第十一章双极型晶体管原理

前言 9
11-1，二，晶体管的直流特性和电 流增益
以均匀基区为例 1，均匀基区晶体管直流特性的理论分析 2，均匀基区晶体管的短路电流放大系数
前言
10
*均匀基区晶体管理论分析
在导出伏安特性表达式时作了如下几点假设： (1)发射结和集电结是理想的突变结，即杂质 在发射区、基区和集电区都是均匀分布的； (2)晶体管是一维的，发射结和集电结是平行 平面结，两结的面积相等； (3)外加电场都降落在势垒区，势垒区以外的 半导体材料或电极接触上都没有电场； (4)发射区和集电区的长度比少数载流子的扩 散长度大得多，因此其两端的少数载流子密度 等于其平衡值； (5)势垒区宽度比少数载流子扩散长度小得 多，可忽略势垒区中的复合作用，也就是通过 势垒区前后的电流值不变； (11)注入基区的少数载流子比基区的多数载 流子不少得多，即不考虑大注入效应。
前言
11
*理论分析
Je
0 Dnb n 0 D pe pne qVE pb q + (e W L pe b kT
1)
kT
Jc =
qDnb n0 pb Wbeຫໍສະໝຸດ VE (kT1)
0 qDpc pnc
Lpc
(
eqVC
1
)
以上二式即为均匀基区晶体管的直流 伏安特性，它是均匀基区晶体管的基本 方程。
1
2
前言
15
11-1，三，反向电流和击穿电压
1. ICB0：当发射极 开路时，集电极-基 极的反向电流定义 为ICB0 。 2.IEB0 3.ICE0 4. VEB（fl）
前言
I CB 0
0 qDnb n 0 qD pc pnc pb = A (1 γ ) + Wb L pc
前言 24
(2)减小τe，必须减小发射结电阻re及发射结电容， (3)减小τd，必须减小集电结的势垒宽度Xm，即降低集电区电阻率，但它 又与提高击穿电压有矛盾。 (4)降低τc，必须减小集电极串联电阻rcs及集电极电容Cc。与提高击穿电 压有矛盾，应兼顾两方面要求。
综之，提高fT的主要途径是：减小基区宽度Wb,减小 结面积(发射结及集电结)，适当降低集电区电阻率和 厚度。
ρ eWb Wb2 = 1α = + 2 β ρ b Lpe 2 Lnb
1
前言 13
*漂移晶体管
扩散结的晶体管 基区自建电场 电流短路放大倍数的推导结果
前言
14
1 Wb β = 1 λ Lnb
2
R 1W α = γβ = 1 + e [1 b ] λ Lnb Rb
前言 12
*短路电流放大系数
γ=
1.发射效率 2.基区输运系数 3.集电区倍增因子 4.雪崩倍增因子
1+
ρeWb ρb Lpe
2
1
γ=
1 R 1+ e Rb
1W β = 1 b 2 Lnb
α = 1 + q 2 ni2 μ nc μ pc ρ c2
1 2
α M = 1 短路电流放大系数总公式： ρ eWb Wb2 α = 1 2 ρ b Lpe 2 Lnb
γ=
nE
α = γβ α
JE
=
nE
J nE + J pE
=
1 + J pE J nE
J β = nC J nE
α = γβ α =
前言
J α = C J nE
α = γβ α M
7
J nE J nC J C J = C J E J nE J nC J E
*共发射极电流放大系数
共发射极电流放大系数 定义为集电极电流IC与 基极电流IB之比：
16
11-1，三，反向电流和击穿电压
5.BVEB0和BVCB0
– 定义集电极开路时发射极-基极的击穿电压为 BVEB0 – 定义发射极开路时集电极-基极击穿电压为 BVCB0
6.BVCE0、BVCER、BVCEX、BVCES
– 基极开路，集电极-发射极的击穿电压为 BVCE0； – 基极-发射极短路，集电极-发射极的击穿电 压为BVCES； – 基极-发射极接电阻Rb；集电极-发射极的击 穿电压为BVCER； – 基极-发射极接电阻Rb和反偏电压VBB，集 电极-发射极的击穿电压为BVCEX。
前言 19
某些图形的 电阻公式
前言
20
11-1，晶体管的小信号等效电路
前言
21
11-2，双极晶体管频率、功率特性
1，频率特性
– 几个主要的高频参数：截止频率、特征频率、 高频功率增益和最高振荡频率等
2，功率特性
前言
22
11-2，频率、功率特性-截止频率
曲线1表示共基极电流放 大系数。随频率的变化， 曲线2表示共发射极电流 放大系数β随频率的变化。 截止频率：当电流放大系 数下降到低频值的(即 0.707)时的频率 特征频率：β值降到 l(0dB)时的频率
α = 20 lg α (dB ) β = 20 lg β (dB)
前言 23
τc
11-2，频率、功率特性- 特征频率fT
1 = 2π (τ e' + τ b + τ d + τ c + mτ b ) fT Wb2 χ = 2π re ( CDe + CTc ) + + m + rcs CTc λ Dnb 2υm
发射极延迟时间常数 基区渡越时间 集电结势垒区渡越时间 集电极延迟时间常数
要提高特征频率，fT，必须减小四个时间常数，下面分别讨论之。 (1) 一般四个时间常数以τb为最长，因此减小τb成为提高fT的主要因素。
– (a)降低基区宽度Wb，减小τb关键。采用离子注入工艺，Wb已达亚微米级； – (b)提高基区电场因子η，以增大常数λ。η取值3～11，可得最小的τb值。
IC β= IB
为导出β与α的关系，把IB＝IE-IC代入上式,可得
IC IC I E α β= = = I E IC 1 IC I E 1 α
前言 8
11-1， 4晶体管的输入和输出特 性
Ⅰ为线性工作 区，发射结处于正 偏，集电结处于反 偏； Ⅱ为饱和区，发 射结和集电结均处 于正偏； Ⅲ为截止区，发 射结和集电结都为 反偏。
1n
1n
1n
BVCER
BVCES
前言
18
11-1，四，基极电阻
由于基区很薄，基区存在 一定的电阻rb，在多子流 过基区时会产生压降，它 对晶体管的特性有影响， 如发射极电流集边效应， 放大、频率特性变差和基 极电阻引起的噪声等。
R b1d e R b 2 d eb R b 2 d Mb Rc rb = + + + d Mb le 12le 2le 12le
前言 5
11-1， 3.晶体管内载流子的传输及电流放
大系数
前言
6
*直流共基极电流放大系数
直流共基极电流放大系数的 定义为
IC α= IB
按照图3-4所示的输运过程，α由以下三个因子组成： 式中γ称为发射效率，也称注射比，它表示 注入到基区的电子电流与发射极总电流之比， β*称为基区输运系数 ，α*称为集电区倍增 因子 J J 1
第十一章双极型晶体管原理
11-1，双极晶体管直流特性
– – – – – 一，晶体管概述 二，直流特性和电流增益 三，反向电流 四，击穿电压 五，基极电阻
11-2，双极晶体管频率、功率特性 11-3，双极晶体管噪声、开关特性
前言，
1
第八章双极型晶体管原理
参考书：
双极型与MOS半导体器件原理
前言 17
11-1，三，反向电流和击穿电压
击穿电压：BVCE0、 BVCER、BVCEX、 BVCES
BVCEX
( Rb + rb ) I CB 0 = BVCB 0 1 VBB + VJ
( Rb + rb ) I CB 0 = BVCB 0 1 VJ rb I CB 0 = BVCB 0 1 VJ
黄均鼎 汤庭鳌 编著 复旦大学出版社
晶体管原理 半导体器件电子学（英文版）
美国，R.M.Warner, 电子工业出版社
前言， 2
11-1，双极晶体管直流特性
一，晶体管概述 二，直流特性和电流增益 三，反向电流 四，击穿电压 五，基极电阻
前言
3
11-1，一，晶体管概述： 1基本结构
1基本结构 2放大作用 3晶体管内 载流子的传 输及电流放 大系数 4晶体管的 输入和输出 特性
前言 4
11-1， 2放大作用
晶体管具有放大作用 是由于：
– (1)基区宽度很小，即 从发射区注入到基区 的载流子绝大部分可 到达集电区； – (2)发射结正偏，不仅 使结电阻很小，而且 基区中存在着大量由 发射区注入的少数载 流子； – (3)集电结反偏，结电 阻很大。