《双极型晶体管》word版
第三讲双极型晶体管
1.3 双极型晶体管
半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管
二是场效应半导体三极管
双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个PN 结组合而成，是一种CCCS器件。
场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种VCCS器件。
1.3.1晶体管的结构及类型
双极型半导体三极管的结构示意图如图所示。
它有两种类型：NPN型和PNP型。
中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示（Base）；
一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；
另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。
E-B间的PN结称为发射结（Je），
C-B间的PN结称为集电结（Jc）。
两种极性的双极型三极管
双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。
从外表上看两个N区(或两个P区)是对称的，实际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。
基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。
1.3.2 晶体管的电流放大作用
双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。
若在放大工作状态：发射结加正向电压，集电结加反向电压。
现以NPN型三极管的放大状态为例，来说明三极管内部的电流关系。
双极型三极管的电流传输关系（动画2-1）
发射结加正偏时，从发射区将有大量的电子向基区扩散，形成的电流为I EN。
与PN结中的情况相同。
从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形成的电流为I EP。
这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。
进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。
又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极电流I CN。
在基区被复合的电子形成的电流是I BN。
另外，因集电结反偏，使集电结区的少子形成漂移电流I CBO。
于是可得如下电流关系式：
I E= I EN＋I EP 且有I EN>>I EP
I EN=I CN+ I BN 且有I EN>> I BN，I CN>>I BN
I C=I CN+ I CBO
I B=I EP+ I BN－I CBO
I E=I EP+I EN=I EP+I CN+I BN=(I CN+I CBO)+(I BN+I EP－I CBO)=I C+I B
以上关系在图02.02的动画中都给予了演示。
由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。
若两个PN结对接，相当基区很厚，所以没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，这是量变引起质变的又一个实例。
双极型半导体三极管的电流关系
(1) 三种组态
双极型三极管有三个电极，其中两个可以作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。
三种接法也称三种组态，见图02.03。
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示；
共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示；
共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。
图02.03 三极管的三种组态
(2) 三极管的电流放大系数
对于集电极电流I C 和发射极电流I E 之间的关系可以用系数来说明，定义:
α= I CN /I E
α称为共基极直流电流放大系数。
它表示最后达到集电极的电子电流I CN 与总发射极电流I E 的比值。
I CN 与I E 相比，因I CN 中没有I EP 和I BN ，所以α的值小于1, 但接近1。
由此可得：
I C =I CN +I CBO =αI E +I CBO =α (I C +I B )+I CBO
I C =
α
αα-+-11CBO B I I 定义:
β=I C /I B =(I CN + I CBO )/I B β称为共发射极接法直流电流放大系数。
于是
β=B
CBO B B C 1)11(I I I I I ααα-+-= ≈B
B 1)1(I I αα- =
α
α-1 因α≈1, ∴ β >>1 1.3.3 晶体管的共射特性曲线
本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即
输入特性曲线—— i B =f (v BE )∣ const CE =v
输出特性曲线—— i C =f (v CE )∣const B =i
这里，B 表示输入电极，C 表示输出电极，E 表示公共电极。
所以这两条曲线是共发射极接法的特性曲线。
i B是输入电流，v BE是输入电压，加在B、E两电极之间。
i C是输出电流，v CE是输出电压，从C、E两电极取出。
共发射极接法的供电电路和电-压电流关系如图02.04所示。
共发射极接法的电压-电流关系
（1）输入特性曲线
简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论i B和v BE之间的函数关系。
因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。
为了排除v CE 的影响，在讨论输入特性曲线时，应使v CE=const(常数)。
v CE的影响，可以用三极管的内部的反馈作用解释，即v CE对i B的影响。
共发射极接法的输入特性曲线见图。
其中v CE=0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。
当v CE≥1V时，v CB= v CE - v BE>0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少，I C / I B增大，特性曲线将向右稍微移动一些。
但v CE再增加时，曲线右移很不明显。
曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。
共发射极接法输入特性曲线
输入特性曲线的分区：死区、非线性区、线性区。
（2）输出特性曲线
共发射极接法的输出特性曲线如图所示，它是以i B为参变量的一族特性曲线。
现以其
中任何一条加以说明,当v CE =0 V 时,因集电极无收集作用,i C =0。
当v CE 微微增大时，发射结虽处于正向电压之下,但集电结反偏电压很小,如v CE < 1 V ；v BE =0.7 V ； v CB = v CE - v BE ≤0.7 V 。
集电区收集电子的能力很弱，i C 主要由v CE 决定。
当v CE 增加到使集电结反偏电压较大时，如v CE ≥1 V ， v BE ≥0.7 V ，运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后v CE 再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与v CE 轴基本平行的区域 (这与输入特性曲线随v CE 增大而右移的原因是一致的) 。
输出特性曲线可以分为三个区域
饱和区——i C 受v CE 显著控制的区域，该区域内v CE 的数值较小，一般v CE ＜0.7 V(硅管)。
此时发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。
截止区——i C 接近零的区域，相当i B =0的曲线的下方。
此时，发射结反偏，集电结反偏。
放大区——i C 平行于v CE 轴的区域，曲线基本平行等距。
此时，发射结正偏，集电结反偏，电压大于0.7 V 左右(硅管)
共发射极接法输出特性曲线（动画2-2）
1.3.4 晶体管的主要参数
半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。
(1) 直流参数
① 直流电流放大系数
1.共发射极直流电流放大系数β
β =（I C －I CEO ）/I B ≈I C / I B | const CE =v
β 在放大区基本不变。
在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X 轴的直线(v CE =const)来求取I C / I B ，如图所示。
在I C 较小时和I C 较大时，会有所减小，这一关系见图02.08。
在输出特性曲线上决定ββ值与I C的关系
2.共基极直流电流放大系数α
α=（I
－I CBO）/I E≈I C/I E
C
显然α与β之间有如下关系
α= I C/I E=βI B/(1+β)I B=β/(1+β)
②极间反向电流
1.集电极-基极间反向饱和电流I CBO
I CBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。
它相当于集电结的反向饱和电流。
2.集电极-发射极间的反向饱和电流I CEO
I CEO和I CBO有如下关系
I CEO=（1+β）I CBO
相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线I B=0那条曲线所对应的Y坐标的数值，如图所示。
第三章双极晶体管95835精品文档
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
32
3.3 晶体管的直流电流增益
（1）基区自建电场计算公式
EBxkqTNB1xdNdBxx
（2）基区杂质分布指数近似
x
NB x NB 0e WB
其中： NB 0 : 基区发射结边界处杂质浓度
( NE >> NB )
8
3.2 晶体管的放大原理
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
9
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
I nc
15
3.2.3、晶体管电流放大系数
1.共基极直流电流放大系数
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
16
晶体管共基极电流没有电流放大作用，但可有电压 及功率放大作用。
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
Wb2 2L2nb
双极型晶体管
3 2 5 晶体管的主要参数 3.2.5
晶体的参数分为三大类: 直流参数 交流参数 极限参数 直流参数、交流参数、极限参数 1. 直流参数 (1) 直流电流放大系数 ①共发射极组态直流电流放大系数 对共射组态的电流放大系数， 在UCE不变的条件下，输出 集电极电流ICQ与输入基极 电流IBQ之比，定义：
i C / mA
ICM
饱 和 区
过流区
过 PCM 损 耗 区 作 区
截止区
过电流区是集电极电流达到 ICM和超过ICM以上的部分。
过 电 压 区
u CE / V
安 全 工
过损耗区由晶体管的集电极 最大功率损耗值确定，是一 条曲线。 过电压区由U (BR)CEO决定。 曲线中间部分为安全工作区 曲线中间部分为安全工作区。
N
P
N
IE
IEP IBN
b
电子
ICN ICBO IB
空穴
IC
c
IC= ICN +ICBO ICN= IEN - IBN
e IEN
IB= IEP + IBN - ICBO
2. 晶体管电极电流的关系 发射极电流：IE= IEN+IEP 集电极电流：IC=ICN+ICBO ICN=IEN-IBN 基极电流： 且有IEN>> IBN ， ICN>>IBN IB=IEP+IBN-ICBO 且有IEN>>IEP
3.2.7 晶体管的型号及封装
1. 晶体管的型号 国家标准对半导体三极管的命名如下: 用字母表示同一型号中的不同规格 3 D G 110 B 用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示器件的种类 用字母表示材料 三极管 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管
第三章双极型晶体管-74页文档
2）俄歇复合（带间直接复合）
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
Wb2 2L2nb
1
eWb bWe
1
Wb2 2L2nb
bWe
1
eWb bWe
Wb2 2L2nb
其中：ρ为电阻率
4、共射极电流增益
01 00110 b eW W b e2 W L b 2 n 2b1
（2）基区杂质分布指数近似
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）
ln NB 0 NB WB
EB
x
kT q
WB
二、发射区自建电场
EExkqTNE1xdNdExx
3.3 晶体管的直流电流增益
3.2.1、晶体管中载流子的传输
WB
以共基极为例： 1、发射结的注入
2、基区的输运与 复合
Ine
Inc
Ir
3、集电极的收集
IE
IC
Ipe
ICBO
IB
各区少子分布 能带图
NPN晶体管的电流转换
Ine:发射结正向注入电子电流
Ipe:发射结反向注入空穴电流
Irb:基区复合电流
第4章双极型晶体管(new)
(4–7a)
(4–7b)
(4–7c)
第4章 双极型晶体管及其放大电路
由于 , 都是反映晶体管基区扩散与复合的 比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必
有内在联系。由 , 的定义可得
I CN I CN IE I EN I E I CN I E I E 1 I CN I CN I BN I EN I EN I CN I BN I BN 1
二、共发射极输出特性曲线 测量电路如图4–4所示。共射输出特性曲线是以 iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即
iC f (uCE ) iB 常数
典型的共射输出特性曲线如图4–6所示。由图可见，输
出特性可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。现分
别讨论如下。
第4章 双极型晶体管及其放大电路
(4–1a) (4–1b) (4–1c)
内部 条件 外部 条件
发射区掺杂浓度最高 基区薄且掺杂浓度最低 集电区面积大，且掺杂浓度低
发射结正偏 集电结反偏
第4章 双极型晶体管及其放大电路
式 (4–1) 表明，在 e 结正偏、 c 结反偏的条件下，晶 体管三个电极上的电流不是孤立的，它们能够反映非 平衡少子在基区扩散与复合的比例关系。这一比例关 系主要由基区宽度、掺杂浓度等因素决定，管子做好 后就基本确定了。反之，一旦知道了这个比例关系， 就不难得到晶体管三个电极电流之间的关系，从而为 定量分析晶体管电路提供方便。
(4–8)
(4–9)
第4章 双极型晶体管及其放大电路
4–1–3 晶体管的放大作用
IE +iE
e b c VEB +vEB vI
双极型晶体管资料
双极型晶体管晶体管的极限参数双极型晶体管（Bipolar Transistor）由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。
起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。
双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。
在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。
当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。
双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。
同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。
双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。
晶体管：用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管.晶体管分类：NPN型管和PNP型管输入特性曲线：描述了在管压降UCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V，锗管的开启电压约为0.3V。
输出特性曲线：描述基极电流IB为一常量时，集电极电流iC与管压降uCE之间的函数关系。
可表示为：双击型晶体管输出特性可分为三个区★截止区：发射结和集电结均为反向偏置。
IE@0，IC@0，UCE@EC，管子失去放大能力。
如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。
★饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。
在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，U CE@0，IC=EC／RC，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。
★放大区：发射结正偏，集电结反偏。
放大区的特点是：◆IC受IB的控制，与UCE的大小几乎无关。
因此三极管是一个受电流IB控制的电流源。
◆特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB对集电极电流IC控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b越大。
双极型晶体管
4.2.2 双极晶体管的电流关系
（1）三种接法
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示; 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
(2)三极管的电流放大系数 共基极直流电流放大系数：α = IC/IE
半导体器件物理
© Dr. B. Li
三个极：发射极E(Emitter) ，集电极C(Collector)，基 极B(Base) 三个区：发射区，集电区，基区
半导体器件物理 两个结：发射结，集电结 © Dr. B. Li
intrinsic base (内基区) extrinsic base (外基区)
共发射极直流输出曲线
当VCE增加到使集电结反偏电压较大时(如VCE ≥1 V,VBE ≥0.7 V),运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后 VCE 再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与VCE轴基本平 行的区域 。
输出特性曲线可以分为三个区域: 饱和区——IC受VCE显著控制的区域，该区域内VCE的数值较
半导体器件物理 © Dr. B. Li
共发射极电流放大系数
β= IC/IB
= IC/IE-IC = α/1-α 因 α≈1, 所以 β >>1
β表示集电极无负载时，集电极电流与基极电流之比。 有时也用符号hFE表示。
基极电流具有非常重要的控制作用。在共基极电路中 是通过IE控制IC，而在共发射极电路中却是通过IB控制 IC 。为使β足够大，这两种电路都希望在同样的IE时， IB越小越好，但IB不能为零。
半导体器件物理 © Dr. B. Li
第4-4章-双极型晶体管工作原理
ICN IC ICBO
IBN IB ICBO
IB IBN ICBO IC ICN ICBO
其含义是：基区每复合一个电子，则有 个电子扩散到集
电区去。 值一般在20~200之间。 确定了 值之后，可得
c IC
ICBO
ICN
N RC
IC IB (1 )ICBO IB ICEO
b
可见，在放大状态下，晶体管
三个电极上的电流不是孤立的， RB IB
它们能够反映非平衡少子在基区
扩散与复合的比例关系。这一比 U BB
例关系主要由基区宽度、掺杂浓
IBN
P
15V
N+ UCC
I
EN
e IE
度等因素决定，管子做好后就基
本确定了。
1. 为了反映扩散到集电区的电流ICN与基区复合电流IBN之间 的比例关系，定义共发射极直流电流放大系数为
β
β0
IC
二、极间反向电流
1. ICBO ICBO指发射极开路时，集电极-基极间的反向电 流，称为集电极反向饱和电流。
2. ICEO ICEO指基极开路时，集电极-发射极间的反向电 流，称为集电极穿透电流。
3. IEBO IEBO指集电极开路时，发射极-基极间的反向电流。
ICBO
ICEO
IEBO
三、结电容 结电容包括发射结电容Ce(或Cb′e)和集电结电容Cc(或Cb′c)。
b
SiO2 绝缘层
b
e
NPN管
c
发射结 集电区
N＋
P
N 型外延 N＋ 衬衬底底
集电结 基区
b
e PNP管
c
4.4.1 晶体管的工作原理
一.放大状态下晶体管中载流子的传输过程 当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，
4-双极晶体管-精品文档230页
life time of minority carriers, respectively. The general solution is
p nx p n C 1 e xL p C 2 e xL p
Where Lp Dpp is the diffusion length of holes.
When IE=0, the device is cutoff, IC is the reverse leakage current of the CBJ. Note that IC≠0 for VCB=0. The current is contributed by IE if the BEJ is forward biased.
forward reverse forward reverse
C-B reverse forward
forward reverse
Mode
active inverted saturation cutoff
An idealized p-n-p transistor in thermal equilibrium, that is ,where all there leads are connected together or all are ground.
1. The device has uniform doping in each region.
第三章双极晶体管2019124164733535
2019/11/2
半导体器件物理
23
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 由这一物理模型就可以求解各区中的少子连续方 程，得出各区的少子浓度分布和电流密度分布。 最后求出发射极电流IE，集电极电流IC与偏压VEB 和VCB的函数关系。
• 根据基本物理模型，可以写出稳态下的一维的电 流密度方程和连续性方程如下：
其中， 发射效率：
IEp IEp
IE IEp IEn
基区传输因子
T
I Cp I Ep
即
0 T
2019/11/2
半导体器件物理
18
Байду номын сангаас
中国科学技术大学物理系微电子专业
集电极电流表达式：
IC0IEICBO
下标CB: 表示C和B结的端电流 O: 表示对应的第三端与第二端之间为开态
为突变结。 ②小注入条件满足。即注入到基区的少子浓度远低于该区多子
浓度。 ③势垒区宽度远小于扩散长度，忽略耗尽区内的产生一复合作
用，通过势垒区的电流为常数。 ④器件中不存在串联电阻，晶体管三个中性区的电导率均足够
高，使得外加电压全部降落在势垒区中，势垒区以外无电 场。 ⑤器件的一维性。使载流子只沿x方向作一维运动，忽略了表 面复合等影响，且发射结和集电结两结面积相同且互相平 行。 ⑥发两射端区处宽的度少W子E和浓集度电等区于宽平度衡W时C都值远。大于少子扩散长度，在
通过发射结的电子电流密度为
2019/11/2
JnE Jn(E x)xxEqL nD nn E E E 0(eqB Vk ET 1 )
半导体器件物理
29
中国科学技术大学物理系微电子专业
• 类似地，集电区连续性方程为
第二章 双极型晶体管
B.晶体管共基极电流放大系数α 0（可以）接近于１;
C.共射极电流放大系数β 0一般远大于１； D.输入阻抗低，输出阻抗高，有足够大的电压和功率放大能力。 ex: 1. 试讲述晶体管具有放大能力的结构与偏置条件及其机理？ 2. 画出不同偏置下晶体管载流子分布，简述饱和态
β0△IB > △ IC 机理。
二、发射区少子浓度及电流分布 1. pe(x)
边界条件
pe (x) x0 pe (o) pne e
qVE KT
pe(x)∣x=∞ = pe(∞) = pne
d 2 p e ( x) p e ( x) p ne 0 2 2 dx L pe
qV x p e ( x) p ne p ne (1 )(e KT 1) L pe
a.发射结反偏，集电结反偏 --- 称晶体 管处于截止状态。 b.发射结反偏，集电结正偏---称晶体管 处反向放大状态。若晶体管纵、横向结 构参数完全对称，其放大能力与正常放 大偏置相同。否则，放大系数会很 小。？？ c.发射结正偏，集电极正偏---称晶体管 处于饱和状态（电流方向 ?）。 β 0△IB > △ IC (IB=IpE+IVB+ IpC)
则：IC=β 0IB +（1+β 0）ICBO=β 0IB +ICEO
当IB=0(即共射极基极开路)，有 IC= （1+β0）ICBO = ICEO---？？
即，在基极开路时，C--E间电流（称反向电流）是集电结 反向电流的（1+β 0）倍。此时的电流放大系数β 0是小电流 时的放大系数。
三、晶体管其它工作状态
2.载流子输运过程 n a.发射区电子注入基 区， 边扩散边复合-IVB； b.基区空穴注入发射区， 边扩散边复合-IpE； c.发射区注入基 区的电子 扩散至集电结空间电荷区 边界被反偏电场抽至集电 区，形成电流-InC；