第3章_双极结型晶体管综述
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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 双极晶体管
I CE 0
I CB 0
BVCE0 BVCB0 V
ICE0 1M MICB0
BV CE 0n1IC B 0InCB 0
3.5 等效电路模型 3.5.1 Ebers-Moll模型
（1）两个pn结的耦合电流
E
N
P
N
IF
F IF
C
I E RIR
IR
IC
VBE VBC
B IB
（2）E-M等效电路模型
E
iE RE
B
N++ P+
N
VBE VCB
C
iC RC
VBB
VCC
发射区 -n-
pn (x') pn0
基区 -pn p (x)
n p0
集电区 -n-
pn0 pn (x'')
E(n) B(p) C(n)
Ec
EF
EFi
Ev
平衡态
Ec e
E FE eV BE
EFB
Ev
eV BC
Ec E FC
Ev
正向有源
B
e
①
C
V CB
E ②
Ec
EF
B
e
①
Ev
C
V CE
EN
P
NC
I CB 0
B
EN
I CE 0
P
I CB 0 N C
ICE 0
B
VCB
VCE
3.4.6 晶体管的击穿
（2）雪崩击穿
I-V 特性曲线:
电流和电压增益:
IC
基极 发射极 悬空 悬空
IC0E IC0EIC0B
第三章-双极型晶体管的频率特性
p
ic
Ic/mA
10
I B 25A
负载线
频率响应
~ VEB
8
ic
~ ic
20
iB
~ iB
iB
n
6
4
工作点
15 10
前面讨论的是晶体管的静态特性 ( 直流 特性 ) ，没有涉及其交流特性，也就是 当一小信号重叠在直流值上的情况。小 信号意指交流电压和电流的峰值小于直 i 流的电压、电流值。 高频等效电路： 图 (a) 是以共射组态晶 p 体管所构成的放大器电路，在固定的 i n 直流输入电压 VEB 下，将会有直流基 p 极电流 IB 和直流集电极电流 IC 流过晶 V~ i 体管，这些电流代表图(b)中的工作点， V V 由供应电压 VCC 以及负载电阻 RL所决 定出的负载线，将以一 1/RL的斜率与 (a)连接成共射组态的双极晶体管 VCE轴相交于VCC。
fT 10
8
f 10
9
1010
频率 / Hz
另外，一截止频率fT(又称特征频率)定义为β的绝对值变为1时的频率， 将前式等号右边的值定为1，可得出
2 f 1 f ( 1 ) f f T 0 0 0 0
因此fT很接近但稍小于 f。
双极型晶体管的频率特性
c
Ic/ A
B
负载线
c
B
B
c
C
B
B
工作点
EB
输出电流
E
EB
CC
EC
CC
(a)连接成共射组态的双极晶体管
（b）晶体管电路的小信号工作状态
B
B
C ~ V
E B
C ~ V
ic
Ic/mA
10
I B 25A
负载线
频率响应
~ VEB
8
ic
~ ic
20
iB
~ iB
iB
n
6
4
工作点
15 10
前面讨论的是晶体管的静态特性 ( 直流 特性 ) ，没有涉及其交流特性，也就是 当一小信号重叠在直流值上的情况。小 信号意指交流电压和电流的峰值小于直 i 流的电压、电流值。 高频等效电路： 图 (a) 是以共射组态晶 p 体管所构成的放大器电路，在固定的 i n 直流输入电压 VEB 下，将会有直流基 p 极电流 IB 和直流集电极电流 IC 流过晶 V~ i 体管，这些电流代表图(b)中的工作点， V V 由供应电压 VCC 以及负载电阻 RL所决 定出的负载线，将以一 1/RL的斜率与 (a)连接成共射组态的双极晶体管 VCE轴相交于VCC。
fT 10
8
f 10
9
1010
频率 / Hz
另外，一截止频率fT(又称特征频率)定义为β的绝对值变为1时的频率， 将前式等号右边的值定为1，可得出
2 f 1 f ( 1 ) f f T 0 0 0 0
因此fT很接近但稍小于 f。
双极型晶体管的频率特性
c
Ic/ A
B
负载线
c
B
B
c
C
B
B
工作点
EB
输出电流
E
EB
CC
EC
CC
(a)连接成共射组态的双极晶体管
（b）晶体管电路的小信号工作状态
B
B
C ~ V
E B
C ~ V
《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
3.双极型晶体管及其基本放大电路
流电源提供的，只是经过晶体管的控制，使之转换成输出信 号的能量，提供给负载。放大的本质是能量的控制与转换。 至少一路直流 电源供电
VCC
4. 放大的特征：功率的放大。这是判断电路能否放大的基本 出发点。
3.2.2 放大电路的基本性能指标
对信号而言，任何放大电路均可看成双端口网络。它由信号源、 放大电路、直流电源组成，放大电路一般都包括负载，但负载 不是放大电路的必须组成部分。
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大 饱和
uBE ＜Uon ≥ Uon ≥ Uon
iC ICEO βiB ＜βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控 制的电流源iC 。
3.1.5 晶体管的主要参数
C2
能量控制和转换的作用；工
有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的
值将会下降。当 下降到 1 时所对应的频率称为特征频率， 用fT表示。
(3) 共射截止频率fβ 低频时共发射极交流电流放大系数为0。下降到0/ 2时所 对应的信号频率称为晶体管的共射截止频率，用fβ表示。 (4) 共基截止频率fα 低频时共基极交流电流放大系数为α0。α下降到α0/ 2 时所对 应的信号频率称为晶体管的共基截止频率，用fα表示。 特征频率、共射截止频率和共基截止频率三者之间大致满足 如下关系：
由晶体管的极限参数 PCM 、 ICM 和 U(BR)CEO 确定了晶体管
的过损耗区、过流区和击穿区。使用晶体管时，应避免使其
进入上述三个区域，保证晶体管工作在安全工作区。
i C / mA
ICM 过流区
过电流区是集电极电流达到
VCC
4. 放大的特征：功率的放大。这是判断电路能否放大的基本 出发点。
3.2.2 放大电路的基本性能指标
对信号而言，任何放大电路均可看成双端口网络。它由信号源、 放大电路、直流电源组成，放大电路一般都包括负载，但负载 不是放大电路的必须组成部分。
晶体管的三个工作区域
状态 截止 放大 饱和
uBE ＜Uon ≥ Uon ≥ Uon
iC ICEO βiB ＜βiB
uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE
晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控 制的电流源iC 。
3.1.5 晶体管的主要参数
C2
能量控制和转换的作用；工
有关。由于结电容的影响，当信号频率增加时，晶体管的
值将会下降。当 下降到 1 时所对应的频率称为特征频率， 用fT表示。
(3) 共射截止频率fβ 低频时共发射极交流电流放大系数为0。下降到0/ 2时所 对应的信号频率称为晶体管的共射截止频率，用fβ表示。 (4) 共基截止频率fα 低频时共基极交流电流放大系数为α0。α下降到α0/ 2 时所对 应的信号频率称为晶体管的共基截止频率，用fα表示。 特征频率、共射截止频率和共基截止频率三者之间大致满足 如下关系：
由晶体管的极限参数 PCM 、 ICM 和 U(BR)CEO 确定了晶体管
的过损耗区、过流区和击穿区。使用晶体管时，应避免使其
进入上述三个区域，保证晶体管工作在安全工作区。
i C / mA
ICM 过流区
过电流区是集电极电流达到
第三章 双极型晶体管(1)详述
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
1）形成杂质带尾，禁带变窄 Eg Eg Eg'
Eg
3q3
16 s
NE
S kT
Eg ni ni2 ND NDeff
发射区有效杂质浓度降低为:
Neff
x
NE
x
ni2 ni2e
NE
xexp
Eg
kT
发射区有效杂质浓度降低，导致发射效率下降。
sh
Wb Lnb
x
nb
0
e
qVBC
sh Wb Lnb
kT
1
sh
x Lnb
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
pE
x
pE0 pE0
e 1 e qVbe kT
x LpE
3.3 晶体管的直流电流增益
一、少数载流子分布
sh WB LnB
jnE jnB
0
qDnB nB0 LnB
eqVbe
kT
1
cth
WB LnB
eqVbc
kT
1
csc
h
WB LnB
jnc jnB WB
qDnB nB0 LnB
eqVbe
kT 1
csc
h
WB LnB
eqVbc kT 1
cth
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
坐标：
第三章 双极晶体管
qVE kT
1)
（3-116）
3-117）
nB (Wb ) nB (Wb ) nPB nPB (e
qVc kT
1)
（3-118） （3-119）
pC ( x2 ) pnC e
qVC
kT
（3-120）
PC ( x2 ) PC ( x2 ) PnC PnC (e
(3-134)
当WB Lnb 基区很窄时式（3-132）可简化，双曲函数按 台劳级数展开，只取一次幂，即
shx x
chx 1
则上式可简化为： qDnB J nB ( x) [nB (0) nB (Wb )] Wb 基区内电子电流密度与X无关，保持不变。 集电结反偏时，上式可进一步简化为：
（3-128） 发射区空穴沿着（-x）方向线性下降，直到 下降到平衡值。 集电区少子浓度分布：
x x1 1)(1 ) L pE
pC ( x) pnC pnC (e
pC ( x) pnC pnC (e
qVC kT
qVC
kT
1)e
L
x x2 pE
（3-129）
x x2 1)(1 ) L pC
为了分析晶体管的电流放大系数与晶体管结构因素和 工艺因素之间的关系,并反映电流传输过程中的各种损失, 共基极直流电流放大系数分解为： 对NPN管：
I En IE
I cn I En
' Ic I cn
IC
' Ic
M
（3-104）
晶体管发射效率 ：
I En I En 1 I E I En I Ep 1 I Ep
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0
边界条件为：np 0 np0eVE VT np xB np0eVC VT
解为： np x np0 np0
eVE VT 1
sinh
sinh
xB
Ln
xB Ln
x
I C I nC I C0 IE IC IB 0
11
3.2.3电流增益
为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率
InE
I nE
I E InE I pE I RE
的意义：从发射区注入到基区的电子电流，
在总的发射极电流中所占的比例。
12
基区输运因子 T
10
10
8
8
6
6
4
4
2 02
2
IE 0mA
4 6 8 10 VCB （V ）
（a ）
饱和区
125
10
100
8
75
6
有源区 50
4
2
0 02
25
IB 0A
截止区
4 6 8 10
VCE （V ） （b ）
集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形
17
3.3理想双极结型晶体管中的电流传输
(3)从发射区注入基区，进入集电区的电子电流远大 于集电结反偏所提供的发祥饱和电流，是集电极电 流的主要成分。 (4)晶体管实现放大的必要条件之一：基区宽度很窄
9
3.2.2电流分量
10
3.2.2电流分量
电流分量之间的关系
I E I nE I pE I rg
I B I pE I RE InE InC IC0
n
p0
eVc VT 1
sinh
x Ln
sinh
xB Ln
20
3、 双极晶体管的主要作用是对电流或 者电压的放大。
5
3.2双极结型晶体管的基本工作原理
双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区
令 VE VBE VB VE VC VBC VB VC
（1）正向有源模式 VE 0 VC 0
（2） 反向有源模式： VE 0 VC 0 （3）饱和模式： VE 0 VC 0 （4）截止模式 VE 0 VC 0
• 提高电流增益的途径是提高 和 T 。
• 3-2-7还可以写成 IC IE IC0 • 上式说明：以基极作为公共端时，输出集
电极电流与输入发射极电流之间的关系。
14
当集电结处于正向偏压时：
IC I E IC0 (eVC /VT 1)
上式中，当VC为负的很大时，将还原为反向 向偏置的情况。
第3章 双极结型晶体管
1
晶体管的发展史
1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生 1949年提出PN结和双极结型晶体管理论 1951年制造出第一只锗结型晶体管 1956年制造出第一只硅结型晶体管 1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖
1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三） 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产
C
B （c）
B （d）
图 3-2 （a）理想的一维 NPN 双极结晶体管，（b）图（a）的电路符号 （c）理想的一维 PNP 双极结晶体管，（d）图（c）的电路符号
4
1、由两个相距很近的PN结组成，基区 宽度远远小于少子扩散长度，分为： NPN和PNP两种形式
2、发射区为重搀杂，发射结为P+N或 者N+P，基区是两个PN结的公共端
15
共发射极电流增益
IC IC I B IC0
IC
1
IB
IC0
1
hFE I B
I CE 0
式中定义
hFE 1
I CE 0
IC0
1
共发射极直流电流增益
IB=0时，集电极－发射极漏电流，也 称为穿透电流。
16
伏安特性曲线
IC （mA ） IC （mA ）
理想晶体管假设:
（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场； （2）结是理想的平面结，载流子作一维运动； （3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载
流子运动是一维的； （4）基区宽度远小于少子扩散长度； （5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结
空间电荷区上； （6）发射结面积和集电结面积相等； （7）小注入，等等
T
I nC I nE
T 的意义：发射区注入到基区的电子电流中
能到达集电极的电子电流比例。
共基极直流电流增益
I nE
I nC I pE
I rg
T
13
Ic Ic0
IE
3.2.3电流增益
• 是基区运输因子和发射极注射效率的
乘积。其意义是经过发射结注入而到达集 电极的电子电流在总的发射极电流中所占 的百分比。应尽量接近1。
18
理想晶体管的结构示意图：
N
d
N
a
0
xE WE
xB
xC
x
图 3-10 各区均匀掺杂 NPN 晶体管的杂质分布
19
3.3.1载流子分布与电流分量
一、基区载流子分布及电流 中性基区（ 0x x B ）少子电子分布及其电流：
Dn
d 2np dx 2
np np0
n
2
晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子 导电。被称之为双极型器件；
结型晶体管凭借功耗和性能方面的优势广泛应 用于高速计算机、火箭、卫星以及现代通信领 域中。
3
3.1双极结型晶体管的结构和制造工艺
E
发射区 基区 集电区
N
p
N
C
E
B （a）
C
B （b）
发射区 基区 集电区
E
p
N
p
C
E
6
3.2.1晶体管的放大作用
共基极连接晶体管的放大作用
发射结正偏
集电结正偏
图3 - 6（ a ）NPN 晶体管共基极放大电路
7
3.2.1晶体管的放大作用
qVBE
B
E
qVBC
（b ）
图3-5NPN晶体管共基极能带C 图
8
载流子的运输： （1）发射结正偏，由于正向注入，电子从发射区注
入基区，空穴由基区注入发射区。呈现正向偏置 的少子注入 （2）假设：基区很小。即少子在到达基区与集电区 边界时还没有被完全复合掉。其中大部分能到达 集电结，并被内电场加速进入集电结，称为集电 结电流。