《双极型晶体管》课件.ppt

第6章 双极型晶体管 n 6.1 晶体管概述n 6.1.1 晶体管基本结构 从基本结构来看，晶体管由两个十分靠近的，分别称为发射结和集电结的P-N结组成。两个P-N结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集电极，用符号E、B、C（e、b、c）表示。晶体管的基本形式可分为PNP型和NPN型两种。双极型晶体管重要依靠它的发射极电流能够通过基区传输到达集电区而实现的，为了保证这一传输过程，一方面要满足内部条件，即要求发射区杂质浓度要远大于基区杂质浓度，同时基区厚度要很小；另一方面要满足外部条件，即发射结要正向偏置（加正向电压），集电结要反偏置。双极型晶体管种类很多，按照频率分，有高频管，低频管。按照功率分，有小、中、大功率管。按照半导体材料分，有硅管和锗管等，当前国内生产的锗管多为PNP型，硅管多为NPN型。n 6.1.2 晶体管的制造工艺及杂质分布 1.合金晶体管 合金管是早期发展起来的晶体管，比如锗PNP合金晶体管，其结构是在N型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，制成发射极；另一边放铟球，制成集电极。加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成PNP结构。n 2.平面晶体管 凡采用所谓平面工艺来制作的晶体管，都称为平面晶体管。现在所使用的硅BJT几乎都是平面晶体管。相对于台面晶体管而言，这种晶体管的芯片表面基本上是平坦的，故有“平面”之称。平面晶体管结构如图所示在高浓度的N+衬底上，生长一层N型的外延层，再在外延层上用硼扩散制作P区，后在P区上用磷扩散形成一个N+区。其结构是一个NPN型的三层式结构，上面的N+区是发射区，中间的P区是基区，底下的N区是集电区。n 6.2 晶体管电流放大原理n 6.2.1 晶体管载流子浓度分布及传输 1.平衡状态晶体管载流子浓度分布 平衡状态晶体管三端不加外电压时，晶体管的能带和载流子的分布如图6-7所示。假设发射区E、基区B和集电区C的杂质皆为均匀分布，分别用NE、NB、NC表示，且NE大于 NB，NB大于NC，即杂质浓度NENBNC。We为发射区宽度，Wb为基区宽度，Wc为集电区宽度。Xme 为发射结势垒宽度，Xmc为集电结势垒宽度。发射结合集电结的接触电势差分别为UDE和UDC。晶体管在平衡状态时，具有统一的费米能级。2.非平衡状态晶体管载流子浓度分布 当晶体管作为放大运用时，发射结正偏，加正向偏压UE；集电结反偏，加反向偏压UC。由于发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子（电子）。注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散，边扩散，边复合，最后形成一稳定分布。同样，基区也向发射区注入少子（空穴），并形成一定的分布。由于集电结反偏，集电结势垒区对载流子起抽取作用。3.晶体管的载流子传输晶体管内部载流子运动与分配情况可分为以下三个过程 1）发射区向基区发射电子 2）电子在基区的扩散与复合 3）集电区收集电子从而形成集电极电流ICn 6.2.2 晶体管直流电流放大系数 1.晶体管共基极直流电流放大系数晶体管共基极接法如图6-12所示，基极作为输入与输出的公共端。集电极输出电流IC与发射极输入电流IE之间关系可表示为 2.晶体管共发射极直流电流放大系数 发射极作为输入与输出的公共端,集电极输出电流IC与基极输入电流IB之间关系可表示为：共发射极的电路是用IB去控制IC实现电流的放大。由于IE=IB+IC，所以晶体管共发射极接法 2.晶体管共发射极直流电流放大系数 发射极作为输入与输出的公共端,集电极输出电流IC与基极输入电流IB之间关系可表示为：共发射极的电路是用IB去控制IC实现电流的放大。由于IE=IB+IC，所以晶体管共发射极接法 n 6.2.3 晶体管的特性曲线 1.晶体管共基极直流特性曲线 1）共基极直流输入特性曲线 在不同的UCB下，改变UBE，测量IE的值，即可得到IE-UBE关系曲线。2）共基极直流输出特性曲线 在不同的IE下，改变UCB，测量IC的值，即可得到IC-UCB关系曲线。2.晶体管共发射极直流特性曲线 1）共发射极直流输入特性曲线 在不同的UCE下，改变UBE，测量IB的值，即可得到IB-UBE关系曲线。2）共发射极直流输出特性曲线 在不同的IB下，改变UCE，测量IC的值，即可得到IC-UCE关系曲线。n 6.3 晶体管的反向电流与击穿电压n 6.3.1 晶体管的反向电流 1.集电极基极之间的反向电流ICBO 集电极基极之间的反向电流ICBO是当发射极开路，即IE=0时，集电极-基极的反向电流。它只与温度有关，在一定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。2.发射极基极之间的反向电流IEBO 发射极基极之间的反向电流IEBO是当集电极开路，即IC=0时，发射极-基极的反向电流。晶体管的反向扩散电流和势垒区的产生电流是很小的。引起反向电流过大的原因往往是表面漏电流太大。因此，在生产过程中，搞好表面清洁处理及工艺规范是减小反向电流的关键。3.集电极发射极之间的反向电流ICEO 集电极基极之间的反向电流ICEO是当基极开路，即IB=0时，集电极-发射极的反向电流。ICEO大约比ICBO大倍即ICEO=（1+）ICBO，是电流为ICEO时所对应的电流放大系数，ICEO数值较小，此时的比正常工作时的要小得多，所以ICEO比ICBO大不太多。n 6.4 晶体管的频率特性与功率特性n 6.4.1 晶体管的频率特性 共基极交流电流放大系数定义为：在共基极运用时，将集电极交流短路，集电极输出交流电流ic与发射极输入交流电流ie之比，用表示。共射极交流电流放大系数定义为：在共射极运用时，将集电极交流短路，集电极输出交流电流ic与基极输入交流电流ib之比，用表示。在交流工作状态下，P-N结的电容效应将对晶体管的工作特性产生影响。当频率升高时，晶体管的放大特性要发生变化，使晶体管的放大能力下降。当晶体管的放大能力下降到一定程度时，就无法使用，这就表明晶体管的使用频率有一个极限。截止频率f f表示共基极短路电流放大系数的幅值|下降到低频值0的倍时的频率。截止频率f f表示共发射极短路电流放大系数的幅值|下降到低频值0的倍时的频率。3.特征频率fT fT表示共射短路电流放大系数的幅值下降到|=1时的频率。4.最高振荡频率fm fm表示最佳功率增益等于1时的频率，是晶体管具有功率增益的频率极限。n 6.4.2 晶体管的功率特性 1.晶体管的大电流特性 共发射极直流短路电流放大系数下降到其最大值M的一半时所对应的集电极电流，称为集电极最大电流ICM。要提高晶体管的输出功率就必须提高ICM。2.晶体管的最大耗散功率和热阻 晶体管工作时，电流通过发射结、集电结和体串联电阻都会发生功率耗散。总耗散功率为：PC=IEUBE+ICUCB+Ic2rCS 在正常工作状态下，发射结正向偏置电压UBE远小于集电极反向偏置电压UCB，体串联电阻rcs也很小。因此，晶体管的功率主要耗散在集电结上。总耗散功率近似为：PcICUCB 用热阻RT来表示晶体管散热能力的大小。所谓热阻就是单位耗散功率引起结温升高的度数，其单位为/W，热阻和晶体管的封装有很大的关系。可由下面的公式表示:3.晶体管的二次击穿和安全工作区 1）晶体管的二次击穿 二次击穿是功率晶体管早期失效或损坏的重要原因，它已成为影响功率晶体管安全可靠使用的重要因素。曲线上可用A、B、C、D四点将其分为四个区域。当电压UCE增加到集电结的雪崩击穿电压时，首先在A点发生雪崩击穿的现象称为一次击穿；一次击穿后，集电极反向电压进一步加大，电流IC随电压增加很快上升。当电流增加到B点，晶体管突然由高压状态跃变到低压，至C点，而电流继续增大，这一现象称为二次击穿。整个二次击穿过程发生在微秒级甚至更短时间内，若电路无限流措施，电流将继续增加，直至最后烧毁。晶体管的二次击穿曲线 2）晶体管的安全工作区 晶体管的安全工作区是指晶体管能够安全、可靠地进行工作的电流和电压范围。超过此范围的电流和电压工作时，晶体管就有可能发生损坏。安全工作区由最大允许集电极电流ICM、击穿电压BUCEO、晶体管最大耗散功率PCM和二次击穿临界线来决定。n 6.5 晶体管的开关特性 晶体管开关电路原理图如图所示，RB为基极限流电阻，其取值应使输入VI为高电平时，晶体管处于饱和状态，而输入VI为低电平时，晶体管处于截止状态。当输入为高电平时，基极电流足够大，晶体管进入饱和状态，由输出特性可知，集电极与发射极之间的压降很小，可忽略不计，相当于集电极与发射极之间短路。在集电极回路中，晶体管相当于一个闭合开关。当输入为低电平时，晶体管进入截止状态，集电极的电流IC=ICEO，对于性能良好的晶体管，ICEO一般很小，约等于0，相当于集电极与发射极之间开路。在集电极回路中，晶体管相当于一个断开的开关。晶体管的开关作用，是通过基极控制信号IB，使晶体管在饱和态与截止态之间往复转换来实现的。晶体管作为开关使用与理想开关的主要差别在于，开态时晶体管开关上的压降不等于零；关态时回路中还存在一定的电流ICEO，因此回路电流也不等于零。晶体管开关电路等效图