上述結(jié)果通常是適用的。令re·CTe=τe，τe是發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電時(shí)間常數(shù)，則1022.基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和基區(qū)渡越時(shí)間注入基區(qū)邊界的少子電子在渡越基區(qū)時(shí)，需要一定的時(shí)間，用τb表示。假設(shè)在基區(qū)中的x處注入少子電子的濃度為nb(x)、以速度u(x)穿越基區(qū)，這時(shí)形成基區(qū)傳輸電流則為InB(x)=Aqnb(x)u(x)則載流子渡越基區(qū)的時(shí)間為通常在基區(qū)寬度Wb<<Lnb時(shí)，基區(qū)傳輸電流InB(x)=In(X2)，且基本維持不變，此時(shí)基區(qū)少子分布可用線性近似，即2.基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和基區(qū)渡越時(shí)間注入基區(qū)邊界的少子電子在渡越103可以得到τb也可用注入電流In(X2)對(duì)擴(kuò)散電容CDe進(jìn)行充放電而產(chǎn)生基區(qū)積累電荷Qb所需的延遲時(shí)間，即有τb=reCDe

由前面的討論可知，交流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為可以得到τb也可用注入電流In(X2)對(duì)擴(kuò)散電容CDe進(jìn)行104與交流發(fā)射效率的分析方法相比較可推得均勻基區(qū)交流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的一級(jí)近似表達(dá)式式中對(duì)于緩變基區(qū)晶體管，由于自建電場(chǎng)的作用，相當(dāng)于擴(kuò)散系數(shù)增大，所以可推得與交流發(fā)射效率的分析方法相比較可推得均勻基區(qū)交流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)1053.集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延遲時(shí)間當(dāng)空間電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度104V/cm時(shí)，載流子的速度達(dá)到飽和，那么載流子將以極限速度usl穿過(guò)空間電荷區(qū)（對(duì)于硅usl≈8.5×106cm/s；對(duì)于鍺usl≈6×1016cm/s）。載流子以極限速度穿過(guò)空間電荷區(qū)所需的時(shí)間為τs

式中Xmc為集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度。若將集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)βd寫成與其他傳輸過(guò)程相同的形式，即式中τd為集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延遲時(shí)間，它等于載流子穿越勢(shì)壘區(qū)所需時(shí)間的二分之一。3.集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延遲時(shí)間當(dāng)空間電荷區(qū)1064.集電區(qū)衰減因子和集電區(qū)延遲時(shí)間下圖示出了集電結(jié)交流短路條件下，集電結(jié)小信號(hào)等效電路圖。集電結(jié)交流小信號(hào)等效電路圖4.集電區(qū)衰減因子和集電區(qū)延遲時(shí)間下圖示出了集電結(jié)交流短路107集電區(qū)衰減因子αc為式中τc稱為集電極延遲時(shí)間。τc=rcs·CTcτc代表通過(guò)集電區(qū)串聯(lián)電阻rcs對(duì)勢(shì)壘電容的充放電時(shí)間常數(shù)。集電區(qū)衰減因子αc為式中τc稱為集電極延遲時(shí)間。τc=rc1085.共基極電流放大系數(shù)及其截止頻率共基極電流增益為式中τec為發(fā)射極到集電極總延遲時(shí)間，τec=τe+τb+τd+τc；α0為直流或低頻電流增益；ωα=1/τec=2πfα；f為信號(hào)頻率。電流放大系數(shù)的幅值和相位滯后可表示為當(dāng)頻率上升到f=fα?xí)r，α下降到其低頻值的1/√2，因此fα稱為共基極截止頻率，其值為上面得出的表達(dá)式，對(duì)均勻基區(qū)和緩變基區(qū)都適用.5.共基極電流放大系數(shù)及其截止頻率共基極電流增益為式中τ1093.5.6共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β、fβ及fT的定量分析1.共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β和截止頻率fβ共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β是指工作在共發(fā)射極狀態(tài)下，在輸出端集電極交流短路時(shí)（即Uc=0），集電極交流電流ic與基極輸入電流ib之比，即截止頻率fβ3.5.6共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)β、fβ及fT的定量分析110上述情況也可用相量圖來(lái)說(shuō)明，在交流工作狀態(tài)下，交流電流可用矢量表示，且有關(guān)系ie=ic+ib，將這個(gè)關(guān)系在復(fù)平面圖上畫出，如圖所示。交流情況下電流變化關(guān)系的相量圖上述情況也可用相量圖來(lái)說(shuō)明，在交流工作狀態(tài)下，交流電流可用矢1112.特征頻率fT可見(jiàn)，特征頻率同樣由四個(gè)時(shí)間常數(shù)決定。當(dāng)工作頻率遠(yuǎn)大于fβ時(shí)，如f≥5fβ，這表明當(dāng)工作頻率滿足fβ<<f<fα?xí)r，共射極電流增益的幅值與工作頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就是fT。2.特征頻率fT可見(jiàn)，特征頻率同樣由四個(gè)時(shí)間常數(shù)決定。這表1123.特征頻率與截止頻率的定量關(guān)系截止頻率fα、fβ和特征頻率fT是按共基極、共發(fā)射極電流增益隨頻率變化的關(guān)系定義的，因此各自有不同的表達(dá)式。然而共基極和共射極只是晶體管的兩種不同組態(tài)，所以fα、fβ與fT之間必然有一定的聯(lián)系，事實(shí)上，它們都是有四個(gè)時(shí)間決定的。三者的關(guān)系式為fT=fα=β0fβ

因此，三個(gè)頻率參數(shù)的關(guān)系是：fβ<<fT<fα，且fT很接近fα

3.特征頻率與截止頻率的定量關(guān)系截止頻率fα、fβ和特征頻1134.提高特征頻率的有效途徑（1）控制基區(qū)寬度減小τb（2）盡量減小發(fā)射結(jié)面積和動(dòng)態(tài)電阻re來(lái)減小τe

（3）盡量減小集電結(jié)面積、降低集電區(qū)電阻率以減小τd

此外，為了減小集電區(qū)延遲時(shí)間τc，必須降低集電區(qū)電阻率ρc，減小集電區(qū)厚度Wc，以減小集電區(qū)串聯(lián)電阻。但這也與功率要求相矛盾，因此必須兩者同時(shí)兼顧。綜上所述，提高晶體管特征頻率的主要途徑是：減小基區(qū)寬度Wb(對(duì)于微波器件，還必須采用淺結(jié)工藝)、減小結(jié)面積，適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率及其厚度，盡量減小延伸電極面積。4.提高特征頻率的有效途徑（1）控制基區(qū)寬度減小τb1143.5.7高頻功率增益和最高振蕩頻率1.高頻功率增益晶體管的功率增益定義為晶體管的輸出功率p0與輸入功率pi之比，用符號(hào)Gp表示，即右圖示出了共射極功率增益電路簡(jiǎn)圖，圖中輸入信號(hào)電流是ib，輸出交流電流是ic，在頻率較高時(shí)，晶體管的輸入阻抗基本上等于基區(qū)電阻rb。

共射極功率放大電路簡(jiǎn)圖3.5.7高頻功率增益和最高振蕩頻率1.高頻功率增益晶體115故輸入功率Pi為輸出功率（負(fù)載上得到的功率）p0為

因此功率增益GP為故輸入功率Pi為輸出功率（負(fù)載上得到的功率）p0為1162.最高振蕩頻率fM和高頻優(yōu)值為比較準(zhǔn)確地描述晶體管的功率放大隨頻率變化的關(guān)系，引進(jìn)了晶體管最佳功率增益這一參數(shù)，用符號(hào)GPm表示。最佳功率增益GPm是指晶體管向負(fù)載輸出的最大功率與信號(hào)源供給晶體管的最大功率之比，即是晶體管輸入、輸出阻抗各自匹配時(shí)的功率增益。稱為晶體管的高頻優(yōu)值，亦稱功率增益—寬帶積。這個(gè)參數(shù)全面反映了晶體管的頻率和功率性能，優(yōu)值越高，晶體管的頻率和功率性能越好。而且，高頻優(yōu)值只決定于晶體管的內(nèi)部參數(shù)，因此它是高頻功率管設(shè)計(jì)和制造中的重要理論依據(jù)之一。2.最高振蕩頻率fM和高頻優(yōu)值稱為晶體管的高頻優(yōu)值，亦稱功1173.5.8晶體管的噪聲噪聲簡(jiǎn)單地說(shuō)，噪聲是一種雜亂的、無(wú)規(guī)則的電壓或電流圍繞在統(tǒng)計(jì)平均值的宏觀量上的波動(dòng)（或起伏）。從本質(zhì)上說(shuō)，噪聲是由于系統(tǒng)內(nèi)所含的大量的帶電微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所引起的。這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使在某個(gè)瞬時(shí)產(chǎn)生了偏離平均值的一個(gè)微小的電流或電壓漲落。由于帶電微粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這個(gè)微小的電流或電壓的變化也是無(wú)規(guī)則的，也是雜亂無(wú)章的，在電學(xué)里把這種雜亂無(wú)規(guī)則變化的微小的電流或電壓稱為噪聲。3.5.8晶體管的噪聲噪聲這種無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使在某個(gè)瞬時(shí)產(chǎn)生118下圖示出了正弦訊號(hào)與噪聲疊加后的波形。晶體管的噪聲也是由于帶電微粒—載流子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所引起的。噪聲波形下圖示出了正弦訊號(hào)與噪聲疊加后的波形。晶體管的噪聲也是由于帶1192.噪聲系數(shù)在實(shí)際工作中，要衡量晶體管噪聲性能的好壞，常采用信號(hào)噪聲比（即信號(hào)功率與噪聲功率之比，簡(jiǎn)稱信噪比）來(lái)衡量噪聲的大小，即有為了更加嚴(yán)格起見(jiàn)，常用晶體管的輸入信號(hào)噪聲比同輸出信號(hào)噪聲比的比值來(lái)表示晶體管的噪聲特性，稱這個(gè)比值為噪聲系數(shù)，用符號(hào)NF表示，即2.噪聲系數(shù)在實(shí)際工作中，要衡量晶體管噪聲性能的好壞，常采120噪聲系數(shù)是用以衡量晶體管自身噪聲水平的參數(shù)，當(dāng)然越小越好。在實(shí)際工作中，噪聲系數(shù)常常采用分貝（dB）表示，記為如果晶體管本身不產(chǎn)生噪聲，則NF=1（或等于0dB）。但實(shí)際晶體管總是存在噪聲的。因此NF總是大于1（或大于0dB）。NF越小，表明晶體管的噪聲特性越好，反之亦然。噪聲系數(shù)是用以衡量晶體管自身噪聲水平的參數(shù)，當(dāng)然越小越好。如1213.晶體管噪聲的來(lái)源晶體管噪聲的來(lái)源主要有以下三個(gè)方面：（1）熱噪聲熱噪聲是由于半導(dǎo)體中載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的。（2）散粒噪聲由于半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生—復(fù)合有漲落，那么參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目將在其平均值附近起伏，這種由載流子數(shù)目起伏而引起的噪聲稱為散粒噪聲。（3）1/f噪聲這種噪聲同頻率有關(guān)，頻率越低，噪聲越大。3.晶體管噪聲的來(lái)源晶體管噪聲的來(lái)源主要有以下三個(gè)方面：1223.6晶體管的功率特性

3.6.1晶體管集電極最大工作電流 晶體管的最大電流就是集電極的最大工作電流ICM。輸出大電流要受到諸多因素的制約，限制晶體管集電極大電流的主要因素，是電流放大系數(shù)在大電流下的顯著下降。

那么造成晶體管在大電流情況下電流放大系數(shù)下降的原因是什么呢？下降的原因歸結(jié)為三個(gè)效應(yīng)：基區(qū)大注入效應(yīng)，基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。3.6晶體管的功率特性

3.6.1晶體管集電極最大工作電1233.6.2基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響

1.大注入基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 在大注入條件下，不僅少子濃度增加很多，而且多子濃度也等量地增加，這是維持電中性的需要。多子濃度的增加，將使基區(qū)電阻率下降，由此產(chǎn)生基區(qū)電導(dǎo)率受注入電流調(diào)制，該調(diào)制稱為大注入條件下的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

(a)小注入時(shí)基區(qū)少子分布(b)大注入時(shí)基區(qū)少子分布3.6.2基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響1.大注1242.大注入自建電場(chǎng)大注入自建電場(chǎng)有兩部分組成：其中第一項(xiàng)表示在大注入情況下，由基區(qū)雜質(zhì)分布梯度產(chǎn)生的雜質(zhì)分布自建電場(chǎng)。第二項(xiàng)表示少子注入基區(qū)后，為了維持電中性，積累相應(yīng)的空穴而產(chǎn)生的大注入自建電場(chǎng)，它隨著注入水準(zhǔn)的提高而增強(qiáng)。2.大注入自建電場(chǎng)大注入自建電場(chǎng)有兩部分組成：其中第一項(xiàng)表1253.大注入基區(qū)少子分布對(duì)于均勻基區(qū)晶體管，當(dāng)Wb<<Lnb時(shí)，小注入時(shí)少子分布可近似為線性分布，即式中nb(0)表示在均勻基區(qū)晶體管中，發(fā)射結(jié)注入基區(qū)的電子濃度的邊界值?？梢?jiàn)，小注入時(shí)，濃度線性分布的斜率為1。當(dāng)注入水準(zhǔn)足夠高，注入濃度達(dá)到nb(0)>>NB時(shí)，可以推得不管是緩變基區(qū)還是均勻基區(qū)晶體管，基區(qū)少子都近似為線性分布。并有

3.大注入基區(qū)少子分布對(duì)于均勻基區(qū)晶體管，當(dāng)Wb<<Lnb1264.大注入對(duì)電流放大系數(shù)的影響低頻電流放大系數(shù)式中右邊第一項(xiàng)為發(fā)射效率項(xiàng)，第二項(xiàng)為包括體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合在內(nèi)的復(fù)合項(xiàng)。因此，只要分別求出等式右邊Ip(X1)、In(X2)、IVB、ISR隨著工作電流的變化關(guān)系，β0隨著IC變化的原因也就清楚了。4.大注入對(duì)電流放大系數(shù)的影響低頻電流放大系數(shù)式中右邊第一127（1）發(fā)射結(jié)電子電流In(X2)（2）體內(nèi)復(fù)合電流IVB（3）表面復(fù)合電流ISR

ISR=-ASqSnb(0)（4）反注入電流Ip(X1)（1）發(fā)射結(jié)電子電流In(X2)（2）體內(nèi)復(fù)合電流IV128（5）大注入對(duì)基區(qū)渡越時(shí)間的影響（5）大注入對(duì)基區(qū)渡越時(shí)間的影響1293.6.3基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)對(duì)β0和fT的影響 實(shí)際上在大電流條件下，晶體管特別是緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)寬度將隨注入電流的增加而擴(kuò)展，即出現(xiàn)基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)。以N+PN-N+外延平面晶體管為例，討論大電流下晶體管的電流放大系數(shù)和截止頻率下降的物理原因。1.大電流對(duì)集電結(jié)空間電荷區(qū)電場(chǎng)分布的影響3.6.3基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)對(duì)β0和fT的影響 實(shí)際上在大電流條130集電結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷與電場(chǎng)分布（a）電荷分布（b）電場(chǎng)分布UTC相同IC不同的集電結(jié)電場(chǎng)分布隨電流增大的變化集電結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷與電場(chǎng)分布UTC相同IC不同的集電1312.基區(qū)縱向擴(kuò)展效應(yīng)當(dāng)通過(guò)集電區(qū)的電流密度大于Jc0時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)將往襯底方向移動(dòng)，如圖所示。其結(jié)果使有效基區(qū)寬度Wb增大，β0和fT快速下降