第三章双极型晶体管的频率知识讲解
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双极型晶体管知识讲座
双极型晶体管知识讲座大家好，今天我想给大家讲一下双极型晶体管的知识。
双极型晶体管是一种常见的晶体管器件，也是现代电子技术中非常重要的一部分。
它由两个PN结组成，其中一段是N型材料，另一段是P型材料。
这两个节电之间的区域称为基区。
首先，我们来讨论一下P型材料。
P型材料是由掺入一些三价元素（如硼）形成的，这些元素减少了材料中自由电子的数量，同时增加了正电荷的载流子（空穴）的数量。
在P型材料中，有大量的正电荷载流子，而几乎没有自由电子。
接下来，我们来讨论一下N型材料。
N型材料是由掺入一些五价元素（如磷）形成的，这些元素增加了材料中自由电子的数量，同时减少了正电荷的载流子（空穴）的数量。
在N型材料中，有大量的自由电子，而几乎没有正电荷载流子。
当P型材料和N型材料通过PN结连接在一起时，一个重要的现象就出现了，那就是电子和空穴会互相扩散。
这种现象被称为扩散效应。
当电子和空穴扩散到PN结的对面时，电位差会发生改变，从而形成了一个电场。
这个电场被称为内建电场。
当我们给PN结提供一个外部电压时，就可以改变内建电场的强度。
当外部电压为正时，也就是正向偏置，内建电场会被削弱，电子和空穴可以很容易地通过PN结相互扩散。
这时，PN结的电阻会变得非常小，电流可以流过PN结，晶体管就处于导通状态。
相反地，当外部电压为负时，也就是反向偏置，外部电压会增强内建电场，从而阻止电子和空穴扩散。
这时，PN结的电阻会变得非常大，电流无法流过PN结，晶体管就处于截止状态。
通过控制基区的电压，我们可以控制晶体管的工作状态，从而实现信号的放大和开关控制。
双极型晶体管在现代电子电路中广泛应用，如放大器、开关电路、振荡器等。
总结一下，双极型晶体管是一种由PN结组成的器件。
它通过控制基区的电压来控制晶体管的工作状态。
在正向偏置下，晶体管导通；在负向偏置下，晶体管截止。
双极型晶体管在电子电路中扮演着重要的角色，为我们的现代科技奠定了坚实的基础。
谢谢大家！双极型晶体管（BJT）广泛应用于电子行业中，在多种电子电路中都扮演着关键角色。
双极性晶体管讲义
令X=0，得 通过发射结电子电流为
Jnb (0)
qDnb nb0 Lnb
(e
qVeb
kT
1)cth
Wb Lnb
csc h
Wb Lnb
X=Wb，得 到达集电结电子电流为
Jnb (Wb )
qDnb nb0 Lnb
(eqVeb
kT
1) csc h
3.1 双极型晶体管的工作原理
VCC=ICRC+VCB+VBE=VR+VCE
当VCC足够大，VR较小时，VCB>0 此时正向有源。 IC增大， VR增大，VCB减小，C结零偏 准饱和，C结反偏饱和 饱和时集电极电流不受控于VBE！
3.1 双极型晶体管的工作原理
3.1.3 双极晶体管放大电路
Nb
( x)dx
•基区杂质指数分布
x
Nb (x) Nb (0)e Wb
其中 为电场因子 ln Nb(0) Nb (Wb )
•对不同 η (η=0为均匀基区）做基区电子归一化浓 度分布曲线如图
由图可见：当η较大时，随着 x nb (x)
→
dnb (x) dx
扩散电流增加，漂移电流减少，但二者之和不变。
得 Ae Ac A
IE
A
qDnb nb0 Lnb
cth
Wb Lnb
qDpe pe0 Lpe
(eqVeb
kT
1)
qDnb nb0 Lnb
csc
h
双极型晶体管知识讲座(ppt 52页)
2.晶体管的电流分配
③③hfb(与)与h之f=e(1间)－之的间的关关系系
联立下面三式可求出此关系式：
iC= iB iC= iE iE = iC + iB 请同学们自己推导
N
P
IEP
e IE
－ IEN
IBN
VEE
空穴
+ IB b
电子
N
IC c + ICVBOCC
电流方向
IE = IB + IC
二、晶体管的电流分配 基极电流IB: 基极电流主要由基
与放大作用
区的空穴 与从发射区扩散 过来的
1.晶体管各PN结电压连 电子复合而成。同时电源VEE又不
接的一般特性
断地从基区中把电子拉走, 维持基
2.晶体管的电流分配
区有一定数量的空穴。
N
P
IEP
e IE
－ IEN
IBN
VEE
空穴
+ IB b
电子
N ICN
大功 率低 频三 极管
中功 率低 频三 极管
小功 率高 频三 极管
•2 返回
本 半导体三极管的结构
节
学学 晶 体 三 极 管 的 放 大 原 理 习习 要要 共 射 电 路 输 入 特 性 曲 线 的 意 义 点点 和 共射电路输出特性曲线的意义
要
求 晶体三极管常用参数的意义
•3 返回
一、晶体管结构简介
小的信号(如微小变化的电压、微小变
3.放大作用 (1)共射极放大电路
(2)共射电路的电压放大
化的电流）转换成较大变化的信号。 要使三继续极管有放大作返用回,必须与一些阻 容元输件出按电一流定变的化方量式为连接成电路,称为
③③hfb(与)与h之f=e(1间)－之的间的关关系系
联立下面三式可求出此关系式：
iC= iB iC= iE iE = iC + iB 请同学们自己推导
N
P
IEP
e IE
－ IEN
IBN
VEE
空穴
+ IB b
电子
N
IC c + ICVBOCC
电流方向
IE = IB + IC
二、晶体管的电流分配 基极电流IB: 基极电流主要由基
与放大作用
区的空穴 与从发射区扩散 过来的
1.晶体管各PN结电压连 电子复合而成。同时电源VEE又不
接的一般特性
断地从基区中把电子拉走, 维持基
2.晶体管的电流分配
区有一定数量的空穴。
N
P
IEP
e IE
－ IEN
IBN
VEE
空穴
+ IB b
电子
N ICN
大功 率低 频三 极管
中功 率低 频三 极管
小功 率高 频三 极管
•2 返回
本 半导体三极管的结构
节
学学 晶 体 三 极 管 的 放 大 原 理 习习 要要 共 射 电 路 输 入 特 性 曲 线 的 意 义 点点 和 共射电路输出特性曲线的意义
要
求 晶体三极管常用参数的意义
•3 返回
一、晶体管结构简介
小的信号(如微小变化的电压、微小变
3.放大作用 (1)共射极放大电路
(2)共射电路的电压放大
化的电流）转换成较大变化的信号。 要使三继续极管有放大作返用回,必须与一些阻 容元输件出按电一流定变的化方量式为连接成电路,称为
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)
第三章讲义双极型晶体管
发射区少子空穴寿命 p 随着俄歇复合的增加而降低。
A Cn1n02 NS， i 俄歇复合寿命
111
p T A
俄歇复合
通过复合中心复合
少子空穴寿命缩短使注入到发射区的空穴增加，发射效率↓。
3.基区表面复合
表面复合对基区输运系数的影响可表示为
0 *IneIIn rb eIsb1IIn rb eIIn sb e
3.3.4影响电流放大系数的因素
1. 发射结势垒复合对电流放大系数的影响
Ine
Ine
1
Ie IneIpeIre 1Ipe Ire
Ine Ine
考虑势垒复合
电流Ire后，小 电流下的电流
放大系数降低，
大电流下Ire可 以忽略。
2. 发射区重掺杂效应对电流放大系数的影响
发射区过重的掺杂不仅不能提高发射效率，反而使发射效率降低
E、得到共基极和共射极 电流放大系数
3.3 晶体管的直流电流增益
四、电流增益 （1）发射效率
1
1
1 pB N BWB 1 E WB
nE N EWE
B WE
其 中 平 均 杂 质 浓 度 ：N B
1 WB
WB 0
N
B
x
dx
1 0
N E WE N WE E x dx
3.3 晶体管的直流电流增益
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
第三章 双极晶体管
第三章 双极晶体管
晶体管(半导体三极管)是由两个PN结构成 的三端器件，由于两个PN结靠得很近，它具有放 大电信号的能力，因此在电子电路中获得了更广 泛的应用。 晶体管按使用要求的不同一般分为高頻管和 低頻管,小功率管和大功率管,高反压管和开关管 等。 低频小功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率小于1W的晶体管，主要用于各种电子 设备中的低放、功放管。
I E I C I CBO
共基极直流电流放大系数：
（3-101）
I C I B
I Cn IE
（3-102）
共发射极直流电流放大系数 ：
I C I E I C
1
（3-103）
• 在共基极运用时：
I c I E
GV
Gp
Vout Vin
（3-110）
基区输运系数
（3-105）
I En
（3-106）
：
I cn I En I vb I vb 1 I En I En I En
集电区倍增因子 ：
' I cn I cp
I cn
cp pc cp 1 1 1 （3-107） I cn cn nc cp
2. 晶体管的放大机理 （1）晶体管的直流电流放大系数
工作在放大状态的NPN管终端电流
I E I En I Ep I ER
I C I cn I CBO
I B I Ep I ER ( I En I cn ) ICB 0
I E IC I B 0
其两个PN结分别称为发射结和集电结， 两个结将晶体管分为发射区,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。
晶体管(半导体三极管)是由两个PN结构成 的三端器件，由于两个PN结靠得很近，它具有放 大电信号的能力，因此在电子电路中获得了更广 泛的应用。 晶体管按使用要求的不同一般分为高頻管和 低頻管,小功率管和大功率管,高反压管和开关管 等。 低频小功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率小于1W的晶体管，主要用于各种电子 设备中的低放、功放管。
I E I C I CBO
共基极直流电流放大系数：
（3-101）
I C I B
I Cn IE
（3-102）
共发射极直流电流放大系数 ：
I C I E I C
1
（3-103）
• 在共基极运用时：
I c I E
GV
Gp
Vout Vin
（3-110）
基区输运系数
（3-105）
I En
（3-106）
：
I cn I En I vb I vb 1 I En I En I En
集电区倍增因子 ：
' I cn I cp
I cn
cp pc cp 1 1 1 （3-107） I cn cn nc cp
2. 晶体管的放大机理 （1）晶体管的直流电流放大系数
工作在放大状态的NPN管终端电流
I E I En I Ep I ER
I C I cn I CBO
I B I Ep I ER ( I En I cn ) ICB 0
I E IC I B 0
其两个PN结分别称为发射结和集电结， 两个结将晶体管分为发射区,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。
《模拟电子技术基础》第3章 双极型晶体管及其基本放大电路
3.2 双极型晶体管
3.2.4 晶体管的共射特性曲线
2.输出特性曲线—— iC=f(uCE) IB=const
以IB为参变量的一族特性曲线
(1)当UCE=0V时，因集电极无收集
作用，IC=0；
(2)随着uCE 的增大，集电区收集电
子的能力逐渐增强，iC 随着uCE 增加而
增加；
(3)当uCE 增加到使集电结反偏电压
电压，集电结应加反向偏置电压。
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
1. 晶体管内部载流子的传输
如何保证注入的载流
子尽可能地到达集电区？
P
N
IE=IEN + IEP
IEN >> IEP
IC= ICN +ICBO
ICN= IEN – IBN
IEN>> IBN
ICN>>IBN
N
IEP
IE
3. 晶体管的电流放大系数
(1) 共基极直流电流放大系数
通常把被集电区收集的电子所形成的电流ICN 与发射极电流
IE之比称为共基电极直流电流放大系数。
ത
I CN
IE
由于IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN，且ICN>> IBN，ICN>>IEP。通常ത
的值小于1，但≈1，一般
ത
为0.9-0.99。
ത
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
3. 晶体管的电流放大系数
(2) 共射极直流电流放大系数
I C I CN I CBO I E I CBO ( I C I B ) I CBO
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频高 率频 特参 性数
均匀基区晶体管 交流电流-电压方程
12
一、均匀基区晶体管（以npn管为例）
一维连续性方程：n jn n t x n
扩散定律：
jn (x)
Dn
dn dx
一维扩散方程：n t
Dn
2n x 2
n n
在交流信号作用下基区电子的一维扩散方程：
2nbx(2x,t)nb(xL ,t2n)bnb0
nE neejt
边界条件：x=Wb
nb(W b)nCncejt
其中：
nC
n
0 b
e
q
V
C
kT
nc
nC
qu c kT
15
n1
(
x,
t
)
[
nc 2
sh
n e CnWb e
(CnWb )
eCnx
n eCnWb e
nc
2sh(CnWb )
eCn x ]e jt
VC
kT q
nc
0
n1(x, t)
ne
1 nb(x,t) Dnb t
nb(x,t)n0(x)n1(x,t)n0(x)n1(x)ejt
13
2n0 (x) x 2
n0 (x) nb0 L2nb
0
2n1(x)e jt x 2
n1 ( x)e L2nb
jt
j
Dnb
n1(x)e jt
d
2 n1 ( x) dx2
n1 ( x)
1
j
L2nb
nb
3CG101C 100 30
3DG123C 500 50
3DD101D 5W
5A
3DK100B 100 30
3DK23G 250W 30A
反向特性
VRCBO V
20 40 45 40 300 25 400
VRCEO V 12 24
30 250 15 325
VREBO V
4
I C BO μA
≤6 ≤6 0.1 0.35 ≤2mA ≤0.1
8
二、晶体管的频率参数
9
§ 3.2 晶体管的交流特性分析
晶体管在实际应用时大多是在直流偏压上叠加 上交流小信号，即作用在结上的总电压应为交、直 流两部分电压之和，如果所叠加的交流信号为正弦 波，则
作用在发射结上的总电压为： V e V E u e (t V )E u eej t
作用在集电结上的总电压为： V c V C u c(t ) V C u cejω t
第三章 双极型晶体管的频率特性
在实际运用中，晶体管大多数都是在直流偏压下放大 交流信号。随着工作频率的增加，晶体管内部各个部位的 电容效应将起着越来越重要的作用，因而致使晶体管的特 性发生明显的变化。
本章讨论在高频信号作用下晶体管的哪些特性参数发 生什么样的变化以及这些这些变化与工作频率的关系等， 以便能更好地认识高频下晶体管特性的变化规律，更重要 的是了解应设计制造什么样的晶体管以满足高频工作条件 的要求。为此，首先介绍晶体管高频工作下的特殊参数， 然后再讨论这些参数与结构、工作条件的关系等。
5
§ 3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数
一、交流短路电流放大系数
共基极交流短路电流放大系数：
ic ie
共发射极极交流短路电流放大系数： ic ib
两者之间的关系：
1
1
6
二、晶体管的频率参数
截止频率 f： 共基极电流放大系数减小到低频值的 1 2 所对应的频率值
f f
0
[eCn (Wb x)
2sh(CnWb )
eCn (Wb x) ]e jt
shCn (Wb x) sh(CnWb )
nee jt
nb(x,t)nb0eqVE kT(1W xb)shshn(CC (W nW bb)x)neejt
nE(1W xb)shshn(CC (W nW bb)x)nE
que ejt kT
fT MHz *≥ 8 *≥ 8 100
300 8
注：*为 f
3
第三章 双极型晶体管的频率特性
§3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数 §3.2 晶体管的交流特性分析 §3.3 晶体管的高频参数及等效电路 §3.4 高频下晶体管中载流子的输运及中间参数 §3.5 晶体管电流放大系数的频率关系 §3.6 晶体管的高频功率增益 §3.7 工作条件对晶体管fT、KPm的影响
0 2
截止频率 f ：共发射极电流放大系数减小到低频值的 1 2 所对应的频率值
f f
0
0 2
7
二、晶体管的频率参数
特征频率fT：共发射极交流短路电流放大系数为1时 对应的工作频率 f fT
0 1
最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率 f fM时，
功率K 增 p益 输 输出 入信 信pp 号 号 oi ＝ （ 1功 功 0dB 率 率 ）
16
通过基区的电子电流密度交流分量
jn(x,t)qD nbn1(xx,t) qD nC bn[n2cs(h nC eenW Cn bW )b eCnxn 2eseC (h nW C bnW n b)ceCnx]ejt
VRCEO V 12 24
30 250 15 325
VREBO V
4
I C BO μA
≤6 ≤6 0.1 0.35 ≤2mA ≤0.1
fT MHz *≥ 8 *≥ 8 100
300 8
注：*为 f
2
双极型三极管的参数
参数 型号
PCM
I CM
mW mA
3AX31D 125 125
3BX31C 125 125
0
令
1 jnb
L2nb
Cn
d2dn1x(2x)Cn2n1(x)0
n 1(x)AC nx eB C e nx
14
n 1(x)AC nx eB C e nx
边界条件：x=0时，
n b ( 0 ) n b 0 e q V E u e ( t ) k T n b 0 e q E k V e T q e ( t ) u / kT nb0eqVE kT nb0eqVE kT kqTueejt n0(0) n1(0)ejt
1
双极型三极管的参数
功率特性
参数 型号
PCM
I CM
mW mA
3AX31D 125 125
3BX31C 125 125
3CG101C 100 30
3DG123C 500 50
3DD101D 5W
5A
3DK100B 100 30
3DK23G 250W 30A
VRCBO V
20 40 45 40 300 25 400
10
注意：一维模型中规定的电流方向 与npn管管为例）
交流信号作用下
交流信号作用下
基区电子一维扩散方程 发射区空穴一维扩散方程
分解与时间有关项 和与时间无关项
基区电子密度分布 （直流、交流叠加）
基区电子电流密度 交流分量
通过发射结的空穴 电流密度交流分量