第三章--双极晶体管教案资料
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双极性晶体管讲义
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1 双极型晶体管的工作原理
均匀基区：少子扩散—扩散晶体管 缓变基区：扩散+漂移—漂移晶体管 合金晶体管：
铟球+N型鍺+铟球，熔化-冷却-析出形成 再结晶层，PNP,分布均匀 平面扩散晶体管
3.1 双极型晶体管的工作原理
• 发射区，基区杂质分布非均匀 • 发射结近似为突变结 • 集电结为缓变结
LE,LB,LC 发射区、基区、集电区的少子扩散长度
Pe0
发射区热平衡少子空穴浓度
Nb0
基区热平衡少子电子浓度
Pc0
集电区热平衡少子空穴浓度
3.2 少子分布
3.2.1 正向有源模式
3.2 少子分布
一 均匀基区晶体管（以npn为例）
假设： （采用一维理想模型） e,b,c三个区均匀掺杂，e,c结突变 e,c结为平行平面结，其面积相同，电流垂
无源器件（passive device） ：工作时不
需要外部能量源（Source Energy）的器件。电阻、电 容、电感、二极管。
有源器件（Active Device） ：
工作时需要外部能量源的器件，该器件至少有一个输出 ，并且是输入信号的一个函数。
如：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管 、结型场效应晶体管…
IC
A
qDnb nb0 Lnb
csc h
Wb Lnb
(e
qVeb
kT
1)
qDnb
nb0
Lnb
cth
Wb Lnb
qDpc pc0 Lpc
第三章双极晶体管2019124164733535
2019/11/7
半导体器件物理
28
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 发射区连续性方程为
d2nE nE nE0 0
dx2
L2n E
q V E B
发射区少子浓度的边界条件 nE(xE)nE0e k T
发射区少子的分布
nE(LnE )nE0
n E (x ) n E 0 n E 0(e qE V k BT 1 )e (x x E )L nE
• 通过发射结的空穴电流密度为
IE pA qL p p D p B B B 0[e ( qE V k B T 1 )cW L tp B h B (e qC V k B T 1 )ch sW L p B c ] B
• 通过集电结的空穴电流密度为
IC p A qL p p D p B B B 0[e ( qE V k B T 1 )ch sW L p B c B (e qC V k B T 1 )cW L tp B h ] B
集电区少子的分布
nC(LnC)nC0
n C (x ) n C 0 n C 0(eqC V k BT 1 )e(x C x)L n C
通过集电结的电子电流密度为
2019/11/7
JnC JnC (x)xxCqL n D nn C C C 0(eqC V k BT 1 )
半导体器件物理
P-N-P均匀基区 晶体管的物理 结构、杂质分 布、电场分布 和平衡态能带 图
半导体器件物理
13
2019/11/7
中国科学技术大学物理系微电子专业
P-N-P均匀基区 晶体管正常偏 置条件下的的 物理结构、杂 质分布、电场 分布和平衡态 能带图
半导体器件物理
第三章 BJT双极型晶体管
第三章 双极型晶体管
中国计量学院光电学院
晶体管——transistor 它是转换电阻transfer resistor的缩写 晶体管就是一个多重结的半导体器件 通常晶体管会与其他电路器件整合在一起， 以获得电压、电流或是信号功率增益
双极型晶体管（bipolar transistor）
IC 0 I E ICBO
(10)
理想BJT的静态特性
何谓静态？
静态电流 电压特性 各端点的电流方程式
五点假设
意味什么？
（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向 饱和电流可以忽略； （3）载流子注入属于小注入； （4）耗尽区中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。 用途：为推导理想晶体管电流、电压表达 式做准备！
从这个方程中可以看出，少数载流子分布趋近于一条直线。
那么整体PNP晶体管在放大模式下的少子分布究竟如何呢？
类似于基区的求解，可以求出发射区和集电区中的少子分布。
发射区和集电区中性区域的边界条件为：
nE ( x xE ) nE 0 e q VCB nC ( x xC ) nC 0 e
注意
载流子浓度 exp[(载流子能量) / kT ]
qVbi nn 0 n p 0 exp( ) kT qVbi p p 0 pn 0 exp( ) kT
热平衡时的PN结载流子浓度
基本上，假设在正向偏压的状况下，空穴由 发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的 方式穿过基区到达集基结，一旦我们确定了 少数载流子的分布（即N区中的空穴），就 可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。
基区输运 系数
发射效率
中国计量学院光电学院
晶体管——transistor 它是转换电阻transfer resistor的缩写 晶体管就是一个多重结的半导体器件 通常晶体管会与其他电路器件整合在一起， 以获得电压、电流或是信号功率增益
双极型晶体管（bipolar transistor）
IC 0 I E ICBO
(10)
理想BJT的静态特性
何谓静态？
静态电流 电压特性 各端点的电流方程式
五点假设
意味什么？
（1）晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂； （2）基区中的空穴漂移电流和集基极反向 饱和电流可以忽略； （3）载流子注入属于小注入； （4）耗尽区中没有产生-复合电流； （5）晶体管中无串联电阻。 用途：为推导理想晶体管电流、电压表达 式做准备！
从这个方程中可以看出，少数载流子分布趋近于一条直线。
那么整体PNP晶体管在放大模式下的少子分布究竟如何呢？
类似于基区的求解，可以求出发射区和集电区中的少子分布。
发射区和集电区中性区域的边界条件为：
nE ( x xE ) nE 0 e q VCB nC ( x xC ) nC 0 e
注意
载流子浓度 exp[(载流子能量) / kT ]
qVbi nn 0 n p 0 exp( ) kT qVbi p p 0 pn 0 exp( ) kT
热平衡时的PN结载流子浓度
基本上，假设在正向偏压的状况下，空穴由 发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的 方式穿过基区到达集基结，一旦我们确定了 少数载流子的分布（即N区中的空穴），就 可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。
基区输运 系数
发射效率
第三章双极型晶体管
ICn
电子电流 电子流
上式等号右边第一项称为
发射效率，是入射空穴电
流与总发射极电流的比，
即：
I E•
I Ep IE
I Ep I Ep＋I En
第二项称为基区输运系数，
是到达集电极的空穴电流量
与由发射极入射的空穴电流
量的比，即
T
I Cp I Ep
所以 0＝T
发射区 (P )
}I EP
I En
基区 (n) I BB
(d)n-p-n双级型集体管的电路符号
图 4.2
+
VEC
-
E+
发射区 基区 集电区
P
n
P
+C
VEB
-B-
VCB
(a)理想一维p-n-p双级型集体管
IE E
+
+ VEC - IC - C
VEB
VBC
- + IB
B
(b)p-n-p双级型集体管的电路符号
-
VCE
+
E
发射区 基区 集电区
P
n
P
C
VBE
++ B
I En I BB
I B I E IC I En (I EpICp ) ICn
晶体管中有一项重要的参数
，称为共基电流增益，定义
为
0
I Cp IE
IB
空穴电流 和空穴流
图4.5
因此，得到
＝
0
I
I Cp Ep＋I
En
＝
I Ep I Ep＋I En
I Cp I Ep
}
集电区(P)
半导体的基础知识教案
半导体的基础知识教案第一章：半导体概述1.1 半导体的定义与特性解释半导体的概念介绍半导体的物理特性讨论半导体的重要参数1.2 半导体的分类与制备说明半导体材料的分类探讨半导体材料的制备方法分析半导体器件的制备过程第二章：PN结与二极管2.1 PN结的形成与特性解释PN结的概念与形成过程探讨PN结的特性分析PN结的应用领域2.2 二极管的结构与工作原理介绍二极管的结构解释二极管的工作原理探讨二极管的主要参数与规格第三章：双极型晶体管（BJT）3.1 BJT的结构与分类解释BJT的概念介绍BJT的结构与分类分析BJT的运作原理3.2 BJT的特性与参数探讨BJT的输入输出特性讨论BJT的主要参数与规格分析BJT的应用领域第四章：场效应晶体管（FET）4.1 FET的结构与分类解释FET的概念介绍FET的结构与分类分析FET的运作原理4.2 FET的特性与参数探讨FET的输入输出特性讨论FET的主要参数与规格分析FET的应用领域第五章：半导体器件的应用5.1 半导体二极管的应用介绍半导体二极管的应用领域分析二极管在不同电路中的应用实例5.2 半导体晶体管的应用解释半导体晶体管在不同电路中的应用探讨晶体管在不同电子设备中的应用实例5.3 半导体集成电路的应用介绍半导体集成电路的概念分析集成电路在不同电子设备中的应用实例第六章：半导体存储器6.1 存储器概述解释存储器的作用与分类探讨半导体存储器的发展历程分析存储器的主要参数6.2 RAM与ROM介绍RAM（随机存取存储器）的原理与应用解释ROM（只读存储器）的原理与应用分析RAM与ROM的区别与联系6.3 闪存与固态硬盘探讨闪存（NAND/NOR）的原理与应用介绍固态硬盘（SSD）的结构与工作原理分析固态硬盘的优势与挑战第七章：太阳能电池与光电子器件7.1 太阳能电池解释太阳能电池的原理与分类探讨太阳能电池的优缺点分析太阳能电池的应用领域7.2 光电子器件解释光电子器件的分类与应用探讨光电子器件的发展趋势第八章：半导体传感器8.1 传感器的基本概念解释传感器的作用与分类探讨传感器的基本原理分析传感器的主要参数8.2 常见半导体传感器介绍常见的半导体传感器类型解释半导体传感器的原理与应用分析半导体传感器的优势与挑战8.3 传感器在物联网中的应用探讨物联网与传感器的关系介绍传感器在物联网应用中的实例分析物联网传感器的发展趋势第九章：半导体激光器与光通信9.1 半导体激光器解释半导体激光器的工作原理探讨半导体激光器的特性与参数分析半导体激光器的应用领域9.2 光通信原理解释光纤通信与无线光通信的区别探讨光通信系统的组成与工作原理9.3 光通信器件与技术介绍光通信器件的类型与功能解释光通信技术的分类与发展趋势分析光通信在现代通信系统中的应用第十章：半导体技术与未来趋势10.1 摩尔定律与半导体技术发展解释摩尔定律的概念与意义探讨摩尔定律对半导体技术发展的影响分析半导体技术的未来发展趋势10.2 纳米技术与半导体器件介绍纳米技术在半导体器件中的应用解释纳米半导体器件的特性与优势探讨纳米半导体器件的未来发展趋势10.3 新兴半导体技术与应用分析新兴半导体技术的种类与应用领域探讨量子计算、生物半导体等未来技术的发展前景预测半导体技术与产业的未来发展趋势重点和难点解析重点环节一：半导体的定义与特性重点环节二：半导体的分类与制备重点环节三：PN结与二极管重点环节四：双极型晶体管（BJT）重点环节五：场效应晶体管（FET）重点环节六：半导体存储器重点环节七：太阳能电池与光电子器件重点环节八：半导体传感器重点环节九：半导体激光器与光通信重点环节十：半导体技术与未来趋势全文总结和概括：本文主要对半导体的基础知识进行了深入的解析，包括半导体材料的分类与特性、半导体的制备方法、PN结与二极管、双极型晶体管（BJT）、场效应晶体管（FET）、半导体存储器、太阳能电池与光电子器件、半导体传感器、半导体激光器与光通信以及半导体技术与未来趋势等内容进行了详细的阐述。
《双极型晶体管》课件
作。
工艺参数优化
温度控制
在制造过程中，温度是一个重要的工艺参数。适当的温度可以保证 材料的性质和工艺的稳定性。
时间控制
各工艺步骤所需的时间对晶体管的性能也有影响，需要进行精确控 制。
压力与气氛控制
在制造过程中，压力和气氛也是关键的工艺参数。例如，在氧化、蒸 发和腐蚀等步骤中，需要严格控制反应气氛的种类和浓度。
将半导体材料清洗干净并进行 切割，得到可用于制造晶体管
的芯片。
氧化与蒸发
通过氧化和蒸发工艺，在芯片 表面形成一层薄膜，作为晶体 管的介质层。
光刻与腐蚀
通过光刻技术将电路图案转移 到芯片表面，然后进行腐蚀， 形成晶体管的各个电极。
焊接与封装
将各电极通过焊接工艺连接起 来，并将芯片封装在适当的壳 体中，完成双极型晶体管的制
输出特性
总结词
描述了双极型晶体管输出端与集电极电流之间的关系。
详细描述
输出特性曲线反映了集电极电流与输出电压之间的关系，随着集电极电流的增 加，输出电压逐渐减小，表现出负阻特性。
转移特性
总结词
描述了双极型晶体管输入、输出特性的相互影响。
详细描述
转移特性曲线反映了基极电流与集电极电流之间的关系，随着基极电流的增加， 集电极电流也相应增加，表现出良好的线性关系。
工作原理
当在基极上施加电压时，电流从 集电极流向发射极，实现放大或 开关功能。
双极型晶体管的特点
01
02
03Leabharlann 高放大倍数双极型晶体管具有较高的 电流放大倍数，通常在 100-1000倍之间。
低噪声性能
双极型晶体管在低频和高 频应用中表现出良好的噪 声性能。
高速开关
双极型晶体管具有快速开 关速度，适用于高频信号 处理和开关电路。
工艺参数优化
温度控制
在制造过程中，温度是一个重要的工艺参数。适当的温度可以保证 材料的性质和工艺的稳定性。
时间控制
各工艺步骤所需的时间对晶体管的性能也有影响，需要进行精确控 制。
压力与气氛控制
在制造过程中，压力和气氛也是关键的工艺参数。例如，在氧化、蒸 发和腐蚀等步骤中，需要严格控制反应气氛的种类和浓度。
将半导体材料清洗干净并进行 切割，得到可用于制造晶体管
的芯片。
氧化与蒸发
通过氧化和蒸发工艺，在芯片 表面形成一层薄膜，作为晶体 管的介质层。
光刻与腐蚀
通过光刻技术将电路图案转移 到芯片表面，然后进行腐蚀， 形成晶体管的各个电极。
焊接与封装
将各电极通过焊接工艺连接起 来，并将芯片封装在适当的壳 体中，完成双极型晶体管的制
输出特性
总结词
描述了双极型晶体管输出端与集电极电流之间的关系。
详细描述
输出特性曲线反映了集电极电流与输出电压之间的关系，随着集电极电流的增 加，输出电压逐渐减小，表现出负阻特性。
转移特性
总结词
描述了双极型晶体管输入、输出特性的相互影响。
详细描述
转移特性曲线反映了基极电流与集电极电流之间的关系，随着基极电流的增加， 集电极电流也相应增加，表现出良好的线性关系。
工作原理
当在基极上施加电压时，电流从 集电极流向发射极，实现放大或 开关功能。
双极型晶体管的特点
01
02
03Leabharlann 高放大倍数双极型晶体管具有较高的 电流放大倍数，通常在 100-1000倍之间。
低噪声性能
双极型晶体管在低频和高 频应用中表现出良好的噪 声性能。
高速开关
双极型晶体管具有快速开 关速度，适用于高频信号 处理和开关电路。
《双极型晶体管》课件
双极型晶体管的种类
种类
根据结构和工作原理的不同，双极型晶体管可分为NPN型和 PNP型两大类，每种类型又有多种不同的器件结构和用途。
应用领域
双极型晶体管广泛应用于电子设备、通信、计算机、家电等 领域，作为信号放大、开关、稳压、震荡等电路的核心元件 。
02
双极型晶体管的特性
电流-电压特性
基极电流（Ib）
封装与测试
封装形式
双极型晶体管有多种封装形式，如TO-92 、TO-220等，根据应用需求选择合适的 封装形式。
VS
测试方法
对双极型晶体管进行电气性能测试，如电 流放大倍数、集电极电阻等，以确保其性 能符合要求。
05
双极型晶体管的展望
新材料的应用
硅基材料
继续优化硅基双极型晶体管性能，探索更高 频率、更高功率密度和更低噪声的晶体管。
01
导通状态
当基极输入足够大的电流时，晶体 管进入饱和导通状态。
开关速度
晶体管在导通和关断状态之间切换 的速度。
03
02
关断状态
当基极输入负偏置电压或无电流时 ，晶体管处于截止状态。
延迟时间
从基极输入信号到晶体管完全导通 所需的时间。
04
03
双极型晶体管的应用
放大器
总结词
双极型晶体管具有电流放大作用，是放大器中的核心元件。
工作原理
双极型晶体管利用电子和空穴两种载 流子参与导电，通过控制基极电流来 调节集电极和发射极之间的电流，实 现信号放大、开关等作用。
双极型晶体管的结构
结构
双极型晶体管由半导体材料制成，通 常采用NPN或PNP结构，由三个区域 （基区、集电区和发射区）和三个电 极组成。
第3章 双极结型晶体管(二)
基极接触
n
p
发射极
分析： 交叉指状电极能有效克服电流集聚 效应？
型基极 型集电极
n
发射极接触
图5-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图
5.7基区宽度调变效应
1.问题的提出
IC 0 IC IB 1 1 hFE I B I CE 0
图5-8 （b）共发射极情形
5.7基区宽度调变效应
VE 0， VC 0
VE VT
n p x B 0
n p xB n p0 eVC VT
E
(3)饱和工作模式：
相应的边界条件为: np 0 (4) 截止工作模式: VE <0， VC <0 相应的边界条件为:
n p0eV
VT
n p xB n p0 eVC VT
2.基区宽度调变效应的分析：
前面的讨论中默认有效基区宽度是 1)
x B 不变的，实际上 x B 是集电结偏压的函数。
hFE 的变化：
hFE 2L2 T T 2n 1 1 T 1 T xB
（3-60）
2 共发射极电流增益正比于 x B ，当 VCE 增加时，集电结空间电荷区展宽，使
I n qAnp xvx
（5-67）
dx vxdt
一个电子渡过基区所需要的时间
B
xB
0
xB qAnp x dx dx 0 v x In
（5-68）
5.8晶体管的频率响应
根据（5-55）式
1 B Dn
xB
0
dx xB N a x dx x N a x
0 1 j
，
（5-62）
n
p
发射极
分析： 交叉指状电极能有效克服电流集聚 效应？
型基极 型集电极
n
发射极接触
图5-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图
5.7基区宽度调变效应
1.问题的提出
IC 0 IC IB 1 1 hFE I B I CE 0
图5-8 （b）共发射极情形
5.7基区宽度调变效应
VE 0， VC 0
VE VT
n p x B 0
n p xB n p0 eVC VT
E
(3)饱和工作模式：
相应的边界条件为: np 0 (4) 截止工作模式: VE <0， VC <0 相应的边界条件为:
n p0eV
VT
n p xB n p0 eVC VT
2.基区宽度调变效应的分析：
前面的讨论中默认有效基区宽度是 1)
x B 不变的，实际上 x B 是集电结偏压的函数。
hFE 的变化：
hFE 2L2 T T 2n 1 1 T 1 T xB
（3-60）
2 共发射极电流增益正比于 x B ，当 VCE 增加时，集电结空间电荷区展宽，使
I n qAnp xvx
（5-67）
dx vxdt
一个电子渡过基区所需要的时间
B
xB
0
xB qAnp x dx dx 0 v x In
（5-68）
5.8晶体管的频率响应
根据（5-55）式
1 B Dn
xB
0
dx xB N a x dx x N a x
0 1 j
，
（5-62）
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16
以共基极连接为例，采用一维理想模型 发射结正向偏置，集电结反向偏置
WB
Ine
Inc
Ir
IE
IC
Ipe
ICB
IB
O
17
坐标：
发
发
集
射
发射区 射 基区 电
极
结
结
We
0 Wb
基极
集
集电区
电
极
Wc
18
一、少数载流子分布
（1）基区“少子”电 子密度分布
nB(x)
0
WB
nb xnb0nb0eqVBEkT1shW sL bh n bx W b Ln nbb0eqVBCkT1shLxnb
21
3.3 晶体管的直流电流增益
二、电流密度分布函数
jnBxqD L n n B B nB 0
eqV bekT1ch W L Bn Bx eqV bckT1ch L x nB shW BL nB
jn E jn B0 q D L n n B B n B 0 e q V b ek T 1 c th W L n B B e q V b ck T 1 c s c h W L n B B
0qDpEpE0 LpE
eqVbe kT1
jpCjpC
0qD pCpC0 LpC
eqVbc kT1
23
3.3 晶体管的直流电流增益
24
3.3 晶体管的直流电流增益
1pB1pB0WB nEnE0WE
11EWB BWE
2.基区输运系数β*
*
1
W
2 B
2 L2nB
三、直流电流增益
1.发射效率γ0 25
0IIC EIInE eIIn nceIIn C c 0
0
2.共射极直流电流放大系数 IC
0
IC IB
IC IE IC
IE 1 IC
0 10
IE
13
晶体管放大三要素： ① Wb<<Lnb，实现不衰减的电流传输。 ②发射结为单边结，NE>>NB 。 ③发射结正向偏置，集电结反向偏置。
14
第三章--双极晶体管
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
3.1.1晶体管的基本结构 由两个靠得很近的背靠背的PN结构成
c
b e
PNP
c
b e
NPN
2
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
3.1.2 BJT的杂质分布 1.锗合金管-均匀基区晶体管 特点： 三个区杂质均匀分布 2结为突变结
2.硅平面管-缓变基区晶体管 特点： E、B区杂质非均匀分布 2结为缓变结
能带图
9
NPN晶体管的电流转换
Ine:发射结正向注入电子电流 Irb:基区复合电流
Icbo:集电结反向饱和电流
Ipe:发射结反向注入空穴电流 Inc:集电结电子电流
IE Ipe Ine ICInc Icbo IBIpeIrbIcbo
Ine Inc Irb
IE IBIC
10
3.2.2、发射效率及基区输运系数
19
3.3 晶体管的直流电流增益
一、少数载流子分布
（2）发射区少数载 流子分布
pE(x)
x
0
p Ex p E 0 p E 0e q V b ek T 1 e x L p E
20
3.3 晶体管的直流电流增益
一、少数载流子分布
（3）、集电区少数载 流子分布
pC(x)
0
x
p C x p C 0 p C 0e q V b ck T 1 e x L p C
3.3 晶体管的直流电流增益
3、共基极电流增益
0
0
(1
1
Dpe
NBWb
)
1
Wb2 2L2nb
1
Dpe NBWb Dnb NEWe
Wb2 2L2nb
Dnb NEWe
或者
( 1
1
eWb
)
1
Wb2 2L2nb
1
eWb bWe
1
Wb2 2L2nb
bWe
1 eWb Wb2 bWe 2L2nb
jn c jn B W B q D L n n B B n B 0 e q V b ek T 1 c s c h W L n B B e q V b ck T 1 c th W L n B B
22
3.3 晶体管的直流电流增益
jpEjpE
NPN晶体管的几种组态
共基极 共射极 共集电极
0 0
IC
I I
E C
IB
共基e 极
N
共b 发射极
P
共收集极 N c
晶体管的共集电极接法
7
3.2.1、晶体管中载流子的传输
以共基极为例：
WB
1、发射结的注入
2、基区的输运与 复合
Ine
Inc
3、集电极的收集
Ir
IE
IC
Ipe
ICBO
IB 8
各区少子分布
EBxkqTNB1xdNdBxx
x
NB x NB 0e WB
其中： NB 0 : 基区发射结边界处杂质浓度
: 基区电场因子（无量纲）
26
4、共射极电流增益
01 00110 b eW W b e2 W L b 2 n 2b1
27
3.3 晶体管的直流电流增益
3.3.2 缓变基区晶体管的电流增益
一、缓变基区晶体管基区自建电场
基 区 自 建 电 场
对 载 流 子 的 影 响
多子：维持分布 少子：阻滞、加速
28
3.3 晶体管的直流电流增益
3.3 晶体管的直流电流增益
任务：导出α0、β0的定量关系式
0 0 0
0
1
1 I pe
I ne
0
0 10
0
1
I rb I ne
15
3.3.1 均匀基区晶体管的电流增益 均匀基区晶体管直流电流增益推导思路
A、对发射区、基区、集电区分别建立扩散方程 B、利用波尔兹曼分布关系建立边界条件 C、解扩散方程得到各区少子分布函数 D、利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数 E、由电流密度分布函数得到jne , jnc , jpe 。 F、求出发射效率和输运系数 G、得到共基极和共射极电流放大系数
3
4
5
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
“背靠背”的2个二极管有放大作用吗？
发
发
集
集
射
发射区 射 基区 电 集电区
电
极
结
结
极
基极
3.1.3、结构特点 （1）基区宽度远小于基区少子扩散长度
(WB << L) （2）发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度
( NE >> NB )
6
3.2 晶体管的放大原理
1、发射效率γ0
0
Ine IE
Ine Ine Ipe
1 1IpeBiblioteka IneI pe I ne
，则 0
11
2、基区输运系数β*
0IIn nce
IneIrb Ine
1Irb Ine
Irb Ine
，则0
3、集电区倍增因子 *
Ic B1
I nc
12
3.2.3、晶体管电流放大系数
1.共基极直流电流放大系数
以共基极连接为例，采用一维理想模型 发射结正向偏置，集电结反向偏置
WB
Ine
Inc
Ir
IE
IC
Ipe
ICB
IB
O
17
坐标：
发
发
集
射
发射区 射 基区 电
极
结
结
We
0 Wb
基极
集
集电区
电
极
Wc
18
一、少数载流子分布
（1）基区“少子”电 子密度分布
nB(x)
0
WB
nb xnb0nb0eqVBEkT1shW sL bh n bx W b Ln nbb0eqVBCkT1shLxnb
21
3.3 晶体管的直流电流增益
二、电流密度分布函数
jnBxqD L n n B B nB 0
eqV bekT1ch W L Bn Bx eqV bckT1ch L x nB shW BL nB
jn E jn B0 q D L n n B B n B 0 e q V b ek T 1 c th W L n B B e q V b ck T 1 c s c h W L n B B
0qDpEpE0 LpE
eqVbe kT1
jpCjpC
0qD pCpC0 LpC
eqVbc kT1
23
3.3 晶体管的直流电流增益
24
3.3 晶体管的直流电流增益
1pB1pB0WB nEnE0WE
11EWB BWE
2.基区输运系数β*
*
1
W
2 B
2 L2nB
三、直流电流增益
1.发射效率γ0 25
0IIC EIInE eIIn nceIIn C c 0
0
2.共射极直流电流放大系数 IC
0
IC IB
IC IE IC
IE 1 IC
0 10
IE
13
晶体管放大三要素： ① Wb<<Lnb，实现不衰减的电流传输。 ②发射结为单边结，NE>>NB 。 ③发射结正向偏置，集电结反向偏置。
14
第三章--双极晶体管
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
3.1.1晶体管的基本结构 由两个靠得很近的背靠背的PN结构成
c
b e
PNP
c
b e
NPN
2
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
3.1.2 BJT的杂质分布 1.锗合金管-均匀基区晶体管 特点： 三个区杂质均匀分布 2结为突变结
2.硅平面管-缓变基区晶体管 特点： E、B区杂质非均匀分布 2结为缓变结
能带图
9
NPN晶体管的电流转换
Ine:发射结正向注入电子电流 Irb:基区复合电流
Icbo:集电结反向饱和电流
Ipe:发射结反向注入空穴电流 Inc:集电结电子电流
IE Ipe Ine ICInc Icbo IBIpeIrbIcbo
Ine Inc Irb
IE IBIC
10
3.2.2、发射效率及基区输运系数
19
3.3 晶体管的直流电流增益
一、少数载流子分布
（2）发射区少数载 流子分布
pE(x)
x
0
p Ex p E 0 p E 0e q V b ek T 1 e x L p E
20
3.3 晶体管的直流电流增益
一、少数载流子分布
（3）、集电区少数载 流子分布
pC(x)
0
x
p C x p C 0 p C 0e q V b ck T 1 e x L p C
3.3 晶体管的直流电流增益
3、共基极电流增益
0
0
(1
1
Dpe
NBWb
)
1
Wb2 2L2nb
1
Dpe NBWb Dnb NEWe
Wb2 2L2nb
Dnb NEWe
或者
( 1
1
eWb
)
1
Wb2 2L2nb
1
eWb bWe
1
Wb2 2L2nb
bWe
1 eWb Wb2 bWe 2L2nb
jn c jn B W B q D L n n B B n B 0 e q V b ek T 1 c s c h W L n B B e q V b ck T 1 c th W L n B B
22
3.3 晶体管的直流电流增益
jpEjpE
NPN晶体管的几种组态
共基极 共射极 共集电极
0 0
IC
I I
E C
IB
共基e 极
N
共b 发射极
P
共收集极 N c
晶体管的共集电极接法
7
3.2.1、晶体管中载流子的传输
以共基极为例：
WB
1、发射结的注入
2、基区的输运与 复合
Ine
Inc
3、集电极的收集
Ir
IE
IC
Ipe
ICBO
IB 8
各区少子分布
EBxkqTNB1xdNdBxx
x
NB x NB 0e WB
其中： NB 0 : 基区发射结边界处杂质浓度
: 基区电场因子（无量纲）
26
4、共射极电流增益
01 00110 b eW W b e2 W L b 2 n 2b1
27
3.3 晶体管的直流电流增益
3.3.2 缓变基区晶体管的电流增益
一、缓变基区晶体管基区自建电场
基 区 自 建 电 场
对 载 流 子 的 影 响
多子：维持分布 少子：阻滞、加速
28
3.3 晶体管的直流电流增益
3.3 晶体管的直流电流增益
任务：导出α0、β0的定量关系式
0 0 0
0
1
1 I pe
I ne
0
0 10
0
1
I rb I ne
15
3.3.1 均匀基区晶体管的电流增益 均匀基区晶体管直流电流增益推导思路
A、对发射区、基区、集电区分别建立扩散方程 B、利用波尔兹曼分布关系建立边界条件 C、解扩散方程得到各区少子分布函数 D、利用少子分布函数求出各区电流密度分布函数 E、由电流密度分布函数得到jne , jnc , jpe 。 F、求出发射效率和输运系数 G、得到共基极和共射极电流放大系数
3
4
5
3.1 晶体管的基本结构及杂质分布
“背靠背”的2个二极管有放大作用吗？
发
发
集
集
射
发射区 射 基区 电 集电区
电
极
结
结
极
基极
3.1.3、结构特点 （1）基区宽度远小于基区少子扩散长度
(WB << L) （2）发射区杂质浓度远大于基区杂质浓度
( NE >> NB )
6
3.2 晶体管的放大原理
1、发射效率γ0
0
Ine IE
Ine Ine Ipe
1 1IpeBiblioteka IneI pe I ne
，则 0
11
2、基区输运系数β*
0IIn nce
IneIrb Ine
1Irb Ine
Irb Ine
，则0
3、集电区倍增因子 *
Ic B1
I nc
12
3.2.3、晶体管电流放大系数
1.共基极直流电流放大系数