半导体物理与器件——.pptx

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1、双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT），简称为双极型晶体管或双极晶体管。晶体管可以用来放大电流、电压、或功率，是一种有源器件。三端器件，通过控制两端之间的电压来控制另外一端的电流。（电压控制电流源）双极的意义在于：在这种器件中存在着两种极性相反的载流子和电流两个耦合的PN结有多种偏置状态组合，即不同的工作模式第1页/共118页10.1双极晶体管的工作原理基本结构三个掺杂区，两个PN结 P+n+nEBCn+p+pEBCBCEBCE+代表重掺杂，+代表较重的掺杂第2页/共118页实际器件结构图传统双极型集成电路中的BJT结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用P

2、N结；第3页/共118页实际器件结构图先进的双层多晶硅BJT结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；第4页/共118页注意：npn和pnp的双极晶体管不是对称结构，从实际器件结构图和各区的掺杂浓度的不同都可以反映出这一点。P+n+nEBC第5页/共118页基本工作原理npn型BJT与pnp型BJT是完全互补的两种双极型晶体管，以npn型器件为例来进行讨论分析，其结论对pnp型器件也完全适用。典型杂质浓度：E：1e19；B：1e171e18；C：1e15P+n+nCBE(Nd-Na)EBC第6页/共118页定性分析热平衡和偏置状态注意这里没有反映出各个区杂质浓度的区别正向有源区，电子的输运过

3、程第7页/共118页B-E结正偏；B-C结反偏；正向有源模式注意基区宽度回忆：短二极管第8页/共118页发射结正偏，电子扩散注入基区B-C结反偏，基区中靠近B-C结边界处电子浓度为零。基区中电子存在着较大的浓度梯度，因此电子可以通过扩散流过基区，和正偏的PN结二极管类似，少子电子在通过中性基区的过程中也会与其中的多子空穴发生一定的复合。第9页/共118页电子扩散通过基区后，进入反偏的B-C结空间电荷区，被B-C结电场抽取进入搜集区，能够被拉向收集区的电子数目取决于由发射区注入到基区中的电子数目（复合掉的电子数目）。流入到收集区中的电子数量（构成收集极电流）取决于发射结上的偏置电压，此即双极型晶

4、体管的放大作用，即：BJT中流过一个端点的电流取决于另外两个端点上的外加电压。其他因素：发射极空穴电流，基区复合电流，集电极反向漏电流第10页/共118页通过前边的分析，简单结论：BJT中两个PN结不是独立无关的PN结正向有源状态下，反偏BC结的电流大部分来源于EB结的正偏电流三个区掺杂不同，E重掺，B较高掺，C轻掺短基区、大集电区在后边的分析中我们还会逐渐了解到，BJT的这种结构特点是因为只有这样才能获得较大的电流增益，具有良好的放大作用。第11页/共118页晶体管电流的简化表达形式有用电流和无用电流电子电流和空穴电流扩散电流、漂移电流、复合电流、产生电流第12页/共118页集电极电流线性假

5、设基区宽度：注意实际为基区中性区宽度iC由BE结电压所控制BE结面积第13页/共118页发射极电流IS2是饱和空穴电流，为少数载流子空穴的参数共基极电流增益第14页/共118页共基极电流增益集电极电流与集电极电压无关，双极晶体管如同一个恒流源第15页/共118页基极电流发射极电流成分iE2（空穴扩散电流）实际上也是基极电流的一个组成部分；基极电流的另一个组成部分则是基区中的多子空穴与电子的复合电流iBb，它与电子浓度相关，因而这二者都与exp(vBE/Vt)成正比从而集电极电流和基极电流之比为一个定值：共射极电流增益第16页/共118页工作模式截止模式正向有源模式饱和模式反向有源模式不同的工作

6、模式下，EB结和BC结处于不同的偏置状态，其电路功能也不同第17页/共118页截止模式两个结均反偏，发射极、集电极电流均为零正向有源模式EB结正偏，BC结反偏；集电极电流受BE结电压控制；电流放大作用共发射极应用时，C-E电压和集电极电流IC之间存在着线性关系，这种线性关系称为负载线第18页/共118页负载线1/R第19页/共118页饱和模式BE结正偏、BC结正偏，集电极电流反向（相对于放大模式）并不受BE结电压控制反向有源模式和正向有源模式相对的一种模式状态，但是由于晶体管本身结构的非对称性，因而其特性和正向有源模式有着很大的不同，在应用中一般会避免出现这种状态第20页/共118页四种不同的

7、工作模式及其对应的PN结偏置条件示意图第21页/共118页双极晶体管放大电路第22页/共118页EB结上附加的正弦信号电压；相应的基极电流和集电极电流负载RC上输出的放大后的信号电压第23页/共118页10.2 少子的分布晶体管为少数载流子工作器件，少数载流子的分布决定着器件内部各处的电流成分在各种工作模式下对晶体管各区的少子分布进行计算，在此基础上分析电流增益和器件结构之间的关系第24页/共118页符号符号定义定义npn和和pnp晶体管晶体管NE，NB，NCE、B和和C区中的掺杂浓度区中的掺杂浓度（下标代表区域）（下标代表区域）xE，xB，xC电中性电中性E、B和和C区的宽度区的宽度DE，D

8、B，DCLE，LB，LCE，B，Cnpn晶体管晶体管pE0，nB0，pC0pE(x)，nB(x)，pC(x)E、B和和C区中的区中的少子少子扩散系数扩散系数E、B和和C区中的区中的少子少子扩散长度扩散长度E、B和和C区中的区中的少子少子寿命寿命E、B和和C区中的区中的热平衡少子热平衡少子浓度浓度E、B和和C区中区中总的少子总的少子浓度浓度pE(x)，nB(x)，pC(x)E、B和和C区中的区中的过剩少子过剩少子浓度浓度pnp晶体管晶体管nE0，pB0，nC0 E、B和和C区中的区中的热平衡少子热平衡少子浓度浓度nE(x)，pB(x)，nC(x)E、B和和C区中区中总的少子总的少子浓度浓度nE(

9、x)，pB(x)，nC(x)E、B和和C区中的区中的过剩少子过剩少子浓度浓度第25页/共118页正向有源模式第26页/共118页利用定性的分析我们知道了三个区中少数载流子的大致分布情况，这里将对各区内载流子的分布做具体的计算和推导第27页/共118页基区内少子电子的稳态双极疏运方程过剩电子浓度定义：解的一般形式为：因基区宽度为有限值，故两个指数系数都必须保留。基区中过剩少数载流子电子的浓度在基区的两个边界处分别为如下两式所示：第28页/共118页 由于B-E结处于正偏状态，因此在x=0处过剩载流子浓度的边界条件为：而B-C结处于反偏状态，因此在x=xB处过剩载流子浓度的边界条件为：第29页/共

10、118页利用上述边界条件，可以求得上述双极输运方程解得一般形式中的系数为：这样我们就可以求出基区中过剩少数载流子电子的浓度分布为：第30页/共118页当xBLB时，上式可简化为：即基区中的过剩少数载流子电子的浓度分布确实可以近似为线性分布。这一点也可以从下面的双曲正弦函数变化曲线看出。第31页/共118页问题：基区宽度应该短还是长？基区宽度和扩散长度的比值大约是多少？相同宽度的P型基区和N型基区，少数载流子分布那个更接近于线性？E10.1第32页/共118页发射区少子浓度分布稳态双极输运方程：过剩空穴浓度定义为：解的一般形式为：其中LE为发射区中少数载流子空穴的扩散长度，即：第33页/共118

11、页类似地，中性区宽度xE一般为有限值，两个指数项系数都需要保留边界条件：（注意坐标的方向）由于B-E结处于正偏状态，因此在发射区中x=0处，过剩少数载流子空穴浓的边界条件为：第34页/共118页而在发射区表面，复合速度为无穷大，因此在x=xE处边界条件为利用上述边界条件求出系数C和D，由此可以求得发射区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为：如果BJT器件的发射区厚度xE也足够薄的话，同样可以得出发射区中过剩少数载流子空穴的浓度分布为线性分布的结论，即：注意与第八章短二极管相对应第35页/共118页如果BJT器件的发射区厚度xE与发射区中少数载流子空穴的扩散长度LE相当或可以比拟的话，则发射区中过剩

12、少数载流子空穴的浓度为指数分布。集电区少子浓度分布对于集电区来说，一般其宽度比较长，其过剩少数载流子分布同反偏PN结的结果完全相同第36页/共118页第37页/共118页第38页/共118页其它工作模式下的少数载流子分布截止模式第39页/共118页由于发射结和收集结均处于反向偏置状态，因此在这由于发射结和收集结均处于反向偏置状态，因此在这两个结的空间电荷区边界处的少数载流子浓度均为零，两个结的空间电荷区边界处的少数载流子浓度均为零，又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度，因此基又因为基区宽度通常远远小于少子扩散长度，因此基区中的少子已经基本上被空间电荷区的反向电场抽走，区中的少子已经基本上被空

13、间电荷区的反向电场抽走，其浓度基本为零。其浓度基本为零。第40页/共118页饱和模式第41页/共118页器件发射结和收集结均处于正偏状态，但是对于共发射极应用来说，器件中的电流仍然是由收集极流向发射极，即电子由发射区注入到基区，最后通过扩散流向收集区。第42页/共118页反向有源模式发射结处于反偏状态，而收集结处于正偏状态，电子由收集区注入到基区，最后扩散到发射结附近并被发射结电场拉向发射区，基区中的过剩少子电子的浓度梯度也与正向放大状态正好相反。第43页/共118页BJT中三个区域掺杂浓度不同，几何结构也非对称。反向有源模式下BJT的电流增益将大大下降，如图所示，由于发射极的面积远小于收集结

14、的面积，因此由收集区注入到基区的电子只有很少一部分能够被发射区所收集。第44页/共118页10.3 低频信号下的共基极电流增益信号放大电流增益电流增益电流成分电流成分少数载流子分布少数载流子分布结构参数少子分布电流成分电流增益具体应用第45页/共118页 BJT BJT的基本工作原理是的基本工作原理是集电极电流集电极电流受到受到发射结发射结电压电压的控制作用。而共基极电流增益也就是定义为的控制作用。而共基极电流增益也就是定义为BJTBJT器件的器件的集电极电流与发射极电流之比集电极电流与发射极电流之比。第46页/共118页q影响共基极电流增益的因素影响共基极电流增益的因素 一个处于正向放大模式

15、的双极型晶体管，其内部一个处于正向放大模式的双极型晶体管，其内部存在着多种不同的粒子流，所对应的电流密度如图存在着多种不同的粒子流，所对应的电流密度如图所示。所示。第47页/共118页JnE为基区中x=0处由于少子电子的扩散所引起的电流；JnC为基区中x=xB处由于少子电子的扩散所引起的电流；JRB则为JnE与JnC之差，它是由基区中过剩少子电子与多子空穴的复合所引起的，即为补偿基区内因复合而损失的空穴数目，必须由基极提供的空穴电流；JpE为发射区中x=0处由于少子空穴的扩散所引起的电流；JR为正偏发射结中的载流子复合电流；Jpc0为器件集电区中x=0处由于少子空穴的扩散所引起的电流；JG为反

16、偏集电结中的载流子产生电流。第48页/共118页其中其中J JRBRB、J JpEpE和和J JR R这三个电流仅仅流过发射结，这三个电流仅仅流过发射结，并没并没有流过集电结，而有流过集电结，而J Jpc0pc0和和J JG G这两个电流则仅仅流这两个电流则仅仅流过收过收集结，并没有流过发射结。因此这些电流成分对集结，并没有流过发射结。因此这些电流成分对晶体管作用或电流增益并没有任何贡献。直流情晶体管作用或电流增益并没有任何贡献。直流情况下况下BJTBJT器件的共基极电流增益定义为：器件的共基极电流增益定义为：如果我们假设如果我们假设BJT器件的发射结面积与收集结面积器件的发射结面积与收集结面

17、积相等，则上式可表示为相等，则上式可表示为第49页/共118页 我们真正感兴趣的实际上是器件的集电极电我们真正感兴趣的实际上是器件的集电极电流如流如何随着发射极电流的何随着发射极电流的改变而变化改变而变化，即在正弦小信，即在正弦小信号情号情况下，况下，BJTBJT器件的共基极电流增益可定义为：器件的共基极电流增益可定义为：第50页/共118页注意，上述几个因子的定义公式仅仅是对注意，上述几个因子的定义公式仅仅是对npnnpn型型BJTBJT器件而言的，对于器件而言的，对于PNPPNP型型BJTBJT器件来说，这些因子器件来说，这些因子的的定义公式也是完全类似的，只是公式中的电子电定义公式也是完

18、全类似的，只是公式中的电子电流和流和pnppnp电流要互相对调一下。在理想情况下我们电流要互相对调一下。在理想情况下我们总是希总是希望望=1=1，但是由上式可见，实际的，但是由上式可见，实际的总是小于总是小于1 1的。的。空穴电流成分比重对电流增益的影响有效输运性，即基区中复合电流对电流增益的影响B-E结耗尽区复合对电流增益带来的影响，pn结的非理想因素第51页/共118页q影响电流增益因素的数学推导影响电流增益因素的数学推导发射极注入效率因子：考虑理想情况下的发射极注入效率因子，有：第52页/共118页双曲正切双曲余弦双曲正弦函数的图形函数的表达式函数名称第53页/共118页 利用已经求得的

19、正向放大模式下利用已经求得的正向放大模式下BJTBJT中各区的少中各区的少数载流子浓度分布，上述两个电流密度表示为：数载流子浓度分布，上述两个电流密度表示为：第54页/共118页由此可得BJT的发射极注入效率为：当满足条件：则可进一步简化为：基区输运因子：根据定义，有：使注入效率近似等于1的结构参数选择：NBNE第55页/共118页上式中的两个电流密度可表示为：JnE的表达式前面已经求出，利用基区中的少数载流子浓度分布公式可以求得JnC的表达式为：当满足下述条件：有：第56页/共118页因此有当满足条件：时，则有：上式还可以进一步简化为：复合因子：根据定义，我们可以进一步将复合因子表示为：使基

20、区输运系数近似等于1的结构参数条件：xBLB第57页/共118页其中JR可表示为：而JnE可表示为：其中Js0为：因此复合因子为：复合因子是发射结正向偏置电压的函数，随着VBE增加，复合电流成分减少，复合系数接近于1使复合因子近似为1的条件：VBE足够大；结构条件：xBE尽可能小：E、B区重掺杂第58页/共118页 另外，复合因子中通常还必须考虑表面复合效应的影另外，复合因子中通常还必须考虑表面复合效应的影响，如下图所示，当电子由发射区注入到基区之后，由响，如下图所示，当电子由发射区注入到基区之后，由于基区表面复合效应的影响，有一部分电子还将会向基于基区表面复合效应的影响，有一部分电子还将会向

21、基区表面扩散。区表面扩散。第59页/共118页q小结小结 以上我们对以上我们对npnnpn型型BJTBJT器件的少数载流子浓度分布以器件的少数载流子浓度分布以及电流增益做了初步的分析，上述分析对及电流增益做了初步的分析，上述分析对PNPPNP型型BJTBJT器件也器件也是完全适用的，只是电子和空穴的浓度必须对调，同时外是完全适用的，只是电子和空穴的浓度必须对调，同时外加电压的极性和电流的方向也必须反转。对于共基极加电压的极性和电流的方向也必须反转。对于共基极pnpBJTpnpBJT的直流电流增益为：的直流电流增益为：第60页/共118页第61页/共118页限制因素小结限制因素小结发射极注入效率

22、发射极注入效率基区输运系数基区输运系数复合系数复合系数共基极电流增益共基极电流增益共发射极电流增益共发射极电流增益第62页/共118页结构参数与增益：共基极电流增益 中的每一项都小于1，为了得到尽可能大的电流增益，要求每一项都尽可能接近于1NBVT复合系数1是不是根据电流增益对结构的要求而将结构参数作相应的调整就可以得到任意大的电流增益呢？实际并非如此非理想效应例10.110.4第63页/共118页10.4 非理想效应前边分析所涉及到的理想假设：均匀掺杂小注入发射区和基区宽度恒定禁带宽度为定值电流密度均匀非击穿理想中性区双极输运方程不考虑偏置影响禁带宽度和杂质1维器件模型电压限制第64页/共1

23、18页基区宽度调制效应基区宽度被B-C结反向偏压所调制P.282例10.5第65页/共118页基区宽变效应引起基区少子浓度梯度增加，从而造成电流增大，这导致实际的集电极电流iC随B-C结反向偏压增大而缓慢增大。又称为厄利效应。理想情况下器件集电极电流与集电结上的反偏电压无关，即输出电导为零；然而由于基区宽度调制效应，器件的输出电导不为零，输出特性曲线变斜，斜线交点处的电压值称为厄利电压，通常在100300V之间。P.283例10.6第66页/共118页由输出特性曲线可得：其中VA、VCE均定义为正值，g0为BJT的输出电导，因此有：考虑基区宽度调制效应之后，BJT器件的集电极电流与集电结上的外

24、加反向电压相关。问题：为了尽量减小厄利效应，基区和集电区掺杂以及基区宽度应当如何设计？第67页/共118页大注入效应当VBE增大到一定程度时，注入到基区的少数载流子电子的浓度有可能超过基区多数载流子空穴的浓度，这种情况为大注入。为了保持电中性，注入的电子超过空穴浓度时，空穴浓度也要有相应的增加。需要补充的这部分空穴来源于基极电流，并造成注入到发射区的空穴浓度增加，空穴电流增大，注入效率降低，增益减小。第68页/共118页集电极电流和电流增益的关系。当器件的集电极电流增大到一定程度之后，BJT的电流增益将开始下降，这就是因为基区中多数载流子浓度增加导致器件发射结注入效率下降的结果。注意在小电流下

25、，由于B-E结空间电荷区复合电流的影响，造成在小电流下，增益下降。第69页/共118页大注入的另一方面的影响：在小注入条件下，大注入的另一方面的影响：在小注入条件下，npnnpn型型BJTBJT器件基区中器件基区中x=0 x=0处多数载流子空穴的浓度为：处多数载流子空穴的浓度为：同一位置处少数载流子电子的浓度为：二者的乘积满足：在大注入条件下，上式仍然成立，但是此时pp(0)也会有所增大，特别是在大注入时，可以认为其随VBE增大的速率与np(0)相同第70页/共118页因此在大注入条件下因此在大注入条件下n np p(0)(0)随随V VBEBE增大的速率将逐增大的速率将逐渐逼进下述关系：渐逼

26、进下述关系：由式可见，在发由式可见，在发射结由小注入逐步进入射结由小注入逐步进入到大注入的过程中，基到大注入的过程中，基区中过剩载流子空穴的区中过剩载流子空穴的浓度随着浓度随着V VBEBE增大的速率增大的速率将逐步减慢，因此集电将逐步减慢，因此集电极电流随着极电流随着V VBEBE增大的速增大的速率也将逐渐减慢，如右率也将逐渐减慢，如右图所示，可见大注入效图所示，可见大注入效应非常类似于应非常类似于PNPN结中串结中串联电阻的影响。联电阻的影响。第71页/共118页发射区禁带宽度变窄效应注入效率与发射区的掺杂浓度有关问题：是不是掺杂浓度越高，注入效率越大？随着掺杂浓度不断增大，杂质能级之间的

27、相互作用增强，杂质能级不再是局域化的分立能级，而开始分裂成杂质能带，导致有效禁带宽度降低。第72页/共118页对于重掺杂的发射区来说，其本征载流子浓度可表示为：公式说明了随着反射区有效禁带宽度的降低，本征载流子浓度将增大。施主能带施主能带本征导带本征导带简并导带简并导带能带边沿尾部能带边沿尾部EgEg价带价带第73页/共118页注入效率与E、B区的少子浓度比值有关。而平衡少子浓度pE0随着本征载流子浓度增加增加的很快：可以看到，在轻掺杂情况下，禁带宽度不变，随着E区掺杂浓度的提高，少数载流子浓度pE0下降，但随着重掺杂程度的加深，禁带宽度的减小导致本征载流子浓度呈指数方式增大，因而少数载流子浓

28、度不再减小反而增大，此时若再施以更重的掺杂，则会造成发射极注入效率下降而导致增益下降。因而：对于注入效率来讲，并非发射极的掺杂浓度越大越好。P.286例10.7第74页/共118页发射极电流集边效应：对于一个典型的平面集成化BJT器件来说，其基区宽度通常不会超过一个微米，因此位于发射区下方的内基区（也称为本征基区，如下页图所示）电阻就会比较大，这样一来基极电流在这个电阻上就会产生比较大的压降，而器件的发射区通常为重掺杂，因此整个发射区可以看作是一个等势体。由于BJT器件的发射极电流与其发射结上的压降成指数关系，因此流过整个发射结的电流就会出现集边效应。第75页/共118页 如下图所示，对于实际

29、的平面集成化如下图所示，对于实际的平面集成化BJTBJT器器件来件来说，基区可分为本征基区（位于发射结下方）和非说，基区可分为本征基区（位于发射结下方）和非本本征基区（位于发射结下方以外）两部分。征基区（位于发射结下方以外）两部分。第76页/共118页 本征基区电阻的影响如下图所示，从图中可本征基区电阻的影响如下图所示，从图中可见，见，当基极电流流过本征基区电阻时将产生压降，由此当基极电流流过本征基区电阻时将产生压降，由此导导致致BJTBJT器件的发射结电流出现集边效应。器件的发射结电流出现集边效应。第77页/共118页 当当BJTBJT器件中出现发射结电流集边效应时（如器件中出现发射结电流集

30、边效应时（如下下图所示），靠近发射结边缘处的电流密度将远远大图所示），靠近发射结边缘处的电流密度将远远大于于发射结中心处的电流密度，因此整个发射结流过的发射结中心处的电流密度，因此整个发射结流过的总总电流将不随电流将不随发射结面积发射结面积的增加而线性增大，而只随的增加而线性增大，而只随着着发射结周长发射结周长的增加而线性增大。对于要求输出电流的增加而线性增大。对于要求输出电流比比较大的功率型较大的功率型BJTBJT器件来说，一般不是采用简单地器件来说，一般不是采用简单地增增大发射结面积的方法来提高输出电流，而是采用多大发射结面积的方法来提高输出电流，而是采用多个个长条形的发射极和基极交错排列

31、，形成所谓的插指长条形的发射极和基极交错排列，形成所谓的插指状状并联结构，如下页图所示。并联结构，如下页图所示。第78页/共118页 需要输出需要输出较较大电流的功率大电流的功率型型BJTBJT器件通常采器件通常采用多发射极长用多发射极长条条和多基极长条和多基极长条交交错排列的错排列的插指插指状状并联结构，如并联结构，如左左图所示，以避图所示，以避免免发射结电流集发射结电流集边边效应，并充分效应，并充分利利用用BJTBJT有效的发有效的发射结面积，同射结面积，同时时减小基极电阻。减小基极电阻。第79页/共118页q非均匀基区掺杂效应：非均匀基区掺杂效应：在前面的分析中，我们一直假设在前面的分析

32、中，我们一直假设BJTBJT的基区掺的基区掺杂杂浓度是均匀的，然而实际情况却并非完全如此，浓度是均匀的，然而实际情况却并非完全如此，例例如在双扩散型如在双扩散型BJTBJT中，器件基区的掺杂浓度就是非中，器件基区的掺杂浓度就是非均均匀的，如下图所示。匀的，如下图所示。图中的BJT器件采用均匀掺杂的N型硅衬底材料，然后由表面向衬底体内扩散受主杂质，形成补偿的P型基区，最后再采用同样的方法形成二次补偿的N型发射区。第80页/共118页器件内部缓变的杂质分布将引起内建电场，器件内部缓变的杂质分布将引起内建电场，BJTBJT器器件中非均匀的基区掺杂浓度也会在基区中形成一件中非均匀的基区掺杂浓度也会在基

33、区中形成一个内建电场。对于个内建电场。对于P P型基区来说，在热平衡状态下，型基区来说，在热平衡状态下，多数载流子空穴的电流应该为零，即：多数载流子空穴的电流应该为零，即：由上页图中可见，基区掺杂浓度的梯度为负值，因此上式表明，内建电场的方向沿着x轴的负方向。当电子由N型发射区注入到P型基区中之后，将通过扩散运动流向集电区，此时内建电场将对这些电子的扩散运动起到加速作用，因此这个内建电场也称为加速场。第81页/共118页qBJTBJT器件的击穿电压：器件的击穿电压：在在BJTBJT器件中，通常存在着两种截然不同的击穿器件中，通常存在着两种截然不同的击穿机理。第一种是所谓的基区穿通击穿机理。如下

34、图机理。第一种是所谓的基区穿通击穿机理。如下图所示，当器件发射结和集电结上的外加偏置电压均所示，当器件发射结和集电结上的外加偏置电压均为零时，为零时，BJTBJT器件处于热平衡状态，整个器件中没器件处于热平衡状态，整个器件中没有电流流过。而当集电结上外加反偏电压时，集电有电流流过。而当集电结上外加反偏电压时，集电结空间电荷区宽度将逐渐扩展。随着集电结上反偏结空间电荷区宽度将逐渐扩展。随着集电结上反偏电压的不断增加，集电结空间电荷区有可能扩展至电压的不断增加，集电结空间电荷区有可能扩展至整个基区整个基区第82页/共118页 如右图所示，当集电结如右图所示，当集电结反偏电压为反偏电压为V VR1R

35、1时，集电结空时，集电结空间电荷区尚未扩展至整个基间电荷区尚未扩展至整个基区，发射结势垒高度也未受区，发射结势垒高度也未受影响，因此晶体管中的电流影响，因此晶体管中的电流基本为零；而当集电结反偏基本为零；而当集电结反偏电压为电压为V VR2R2时，集电结空间电时，集电结空间电荷区则已经扩展至整个基区，荷区则已经扩展至整个基区，发射结势垒高度降低，此时发射结势垒高度降低，此时集电结反偏电压的微小增加集电结反偏电压的微小增加就会引起晶体管中电流的急就会引起晶体管中电流的急剧增大，此即所谓的基区穿剧增大，此即所谓的基区穿通击穿。通击穿。EBC第83页/共118页 根据下图所示的基区穿通击穿模型，忽略

36、发根据下图所示的基区穿通击穿模型，忽略发射结射结空间电荷区宽度的影响，我们可以计算出发生基空间电荷区宽度的影响，我们可以计算出发生基区穿区穿通击穿时器件集电结上外加的反偏电压，即：通击穿时器件集电结上外加的反偏电压，即：BJT器件中常见的另一种击穿机理则是所谓的雪崩击穿，只不过此时需要考虑晶体管电流放大作用的影响，而基于隧道效应的齐纳击穿则通常不会发生。第84页/共118页 下面左图为器件集电结上外加反偏电压，而发下面左图为器件集电结上外加反偏电压，而发射射极处于开路状态，极处于开路状态，集电结反偏漏电流为集电结反偏漏电流为I ICBOCBO；右图右图为为BJTBJT器件器件C-EC-E之间外

37、加偏置电压，而基极处于开路之间外加偏置电压，而基极处于开路状状态，此时集电结同样处于反偏状态，态，此时集电结同样处于反偏状态，晶体管晶体管C-EC-E之之间间的漏电流记为的漏电流记为I ICEOCEO；从右图可见，；从右图可见，I ICBOCBO是正常的集是正常的集电电结反偏电流，其中有一部分是由集电区的少数载结反偏电流，其中有一部分是由集电区的少数载流子流子空穴越过集电结势垒流向基区形成的，而流入基空穴越过集电结势垒流向基区形成的，而流入基区的区的空穴又将使得发射结变为正偏，从而在发射结上空穴又将使得发射结变为正偏，从而在发射结上产生产生一个正向注入电流一个正向注入电流I ICEOCEO，该

38、电流以发射区向基区注，该电流以发射区向基区注入入的电子电流为主。的电子电流为主。第85页/共118页 由发射区注入到基区的电子电流由发射区注入到基区的电子电流I ICEOCEO也会受到也会受到复复合作用的影响，该电流中最终能够被集电区集电到合作用的影响，该电流中最终能够被集电区集电到的的部分为部分为I ICEOCEO，其中，其中为共基极电流增益，由此我为共基极电流增益，由此我们们不难得到：不难得到：第86页/共118页 上式中上式中n n为经验常数，通常介于为经验常数，通常介于3 3到到6 6之间，之间，BVBVCBOCBO是发是发射极开路条件下射极开路条件下BJTBJT器件集电结的击穿电压。

39、而当器件集电结的击穿电压。而当晶晶体管处于基极开路状态时，如果器件发生击穿，集体管处于基极开路状态时，如果器件发生击穿，集电电结电流将得到倍增，即：结电流将得到倍增，即：第87页/共118页第88页/共118页第89页/共118页10.5 10.5 混合混合型等效电路模型型等效电路模型应用于开关电路和放大电路时，晶体管应用于开关电路和放大电路时，晶体管前者工作在前者工作在饱和区饱和区和和截止区截止区，后者在，后者在放大区放大区。通过对通过对PNPN结进行研究，可以推导出多种结进行研究，可以推导出多种BJTBJT器件模型，这里我们主要介绍用于小信器件模型，这里我们主要介绍用于小信号放大的混合号放

40、大的混合模型。模型。H-PH-P模型主要从模型主要从PNPN结的正弦小信号模型结的正弦小信号模型出发，根据晶体管的出发，根据晶体管的结构结构构造出双极晶体管构造出双极晶体管的小信号等效电路模型。的小信号等效电路模型。第90页/共118页左边为一个用于小信号放大的共发射极左边为一个用于小信号放大的共发射极BJTBJT器件，器件，右边则为右边则为BJTBJT器件的剖面结构示意图，其中器件的剖面结构示意图，其中C C、B B、E E为晶体管的外部电极引线端，而为晶体管的外部电极引线端，而C C、B B、E E点则为理想点则为理想BJTBJT器件内部的集电区、基区和发射区。器件内部的集电区、基区和发射

41、区。第91页/共118页从从PNPN结的小信号模型出发，构造结的小信号模型出发，构造E-BE-B结间的等效电路模型。结间的等效电路模型。其中其中扩散电容扩散电容和和扩散电阻扩散电阻都是与发射结都是与发射结势垒电容势垒电容C Cjeje相并相并联的，联的，r rexex是发射极外部引线电极与发射区之间的串联电是发射极外部引线电极与发射区之间的串联电阻，该电阻通常很小，一般在阻，该电阻通常很小，一般在1 12 2个欧姆之间。个欧姆之间。电阻rb是基极电极B与内基区B之间的基区串联电阻，E-B处于正偏状态，C和r分别是发射结的扩散电容和扩散电阻，这与pn结的小信号等效电路模型是完全相同的。E-B间等

42、效电路模型对照：第92页/共118页电阻电阻r rc c是集电极电极是集电极电极C C与内部集电区与内部集电区C C之间的之间的串联电阻串联电阻，C CS S是是集电区与衬底集电区与衬底之间反偏之间反偏pnpn结之间的结之间的势垒电容势垒电容，受控电，受控电流源流源g gm mV Vb be e反映的是反映的是BJTBJT器件集电极电流受发射结电压的器件集电极电流受发射结电压的控制关系，电阻控制关系，电阻r r0 0则是器件输出电导则是器件输出电导g g0 0的倒数，它主要由的倒数，它主要由厄利效应厄利效应决定。决定。C-E 等效电路第93页/共118页C C是反偏是反偏C-BC-B结的势垒电

43、容，而电阻结的势垒电容，而电阻r r则是反偏则是反偏C-BC-B结的结的扩散电阻。一般情况下扩散电阻。一般情况下r r在兆欧姆的数量级，往往可以在兆欧姆的数量级，往往可以忽略不计，电容忽略不计，电容C C通常也比通常也比C C要小，但是由于负反馈作要小，但是由于负反馈作用引起的密勒效应，用引起的密勒效应，C C的影响通常不能忽略。的影响通常不能忽略。反偏C-B结等效电路第94页/共118页将上述三部分等效电路组合起来，就形成了一个BJT器件完整的混合型等效电路模型第95页/共118页由于上述完整的混合由于上述完整的混合型等效电路模型中包含较多的电路型等效电路模型中包含较多的电路元件，因此往往采

44、用计算机来进行计算求解。然而，我们元件，因此往往采用计算机来进行计算求解。然而，我们可以用简化的模型来对晶体管的频率响应进行适当的估计，可以用简化的模型来对晶体管的频率响应进行适当的估计，这样我们可以得到晶体管的增益为信号频率的函数这样一这样我们可以得到晶体管的增益为信号频率的函数这样一个重要的结论。个重要的结论。P.298例10.11第96页/共118页10.6 BJT10.6 BJT的频率限制因素的频率限制因素在混合在混合型等效电路模型中，通过电阻、电容效应的影响型等效电路模型中，通过电阻、电容效应的影响实际上已经引入了实际上已经引入了BJTBJT器件的频率特性。这一节中我们将器件的频率特

45、性。这一节中我们将进一步讨论限制进一步讨论限制BJTBJT器件频率特性的几个主要因素。器件频率特性的几个主要因素。时间延迟因子：双极型晶体管实际上是一种渡越时间器件，当输入信号的频率增大时，载流子的渡越时间就会与输入信号的周期可比拟，此时输出响应就会跟不上输入信号的变化，因而电流增益也会出现下降的趋势。我们可以将载流子由发射区渡越到集电区总的延迟时间划分为以下四个独立的部分。第97页/共118页re为发射结的扩散电阻，Cp为发射结的寄生电容。m发射结电容充电时间第98页/共118页m基区渡越时间基区渡越时间少数载流子扩散通过中性基区所需的时间，对少数载流子扩散通过中性基区所需的时间，对npnn

46、pn型型BJTBJT晶体管来说，基区中的电子电流密度可表示为：晶体管来说，基区中的电子电流密度可表示为：第99页/共118页m集电结耗尽区渡越时间集电结耗尽区渡越时间假设电子以饱和漂移速度假设电子以饱和漂移速度v vs s通过集电结耗尽区，则通过集电结耗尽区，则BJTBJT器件的集电结耗尽区渡越时间可表示为：器件的集电结耗尽区渡越时间可表示为：第100页/共118页上式中上式中C C为集电结电容，为集电结电容，C CS S为集电区与衬底之间的电容，为集电区与衬底之间的电容，r rC C为集电区串联电阻，为集电区串联电阻，C C通常比较小，在有些情况下可以通常比较小，在有些情况下可以忽略不计。忽

47、略不计。qBJT器件的截止频率：对于交流小信号情形，电流增益是频率的函数。共基极电流增益和频率有关系：m集电极电容充电时间xdc为集电结耗尽区宽度第101页/共118页 当输入信号频率当输入信号频率f f达到共基极电流增益截止频率达到共基极电流增益截止频率f f时，时，BJTBJT器件共基极电流增益的幅度将下降为低频时的器件共基极电流增益的幅度将下降为低频时的1/1/倍。倍。利用共发射极电流增益与共基极电流增益之间的关利用共发射极电流增益与共基极电流增益之间的关系，可求出当系，可求出当f=ff=f时共射极电流增益与频率的关系：时共射极电流增益与频率的关系：第102页/共118页第103页/共1

48、18页 上式中上式中0 0是低频条件下是低频条件下BJTBJT器件的共发射极电流增益，器件的共发射极电流增益，f f是共发射极电流增益是共发射极电流增益的的截止频率，当输入信号频率截止频率，当输入信号频率f f达到共发射极电流增益截止频率达到共发射极电流增益截止频率f f时，时，BJTBJT器件共发射极器件共发射极电流增益的幅度将下降为低频时的电流增益的幅度将下降为低频时的1/1/倍。利用前面给倍。利用前面给出的关系式可得：出的关系式可得：第104页/共118页p.301例.10.12第105页/共118页10.7 BJT10.7 BJT器件的大信号开关特性器件的大信号开关特性 BJTBJT器

49、件也可以工作在开关状态，此时外加信号为器件也可以工作在开关状态，此时外加信号为大信号，大信号，BJTBJT器件在截止关断和饱和导通两种状态之间器件在截止关断和饱和导通两种状态之间转换，如下图所示，右图为工作在开关状态的双极型晶转换，如下图所示，右图为工作在开关状态的双极型晶体管电路图，左图为输入的开关信号波形图。体管电路图，左图为输入的开关信号波形图。当当t=0t=0时，输入信号由低电平变为高电平；当时，输入信号由低电平变为高电平；当t=tt=t3 3时，输入信号则由高电平变为低电平。时，输入信号则由高电平变为低电平。第106页/共118页下图所示为下图所示为BJTBJT器件集电极电流的变化波

50、形，其中器件集电极电流的变化波形，其中t td d称为称为延迟时间延迟时间，t tr r称为上升时间称为上升时间，t ts s称为存储时间称为存储时间，t tf f称为下称为下降时间降时间。在在t td d时间内，发射结充电，时间内，发射结充电，BJTBJT逐渐开始导通；逐渐开始导通；在在t tr r时间内，基区载流子积累，时间内，基区载流子积累，BJTBJT逐渐进入饱和；逐渐进入饱和；在在t ts s时间内，抽取基区过剩载流子，逐渐退出饱和；时间内，抽取基区过剩载流子，逐渐退出饱和；在在t tf f时间内，发射结放电，时间内，发射结放电，BJTBJT逐渐变为关断；逐渐变为关断；第107页/共