半导体器件物理chapt 3-2.ppt

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1、半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管3.3 晶体管的直流伏安特性晶体管的直流伏安特性晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入和输出的电流晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入和输出的电流电压关系曲电压关系曲线。晶体管的三个端共有四个参数：输入电流、输入电压、输出电流线。晶体管的三个端共有四个参数：输入电流、输入电压、输出电流和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用曲线表示出来和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用曲线表示出来(以其余两以其余两个；参数中的一个作为参变数个；参数中的一个作为参变数)得到一族曲线，最常用的是输入特性曲线得到一族曲线，最常用的是输入特

2、性曲线和输出特性曲线。晶体管曲直流特性曲线比较形象地反映了晶体管内部和输出特性曲线。晶体管曲直流特性曲线比较形象地反映了晶体管内部的物理过程，它不仅对于晶体管的使用者是重要的，对于晶体管的设计的物理过程，它不仅对于晶体管的使用者是重要的，对于晶体管的设计和制造者同样也是很重要的。和制造者同样也是很重要的。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管 共基极连接的直流特性曲线共基极连接的直流特性曲线RE为发射极串联电阻，用为发射极串联电阻，用以控制和调节以控制和调节IC或或UEB。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管一、共基极直流输入特性曲线一

3、、共基极直流输入特性曲线 在不同的在不同的 UCB 下，改变下，改变 UEB，测量测量 IE，便可得出一族便可得出一族 IE-UEB 曲线，曲线，这族曲线称为共基极直流输入特性曲线，如图这族曲线称为共基极直流输入特性曲线，如图3.2l(a)所示。所示。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管 由于由于 Ae为发射结面积，为发射结面积，jp(X1)和和jn(X2)都随正向压降而呈指数增大，因此都随正向压降而呈指数增大，因此IE也与也与UEB成指数关系。实际上输入特性曲线就是正向成指数关系。实际上输入特性曲线就是正向PN结的特性曲线，结的特性曲线，但也存在着差别：在同样但

4、也存在着差别：在同样UEB下，下，IE随着随着UCB增大而增大，这是因为集增大而增大，这是因为集电极空间电荷区宽度随着电极空间电荷区宽度随着UCB的增大而增加，因而有效基区宽度减小，的增大而增加，因而有效基区宽度减小，使得在同样使得在同样UEB下，基区少子浓度梯度增大，所以下，基区少子浓度梯度增大，所以IE增大。这种有效基增大。这种有效基区宽度随区宽度随UCB的增大的增大(减小减小)而减小而减小(增大增大)的现象，就是上面讨论的基区的现象，就是上面讨论的基区宽度调变效应。所以，输入特性曲线随着宽度调变效应。所以，输入特性曲线随着UCB的增大而左移。的增大而左移。半导体器件物理半导体器件物理第三

5、章第三章 双极型晶体管双极型晶体管二、共基极直流输出特性曲线二、共基极直流输出特性曲线 在不同的在不同的 IE 下，改变下，改变 UCB，测量，测量IC，便可得出一族便可得出一族 IC-UCB 曲线，这曲线，这族曲线称为共基极直流输族曲线称为共基极直流输出特性曲线，如图出特性曲线，如图3.2l(b)所示。所示。UCB 0时，时，ICB IE(因为因为ICB 0 IE，0 1)，而且基本与而且基本与 UCB 无关。在无关。在 UCB=0时时,IC仍保持仍保持不变，这是因为在不变，这是因为在UCB=0时，基区靠集电结空时，基区靠集电结空间电荷区边界处少间电荷区边界处少子浓度等于平衡少子浓度，子浓度

6、等于平衡少子浓度，但因基区中存在少子浓度梯度，不断地有少子但因基区中存在少子浓度梯度，不断地有少子向集电结边界扩散，为了保证该处少子浓度等向集电结边界扩散，为了保证该处少子浓度等于平衡少子浓度，漂移通过集电结的少子必须于平衡少子浓度，漂移通过集电结的少子必须大于从集电区扩散到基区的少子大于从集电区扩散到基区的少子(扩散到基区扩散到基区靠近集电结边界的少靠近集电结边界的少子仍然靠漂移通过集电结子仍然靠漂移通过集电结)，因而虽然因而虽然 UCB=0，但，但 IC不等于零。要使集不等于零。要使集电极电流减至零，必须在集电结上加一个小的电极电流减至零，必须在集电结上加一个小的正向偏压，使基区中少正向偏

7、压，使基区中少子浓度梯度接近于零方子浓度梯度接近于零方可。可。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管 共发射极连接的直流特性曲线共发射极连接的直流特性曲线RB为基极串联电阻，用以为基极串联电阻，用以控制控制UBC或或 IC。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导

8、体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管3.5 晶体管的频率特性

9、晶体管的频率特性前面对晶体管的分析仅限于直流情况，忽略了载流子传输的动态过程和前面对晶体管的分析仅限于直流情况，忽略了载流子传输的动态过程和晶体管的一些寄生参数的影响。但当输入为交流信号，且频率高到一定晶体管的一些寄生参数的影响。但当输入为交流信号，且频率高到一定程度时，传输的瞬态过程和一些寄生电容的影响就不得不考虑了。随着程度时，传输的瞬态过程和一些寄生电容的影响就不得不考虑了。随着频率的增高，一方面构成晶体管的频率的增高，一方面构成晶体管的PN结寄生电容的等效阻抗下降，对结结寄生电容的等效阻抗下降，对结电容的充放电电流将增如；另一方面，由于信号变化节奏加快，晶体管电容的充放电电流将增如；另

10、一方面，由于信号变化节奏加快，晶体管载流子的传输时间也会影响信号的传输，最终将导致晶体管电流放大能载流子的传输时间也会影响信号的传输，最终将导致晶体管电流放大能力的下降和信号相移的增加。因此，晶体管的使用频率受到限制。所以，力的下降和信号相移的增加。因此，晶体管的使用频率受到限制。所以，可按工作频率范围把晶体管分为可按工作频率范围把晶体管分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管管三种。低频晶体管只能在三种。低频晶体管只能在3MHz以下的频率范围内使用，高频晶体管可以下的频率范围内使用，高频晶体管可在几十到几百兆赫的频率下使用。能在在几十到几百兆赫的频率下使用。

11、能在750 MHz以上频率范围内使用的以上频率范围内使用的晶体管称为超高频晶体管。晶体管称为超高频晶体管。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三

12、章第三章 双极型晶体管双极型晶体管 晶体管的高频等效电路和交流电流放大系数晶体管的高频等效电路和交流电流放大系数 在小信号下，非线性晶体管在工作点附近的小范围内在小信号下，非线性晶体管在工作点附近的小范围内可以看成是线性的，等效电路实际是指小信号等效电路。可以看成是线性的，等效电路实际是指小信号等效电路。1.晶体管共基极高频等效电路晶体管共基极高频等效电路半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管发射结和集电结之间的相互发射结和集电结之间的相互关系？关系？用一个与用一个与rC并联的内并联的内阻无穷大的受控电源阻无穷大的受控电源 ie来来表示表示ie对对ic的控制关系的控

13、制关系晶体管的高频晶体管的高频T型等效型等效电路电路在直流或低频时，电容在直流或低频时，电容的影响可忽略。因此，将图的影响可忽略。因此，将图3.39中的电容看成开路，就中的电容看成开路，就可得到可得到 晶体管低频晶体管低频“T”型型等效电路了。等效电路了。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管2.晶体管的共基极交流放大系数晶体管的共基极交流放大系数半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管：延迟时间：延迟时间 d：集电结空间电：集电结空间电荷区延迟时间荷区延迟时间半导体器件物理

14、半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体

15、器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物

16、理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管3.7 晶体管的开关特性晶体管的开关特性前面讨论的晶体管工作于线性区域，即输出电流与输入电流前面讨论的晶体管工作于线性区域，即输出电流与输入电流呈线性关系，也可说晶体管工作于放大状态。工作于放大状呈线性关系，也可说晶体管工作于放大状态。工作于放大状态的晶体管常常应用在放大电路中。在数字电路、自动控制态的晶体管常常应用在放大电路中。在数字电路、自动控制和其他很多领域，晶体管还被广泛用做开关元件，这是因为和其他很多领域，晶体管还

17、被广泛用做开关元件，这是因为晶体管具有良好的开关特性。晶体管具有良好的开关特性。晶体管的开关作用晶体管的开关作用1.晶体管的开关作用晶体管的开关作用好开关特性，即晶体管导通时的压降要小，截止时反向漏电好开关特性，即晶体管导通时的压降要小，截止时反向漏电流要小，开关时间要短。流要小，开关时间要短。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管2.晶体管的开关工作区域晶体管的开关工作区域 晶体管做开关运用晶体管做开关运用 时，它的时，它的“开开”与

18、与“关关”两种工作状态两种工作状态分别对应于输出持性曲线中的饱和区和截止区。分别对应于输出持性曲线中的饱和区和截止区。可见晶体管的开关作用就是通过基极加驱动信号电压使晶可见晶体管的开关作用就是通过基极加驱动信号电压使晶体管导通和截止，也就是使晶体管的工作点位于饱和区或截止体管导通和截止，也就是使晶体管的工作点位于饱和区或截止区，并在两个区之间转换。区，并在两个区之间转换。半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理

19、第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章

20、第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管半导体器件物理半导体器件物理第三章第三章 双极型晶体管双极型晶体管