第3章_双极晶体管解剖
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2019精选医学第三章双极晶体管2.ppt
（2） 随工作频率变化
1
0
1 if / f
： 截止频率（共基极截止频率）
0
2
： 截止频率（共发射
极截止频率）
T 特征频率
0
2
T
1
m 最高振荡频率
m
G pm 1
• 截止频率
x
de 2
)
则dx长的基区微分电阻为：
(3-205)
dR b1dx
leWb
（3-206）
dVB (x)
IB (x)dR
IB 2
(1
x
de 2
)
b1dx
leWb
（3-207）
将上式从0到x积分，并取 x 0 处电位为零，可得：
VB (x)
IB 2
(1
x2 de
)
Rb le
基区平均电 压：
• 基极电阻通常称为基 极扩展电阻。晶体管 的基极电流平行于结 平面。当基极电流流 过基区时，将产生平 行于结面的横向压降， 使发射结偏压从边缘 到中心逐渐减小，产 生发射结电流的集边 效应。
• 梳状晶体管的基极电 阻由四部分组成：发
射区下面的电阻 rb1，
发射区和基极金属电
极之间的电阻 rb2，
2
(1 m)0
f
f
(1 m)0
特征频率 fT ：
T , 1
T
(1 m)
T 0
晶体管的功率增益与最高震荡
晶体管的特征频率是共发射极运用晶体管的电流放大 作用的上限频率，但管子仍有功率放大和电压放大作 用。晶体管的功率不仅与载流子的传输有关，而且与 管子的几何结构，外电路匹配状态有密切关系。
半导体物理与器件+第3章_双极型晶体管
NPN型晶体管的共发射极连接
3.2. 4 晶体管的直流电流放大系数
3. 共集电极直流电流放大系数
I IB IE C β0 1 IB IB
共集电极电流放大系数 4.α 0与β 0的关系
β0 IC IC α 0 I B I E I C 1 α0
β0和α0的关系曲线
1. 合金晶体管 PNP型合金管结构与杂质分布如图所示
Байду номын сангаас
（a）管芯结构 （b）杂质分布 锗合金晶体管的结构与杂质分布
合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都 是均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电 结均是突变结。
3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布
2. 平面晶体管 平面晶体管结构与杂质分布如图所示
那么基区电子的扩散电流In(X2)则为
x )eqU E / kT Wb
I n ( X 2 ) AqDnb
可求出In(X2)近似为
I n ( X 2 ) AqDnb
dnb ( x) qD n A nb b 0 eqU E / kT dx Wb
dnb ( x) qDnb nb 0 qU E / kT A （e 1 ） dx Wb
3.2. 3 晶体管的直流电流方程式
5. IE、IC、IB直流电流方程式 因为IE由Ip(x1)和In(x2)组成，所以
I E I p ( X 1 ) I n ( X 2 ) [A
qDpe pe0 Lpe
qDnb nb0 qU E / kT A （ ]e 1 ） Wb
因为IC= In(x4)+ ICBO= In(x2)- IVB + ICBO，所以
3.2. 3 晶体管的直流电流方程式
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)
003双极晶体管1a1
a、均匀基区晶体管---合金管
铟、镓，加热到铟镓与锗的共溶温度
制作工艺 三个区的杂质分布
b、缓变基区晶体管---平面管
淡紫色
青色 橙色
1019cm-3
浅青绿色
顶视图
1015cm-3 1017cm-3
制作工艺？（对照 顶视图讲解） 三个区的杂质分布
淡紫色
水绿色 橙色
浅青绿色
掺 杂 过 程
两种管的简单比较
RL
返回
2§.22.2.2晶晶体体管端管电流端的组电成 流的组成
2§.32.2.3描描述述晶体晶管电体流传输管作用电和放流大 性传能的参输数 作用和放大性能的参数
1. 共基极直流电流增益：
2. 从发射极输入电流中有多大比例传输到集电
3. 极。
0
I nc IE
2. 共射极直流电流增益：
发射极电流中传输到集电极部分与传输过程中
I nE IE
* 0
I nC I nE
提高直流电流增益的一般原则：尽可能的 减少输运过程中的损失。
2§.42.2.晶4 晶体体管管的放的大能放力大能力
Vi V0 GV Pi P0 GP
3.§2.3晶晶体体管的直管流伏的安特直性 流伏安特性 本节内容：
3.1 均匀基区晶体管的伏安特性 3.2 缓变基区晶体管有源放大区的伏安特性
按各区掺杂情况：NPN、 PNP 符号：NPN、 PNP（画于黑板）
(a) 小功率管 (b) 小功率管 (c) 大功率管 (d) 中功率管
半导体三极管的型号
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
3DG110B
用字母表示同一型号中的不同规格 用数字表示同种器件型号的序号
第三章 双极晶体管82页PPT
高频小功率晶体管，指特征频率大于 3MHz，功率小于1W的晶体管，主要用于高频振 荡电路、放大电路中。
低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较 多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放 管，各种大电流输出稳压电源中作为调整管，低 速开关电路中作开关管。
高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz ， 功率大于1W的晶体管，用于无线通 讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、 开关和稳压电路中。
区。此时，晶体管进入饱和区。
共发射极输入特性：与正向PN结伏安
特性相似，随集电结电压增加而基极电流
减少 ；这是因为集电结电压增加使基区宽
度减小，基区复合电流减少，故基极电流
减少。
共发射极输出特性：当基极电流为0时，
流过晶体管的电流为
；ICE随O 着 的增I B 加，
以 I的C 规律上IB 升。随 增加 略V CE上升，I C
这是因为 减少而W使B 增大的结 果。当
减少到一V C定E 值（硅管为0.7V）而使集电结
正偏， 迅速下降I，C 进入饱和区。
•晶体管输出特性பைடு நூலகம் 为三个区域：Ⅰ为线 性工作区，Ⅱ为饱和 区，Ⅲ为截止区．I 区工作的晶体管，发 射结处于正偏，集电 结处于反偏，Ⅱ区工 作的晶体管，发射结 和集电结均处于正偏； Ⅲ区工作的晶体管发 射结和集电结都为反 偏。
• • • M IEn Icn Ic ' IC IE IEn Icn Ic '
（3-104）
晶体管发射效率 ：
IEn IEn 1
IE IEnIEp 1IEpIEn 基区输运系数 ：
（3-105）
Icn IEnIvb1Ivb
IEn
低频大功率晶体管，指特征频率3MHz以 下，功率大于1W的晶体管，这类晶体管品种较 多，应用范围广，如低频功率放大电路中功放 管，各种大电流输出稳压电源中作为调整管，低 速开关电路中作开关管。
高频大功率晶体管，指特征频率大于3MHz ， 功率大于1W的晶体管，用于无线通 讯设备的功率驱动，放大和用于低频功率放大、 开关和稳压电路中。
区。此时，晶体管进入饱和区。
共发射极输入特性：与正向PN结伏安
特性相似，随集电结电压增加而基极电流
减少 ；这是因为集电结电压增加使基区宽
度减小，基区复合电流减少，故基极电流
减少。
共发射极输出特性：当基极电流为0时，
流过晶体管的电流为
；ICE随O 着 的增I B 加，
以 I的C 规律上IB 升。随 增加 略V CE上升，I C
这是因为 减少而W使B 增大的结 果。当
减少到一V C定E 值（硅管为0.7V）而使集电结
正偏， 迅速下降I，C 进入饱和区。
•晶体管输出特性பைடு நூலகம் 为三个区域：Ⅰ为线 性工作区，Ⅱ为饱和 区，Ⅲ为截止区．I 区工作的晶体管，发 射结处于正偏，集电 结处于反偏，Ⅱ区工 作的晶体管，发射结 和集电结均处于正偏； Ⅲ区工作的晶体管发 射结和集电结都为反 偏。
• • • M IEn Icn Ic ' IC IE IEn Icn Ic '
（3-104）
晶体管发射效率 ：
IEn IEn 1
IE IEnIEp 1IEpIEn 基区输运系数 ：
（3-105）
Icn IEnIvb1Ivb
IEn
第3章双极型晶体管及其基本放大电路
iC / mA4Βιβλιοθήκη 饱和区3放
100 μA 80 μA 60 μA
截止区——iC接近零的区 域，相当iB=0的曲线的下 方。此时，发射结反偏，
集电结反偏。
2
大
40 μA
放大区——iC平行于uCE
1
I CEO
O
区 20 μA
I B =0 μA
截止区
轴的区域，曲线基本平行 等距。 此时，发射结正
3 6 9 12 uCE / V 偏，集电结反偏，电压大
双极型晶体管的型号和主要参数
2. 晶体管的封装
小、中功率晶体管图片(金属圆壳封装)
小、中功率晶体管图片(塑封)
大功率晶体管图片
3.3 放大的概念和放大电路的性能指标
3.3.1 放大的概念
基本放大电路一般是指由晶体管与其它电路元件所 组成的放大电路。 1. 放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅 度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。 2. 输出信号不能失真，即输出信号与输入信号之间在形状 上不能变样。
ICQ2
电流IBQ之比，定义：
1
ICQ ICEO ICQ
ICEO
O
I BQ
I BQ uCE CONST
Q IBQ
80 μA 60 μA
40 μA
20 μA
IB =0
3
6
9
12 uCE / V
输出特性曲线
②共基极组态直流电流放大系数
称为共基极直流电流放大系数。
ICQ ICEO ICQ
2.U(BR) EBO——e 集电极c-开mA+路+限时流电发阻 射结的击穿电压。 3.U(BR)CEO——c 基极b 开-e路mA集+V-+限电流电极阻和发射极间的击穿电压。 对路于的。U(B几R)个CER击表b穿示电Bbc压E-U间U在(mB(ABR接大R+)C)VEB+-有B限 V小OO-流电上电阻阻有，如U下(B关R)C系ES表示BE间是短
第三章 双极型晶体管及其放大电路
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大
PN结状态
发射结零偏或反偏 集电极反偏 发射结正偏 集电极反偏 发射结正偏 集电极正偏
uBE ＜Uon ≥ Uon
iC ICEO βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
13
饱和
≥ Uon ＜βiB
3.1.4 晶体管的使用常识
1. 三极管的主要参数 晶体管的参数可分为性能参数和极限参数两大类。值得注意 的是，由于制造工艺的离散性，即使同一型号规格的管子，参数 也不完全相同。 （1）晶体管的主要性能参数有：
2. 输出特性曲线
I C f (U CE )
I B 常数
图3-6为某个晶体管的输出特性曲线。
在不同的 下，可得出不同的曲 线，所以晶体管的输出特性曲线是一 组曲线。可分为四个工作区域：
（1）放大区：输出特性曲线的近似于水平 I I 部分是放大区。在放大区，C I B。 C 和 I B 图3-6 成正比的关系。晶体管处于放大状态的条件 （3）饱和区：饱和区是对应于 U CE 较小（ U CE U BE ）的区域，此 是发射结正偏，集电结反偏。 时集电结处于正向偏置，以致使I C 不能随 I B 的增大而成比例增大。 I I I （2）截止区： B 0 的曲线以下的区域称为截止区。 B 0时，C I CEO 。 I C I B ，此时发射结和集电结都处于正向偏置。 在饱和区 对于NPN型硅管 U BE 0.5V时，已开始截止，但是为了截止可靠，常 （4）击穿区：当U CE 大于某一值后， I C 开始剧增，这个现象称为 使 U BE 0 。发射结零偏或反偏，截止时集电结也处于反向偏置。 一次击穿。晶体管一次击穿后，集电极电流突增，只要电路中有 合适的限流电阻，击穿电流不过大，时间又很短，晶体管是不致 于烧毁的。当集电极电压降低后，三极管子仍能恢复正常工作， 所以一次击穿过程是可逆的。
03 双极型晶体管(BJT)解析
晶体管之父 William Shockley
3
3.1 BJT的结构及内部载流子的传输
晶体管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。两 个PN结互相影响，使晶体管表现出不同于单个PN结的特性而具有信 号放大功能，因而成为各种电子电路的核心元件。 在晶体管中，参与导电的有空穴和电子两种载流子，又因为它 是由两个PN结构成，所以被称为双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor)。 由于BJT有三个电极, 因而又称为三极管。它有很多种类。按频 率分有高频管、低频管；按功率分有大、中、小功率管；按材料分 有Si和Ge管。 根据结构的不同，三极管一般有两种类型：NPN 型和 PNP 型。
14
(1) 当VCE=0V时，从输入回路看，由于发射结正偏，输入特性与半导 体二极管的正向特性曲线类似。 (2)当VCE0时，这个电压的极性有利于把发射区扩散到基极的电子收 集到集电极。如果VCE>VBE，则发射结正偏，集电结反偏。集电极开始 收集电子，基区复合减少，在同样的vBE下,IB减小，特性曲线右移。
第3章 双极型晶体管（BJT）
中山大学 郭东亮
1
1947年的晶体管（transistor）
1947年12月16日，美国新泽 西州的贝尔实验室里，3位科学 家——威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿 （Walter Brattain）成功地制造 出第一个晶体管，改变了人类的 历史。 1950年，William Shockley 开发出双极性接面晶体管 （bipolar junction transistor, BJT），也就是现在俗称的晶体管。
15
二、输出特性曲线
3
3.1 BJT的结构及内部载流子的传输
晶体管是通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起的器件。两 个PN结互相影响，使晶体管表现出不同于单个PN结的特性而具有信 号放大功能，因而成为各种电子电路的核心元件。 在晶体管中，参与导电的有空穴和电子两种载流子，又因为它 是由两个PN结构成，所以被称为双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor)。 由于BJT有三个电极, 因而又称为三极管。它有很多种类。按频 率分有高频管、低频管；按功率分有大、中、小功率管；按材料分 有Si和Ge管。 根据结构的不同，三极管一般有两种类型：NPN 型和 PNP 型。
14
(1) 当VCE=0V时，从输入回路看，由于发射结正偏，输入特性与半导 体二极管的正向特性曲线类似。 (2)当VCE0时，这个电压的极性有利于把发射区扩散到基极的电子收 集到集电极。如果VCE>VBE，则发射结正偏，集电结反偏。集电极开始 收集电子，基区复合减少，在同样的vBE下,IB减小，特性曲线右移。
第3章 双极型晶体管（BJT）
中山大学 郭东亮
1
1947年的晶体管（transistor）
1947年12月16日，美国新泽 西州的贝尔实验室里，3位科学 家——威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿 （Walter Brattain）成功地制造 出第一个晶体管，改变了人类的 历史。 1950年，William Shockley 开发出双极性接面晶体管 （bipolar junction transistor, BJT），也就是现在俗称的晶体管。
15
二、输出特性曲线
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3.晶体管结构特点
①Wb<<Lnb，实现不衰减的电流传输。 ②NE>>NB，
外延平面晶体管制造工艺
3.1.5 IC中的晶体管
3.2 晶体管的放大原理
以均匀基区NPN晶体管为例来讨论
3.2.1 晶体管直流电流放大系数
IC 0 IE
IC 0 IB
3.2.2、晶体管内载流子的传 输
合金管结构及杂质分 布
硅平面管结构与杂质分布
2.硅平面管－ 缓变(非均匀)基区晶体管 ：
杂质分布的特点：
E、B区内杂质分布非均匀 NE(x)、NB(x)、NC 发射结和集电结为缓变结。
3.1.3 晶体管的实际结构 1.晶体管纵向结构
x je
--发射结结深 ---集电结结深
x jc
Wb 0 ---冶金基区宽度
* 0
步骤是：
1）从实际问题中抽象出理论模型，提出基本假设。 2）求出各区在外电压下“非少子”的边界值。 3）解连续性方程，求出各区“非少子”的密度分布。 4）由电流密度方程和少子密度分布求各分电流密度。 5）求出Jne、Jnc、Jpe等电流密度。 得到晶体管电流 增益与内部参数关系。
2.
基区输运系数
0
I nc I ne I rb I rb 0 1 I ne I ne I ne
3.集电区倍增因子
I rb ，则 0 I ne
IC I nC一ຫໍສະໝຸດ 情况下忽略反向饱和电流 I CBO，
1
3.2.4、共基极直流电流放大系数 0
第3章
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
双极晶体管(1)
双极晶体管的结构 双极晶体管放大原理 双极晶体管电流增益 反向直流参数与基极电阻 双极晶体管直流伏安特性
(Bipolar Junction Transistor—BJT )
3.1 双极晶体管的结构
3.1.1 晶体管的基本结构 3.1.2晶体管的杂质分布 3.1.3晶体管的实际结构 3.1.4晶体管的结构特点 3.1.5集成电路中的晶体管
(1)非平衡少数载流子电子的一维扩散方程：
d nb x nb x nb 0 Dnb 0 2 dx τ nb
2
nb x Ae
x
Lnb
Be
x
Lnb
nb x nb0 nb x
Lnb Dnb τnb
晶体管的一维模型坐标：
放大工作： 晶体管发射结正偏。 发射结两侧有“少子”积 累。 设势垒区很窄，载流子服 从波尔兹曼分布 。 集电结反偏，势垒区电 场增大，势垒高度增高； 势垒区边界“少子”被 抽出， “少子”密度近似 为 0。
1、各区“少子”密度分布
1).P型基区“少子”电子密度分布
发射结正向偏置电路
1. N＋P结（发射结）正向电压， 势垒高度降低，扩散电流占优势， 正向电流大。 正向PN结的结电阻很小
集电结反向偏置电路
2.集电结加反向电压， PN结势垒高度增大,载流子漂移占优势， 反向电流很小、饱和。 反向PN结的结电阻很大
(a)“背对背”联接的二极管
(b)Wb<<Lnb的晶体管
电流密度方程：
dn 电子扩散电流： J n qDn dx
空穴扩散电流： J p qD p dp
dx
电子漂移电流： J nq E n n
空穴漂移电流： J pq E p p
3.3.1 均匀基区晶体管直流电流增益
均匀基区晶体管一维理想模型 以NPN晶体管共基极连接为例，并采用一维模型及下列近似 ： （1）发射结、集电结为理想突变结，且为平行平面结； （2）NE、NB、NC均为常数； （3）外加电压全部降落在PN结势垒区，其他为电中性区； （4）电流为小注入； （5）不考虑PN结势垒区的复合产生电流； （6）不考虑表面复合电流。
Wb0 x jc x je
Wb ---有效基区宽度
Wb Wb0 ( xmcb xmeb )
2.晶体管管芯平面图形
条形 园形 梳状 覆盖式 网格式
图3.1.4圆形 (1)平面图形 (2) 纵向结构
图3.1.5梳状(1)平面图形 (2) 纵向结构
3.1.4、晶体管的结构特点
IC 0 IE
共基极晶体管偏置电路
发射结正偏VBE， 集电结反偏VBC
1.能带图 2.各区少子分布
3.各区电流分量
I ne
－发射结正向注入电子电流 －发射结反向注入空穴电流 －基区复合电流 －集电结电子电流 －集电结反向饱和电流
I pe
I rb
I nc I CBO
从图中关系可得到 晶体管各极电流：
3.1.1晶体管的基本结构
双极晶体管结构示意图及电学符号
（a）PNP晶体管
（b）NPN晶体管 二个PN结：发射结、 集电结 三个区：发射区、基区、集电区； 三个电极：发射极、基极、 集电极。
3.1.2 晶体管的杂质分布
1.锗合金管 －均匀基区晶体管
杂质分布的特点：
三个区内杂质均匀分布: NE、NB、NC 发射结和集电结为突变结。
0 0 1 0
晶体管共发射极电路
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。
3.3 双极晶体管电流增益
直流电流增益即直流电流 放大系数
0 , 0 0 , Ine , I pe , Inc , ICBO , Irb
I E I ne I pe I C I nc I CBO I B I pe I rb I CBO
3.2.3、发射效率及基区输运系数
1、发射效率
I ne I ne 0 I E I ne I pe
1 I pe 1 I ne
I pe I ne
，则 0
IC I ne I nc I C 0 0 0 I E I E I ne I nc
1 0 I pe 1 I ne
I rb 0 1 I ne
3.2.5、共射极直流电流放大系数
IC IC 0 I B I E IC
IC IE IC 1 IE