白底11第11章双极型晶体管

前言， 1 第十一章 双极型晶体管 原理 11-1，双极晶体管直流特性 一，晶体管概述 二，直流特性和电流增益 三，反向电流 四，击穿电压 五，基极电阻 11-2，双极晶体管频率、功率特性 11-3，双极晶体管噪声、开关特性 前言， 2 第八章 双极型晶体管 原理 参考书： 双极型与 MOS半导体器件原理 黄均鼎 汤庭鳌 编著 复旦大学出版社 晶体管原理 半导体器件电子学（英文版） 美国， R.M.Warner, 电子工业出版社 前言 3 11-1，双极晶体管直流特性 一，晶体管概述 二，直流特性和电流增益 三，反向电流 四，击穿电压 五，基极电阻 前言 4 11-1，一，晶体管概述： 1基本结构 1基本结构 2放大作用 3晶体管内 载流子的传 输及电流放 大系数 4晶体管的 输入和输出 特性 前言 5 11-1， 2放大作用 晶体管具有放大作用 是由于： (1)基区宽度很小，即 从发射区注入到基区 的载流子绝大部分可 到达集电区； (2)发射结正偏，不仅 使结电阻很小，而且 基区中存在着大量由 发射区注入的少数载 流子； (3)集电结反偏，结电 阻很大。 前言 6 11-1， 3.晶体管内载流子的传输及电流放 大系数 前言 7 *直流共基极电流放大系数 直流共基极电流放大系数的 定义为 CBII 按照图 3-4所示的输运过程， 由以下三个因子组成： 式中 称为发射效率，也称注射比，它表示 注入到基区的电子电流与发射极总电流之比， *称为基区输运系数 ， *称为集电区倍增因 子 1 1n E n EE n E p E p E n E JJ J J J J J nC nE J J C nE J J nE nC C C E nE nC E J J J JJ J J J M 前言 8 *共发射极电流放大系数 共发射极电流放大系数 定义为集电极电流 IC与 基极电流 IB之比： CBII 为导出 与 的关系，把 IB IE-IC代入上式 ,可得 11 C C E E C C E I I I I I I I 前言 9 11-1， 4晶体管的输入和输出特 性 为线性工作区， 发射结处于正偏， 集电结处于反偏； 为饱和区，发 射结和集电结均处 于正偏； 为截止区，发 射结和集电结都为 反偏。 前言 10 11-1，二，晶体管的直流特性和电 流增益 以均匀基区为例 1，均匀基区晶体管直流特性的理论分析 2，均匀基区晶体管的短路电流放大系数 前言 11 *均匀基区晶体管理论分析 在导出伏安特性表达式时作了如下几点假设： (1)发射结和集电结是理想的突变结，即杂质 在发射区、基区和集电区都是均匀分布的； (2)晶体管是一维的，发射结和集电结是平行 平面结，两结的面积相等； (3)外加电场都降落在势垒区，势垒区以外的 半导体材料或电极接触上都没有电场； (4)发射区和集电区的长度比少数载流子的扩 散长度大得多，因此其两端的少数载流 子 密度 等于其平衡值； (5)势垒区宽度比少数载流子扩散长度小得多， 可忽略势垒区中的复合作用，也就是通过势垒 区前后的电流值不变； (11)注入基区的少数载流子比基区的多数载 流 子不 少得多，即不考虑大注入效应。 前言 12 *理论分析 00 J c 1 1CEn b p b p c n c q V k Tq V k T b p c q D n q D p ee WL 00 1Enb pb pe ne qV k T b pe D n D p J e q e WL 以上二式即为均匀基区晶体管的直流 伏安特性，它是均匀基区晶体管的基本 方程。 前言 13 *短路电流放大系数 1.发射效率 2.基区输运系数 3.集电区倍增因子 4.雪崩倍增因子 短路电流放大系数总公式： 1 1 eb b pe W L 1 1 e b R R 21 1 2 b nb W L 2 2 211 2 i nc pc cqn 1M 2 2 1 1 2 e b b b p e n b WW LL 2 21 2 e b b b pe nb WW LL 前言 14 提高电流放大倍数的措施 2 21 2 e b b b pe nb WW LL 短路电流放大系数总公式 提高电流放大倍数的措施： 1, 教材 P97，中间“根据 接近于 1.” 2, 教材 P99，中间“为提高 以上，“ 结论： M 前言 15 *漂移晶体管 扩散结的晶体管 基区自建电场 电流短路放大倍数的推导结果 前言 16 21 1 b nb W L 121 1 1 eb b nb RW RL 前言 17 11-1，三，反向电流和击穿电压 1. ICB0：当发射极 开路时，集电极 -基 极的反向电流定义 为 ICB0 。 2.IEB0 3.ICE0 4. VEB（ fl） 000 1nb pb pc ncCB b pc qD n qD pIA WL 前言 18 11-1，三，反向电流和击穿电压 5.BVEB0和 BVCB0 定义集电极开路时发射极 -基极的击穿电压为 BVEB0 定义发射极开路时集电极 -基极击穿电压为 BVCB0 6.BVCE0、 BVCER、 BVCEX、 BVCES 基极开路，集电极 -发射极的击穿电压为 BVCE0； 基极 -发射极短路，集电极 -发射极的击穿电 压为 BVCES； 基极 -发射极接电阻 Rb；集电极 -发射极的击 穿电压为 BVCER； 基极 -发射极接电阻 Rb和反偏电压 VBB，集 电极 -发射极的击穿电压为 BVCEX。 前言 19 11-1，三，反向电流和击穿电压 击穿电压： BVCE0、 BVCER、 BVCEX、 BVCES 10 0 1 n b b C B C EX C B BB J R r IBV BV VV 10 0 1 n b b C B C ER C B J R r IBV BV V 1 0 0 1 n b C B C ES C B J rIBV BV V 前言 20 11-1，四，基极电阻 由于基区很薄，基区存在 一定的电阻 rb，在多子流 过基区时会产生压降，它 对晶体管的特性有影响， 如发射极电流集边效应， 放大、频率特性变差和基 极电阻引起的噪声等。 1 2 2 12 2 12 b e b e b b M b c b e e e M b e R d R d R d Rr l l l d l 前言 21 某些图形的 电阻公式 前言 22 11-1，晶体管的小信号等效电路 前言 23 11-2，双极晶体管频率、功率特性 1，频率特性 几个主要的高频参数：截止频率、特征频率、 高频功率增益和最高振荡频率等 2，功率特性 前言 24 11-2，频率、功率特性 -截止频率 曲线 1表示共基极电流放 大系数。随频率的变化， 曲线 2表示共发射极电流 放大系数 随频率的变化。 截止频率：当电流放大系 数下降到低频值的 (即 0.707)时的频率 特征频率： 值降到 l(0dB) 时的频率 2 0 l g ( )dB 2 0 l g ( d B ) 前言 25 11-2，频率、功率特性 - 特征频率 fT 要提高特征频率， fT，必须减小四个时间常数，下面分别讨论之。 (1) 一般四个时间常数以 b为最长，因此减小 b成为提高 fT的主要因素。 (a)降低基区宽度 Wb，减小 b关键。采用离子注入工艺， Wb已达亚微米级； (b)提高基区电场因子 ，以增大常数 。 取值 3 11，可得最小的 b值。 (2)减小 e，必须减小发射结电阻 re及发射结电容， (3)减小 d，必须减小集电结的势垒宽度 Xm，即降低集电区电阻率，但它 又与提高击穿电压有矛盾。 (4)降低 c，必须减小集电极串联电阻 rcs及集电极电容 Cc。与提高击穿电 压有矛盾，应兼顾两方面要求。 综之，提高 fT的主要途径是：减小基区宽度 Wb,减小 结面积 (发射结及集电结 )，适当降低集电区电阻率和 厚度。 2 1 2 2 2 e b d c b T bm e D e Tc c s Tc n b m m f W r C C r C D 发射极延迟时间常数 基区渡越时间 集电结势垒区渡越时间 集电极延迟时间常数 c