半导体物理器件 Chapter3(V2)

第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构基本工作原理基本工作原理理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程缓变基区晶体管缓变基区晶体管基区扩展电阻和电流密聚基区扩展电阻和电流密聚基区宽度调变效应基区宽度调变效应晶体管的频率响应晶体管的频率响应混接混接 型等效电路型等效电路 晶体管的开关特性晶体管的开关特性击穿电压击穿电压P-N-P-NP-N-P-N结构结构异质结双极晶体管异质结双极晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管 1947.12.231947.12.23日第一只点接触晶体管诞生日第一只点接触晶体管诞生-Bell Bell Lab.(BardeenLab.(Bardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain)1949 1949年提出年提出PNPN结和双极结型晶体管理论结和双极结型晶体管理论-Bell Bell Lab.(ShockleyLab.(Shockley)19511951年制造出第一只锗结型晶体管年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Bell Lab.(ShockleyLab.(Shockley)195 1956 6年制造出第一只硅结型晶体管年制造出第一只硅结型晶体管-美德州美德州仪器公司（仪器公司（TITI）19561956年年BardeenBardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain获诺获诺贝尔奖贝尔奖 1956 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学（吉林大学 高鼎三）高鼎三）1970 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产批量生产发展历史发展历史双极结型晶体管双极结型晶体管3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构 1.1.双极型晶体管有两种基本结构：双极型晶体管有两种基本结构：PNP PNP 型和型和 NPN NPN 型型双极结型晶体管双极结型晶体管3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构 2.2.双极型晶体管工艺复合图双极型晶体管工艺复合图双极结型晶体管双极结型晶体管3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构4)光刻硼扩散窗口光刻硼扩散窗口1 1）衬底制备）衬底制备 衬底为低阻N型硅，电阻率在 左右，沿（111）面切成厚约 的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。3.3.制造工艺制造工艺2 2）外延）外延 外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。3 3）一次氧化）一次氧化 高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。双极结型晶体管双极结型晶体管3.13.1双极结型晶体管的结构双极结型晶体管的结构5 5）硼扩散和二次氧化）硼扩散和二次氧化 硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散，并起钝化作用。6 6）光刻磷扩散窗口）光刻磷扩散窗口 7)磷扩散和三次氧化磷扩散和三次氧化 磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。8)光刻发射极和基极接触孔光刻发射极和基极接触孔9）蒸发铝蒸发铝 10）在铝上光刻出电极图形）在铝上光刻出电极图形 双极结型晶体管双极结型晶体管3.3.2 2基本工作原理基本工作原理 双极晶体管四种工作模式（工作区）双极晶体管四种工作模式（工作区）基极对集电极电压基极对发射极电压（1）正向有源模式：（2）反向有源模式：（3）饱和模式：（4）截止模式：加在各加在各 PN 结上的电压为结上的电压为根据两个结上电压的正负，晶体管有根据两个结上电压的正负，晶体管有 4 种工作状态，种工作状态，双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 3.2.13.2.1共基极连接晶体管的放大作用共基极连接晶体管的放大作用 图图3-6 3-6（b b）NPNNPN晶体管共基极能带图晶体管共基极能带图 晶体管放大电路有两种基本类型：共基极接法 与 共发射极接法。双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 3.2.23.2.2电流分量电流分量 从发射区注入到基区中的电子流。从发射区注入到基区中的电子流。到达集电结的电子流。到达集电结的电子流。基区注基区注入电子通过基区时复合所引起的复入电子通过基区时复合所引起的复合电流合电流从基区注入到发射区的空穴电流从基区注入到发射区的空穴电流发射结空间电荷区内的复合电流。发射结空间电荷区内的复合电流。集电结反向电流，它包括集电结反集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流生电流。双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 3.2.23.2.2电流分量电流分量（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 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（3-5）（3-7）基区输运因子 共基极直流电流增益（3-6）3.2.3.3.2.3.电流增益电流增益 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 （3-8）（3-10）利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成 考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为（3-9）3.2.3.3.2.3.电流增益电流增益 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 图图3-8 3-8 集电结电流集电结电流电压特性：（电压特性：（a a）共基极情形，（共基极情形，（b b）共发射极情形共发射极情形 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 式中定义式中定义 共发射极接法共发射极接法（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 学习要求学习要求掌掌握握四四个个概概念念：发发射射效效率率、基基区区输输运运因因子子、共共基基极极电电流流增增益益、共共发发射射极极电电流流增益增益了解典型了解典型BJTBJT的基本结构和工艺过程。的基本结构和工艺过程。掌握掌握BJTBJT的四种工作模式。的四种工作模式。画出画出BJTBJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。分别用能带图和载流子输运的观点解释分别用能带图和载流子输运的观点解释BJTBJT的放大作用。的放大作用。为什么公式（为什么公式（3-93-9）可以写成公式（）可以写成公式（3-103-10）。）。解释理想解释理想BJTBJT共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。解解释释理理想想BJTBJT共共发发射射极极连连接接正正向向有有源源模模式式下下集集电电极极电电流流与与集集电电极极发发射射极极间间的电压无关的现象。的电压无关的现象。解释理想解释理想BJTBJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；）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；）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）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；子运动是一维的；（4）基区宽度远小于少子扩散长度；）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；）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；）发射结面积和集电结面积相等；（7）小注入，等等）小注入，等等 3.3.13.3.1电流传输电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义：理想晶体管的主要假设及其意义：双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.13.3.1电流传输电流传输 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输边界条件为：边界条件为：中性基区（中性基区（0 0 ）少子电子分布及其电流）少子电子分布及其电流：（3-16）（3-17）（3-18）3.3.13.3.1电流传输电流传输 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输1.1.电子电流电子电流 （3-16）（3-19）（3-20）双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输2.2.发射区少子空穴分布及其电流：发射区少子空穴分布及其电流：边界条件：界条件：（3-21）（3-23a）双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输 若若 ，（，（3-233-23a a）式可以写作：式可以写作：（3-23b）（3-24）空穴电流为：空穴电流为：双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.集电区少子空穴分布及其电流集电区少子空穴分布及其电流 边界条件：边界条件：（3-23）（3-26）（3-25）双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式1.1.少数载流子分布少数载流子分布 （3-27a）在在 的情况下，（的情况下，（3-273-27a a）式式简化化 （3-27b）双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输图图3-11 3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布 正向有源模式下少数载流子分布曲线正向有源模式下少数载流子分布曲线双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.电流分量电流分量 1)1)发射区和收集区电子电流发射区和收集区电子电流：（3-28）（3-29）（3-30）若若 （3-31）（3-32）双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输2)2)发射区和收集区发射区和收集区空穴电流空穴电流 （3-24）（3-33）3 3）正偏压发射结空间电荷区复合电流：）正偏压发射结空间电荷区复合电流：（3-34）双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输（3-35）（3-36）双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输4.4.晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 图图3-12 3-12 NPN NPN 晶体管的静态电流晶体管的静态电流电压特性电压特性 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输5.5.共发射极电流增益共发射极电流增益 （3-37）双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输共发射极电流增益与工作电流的关系共发射极电流增益与工作电流的关系 图3-13 电流增益对集电结电流的依赖关系 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输学习要求学习要求理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。写写出出发发射射区区、基基区区、集集电电区区少少子子满满足足的的扩扩散散方方程程并并解解之之求求出出少少子分布。子分布。双极结型晶体管双极结型晶体管3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程双极晶体管有四种工作模式，取决于发射结和集电结的偏置状况。(1)(1)正向有源工作模式：正向有源工作模式：0，0 (2)(2)反向有源工作模式：反向有源工作模式：0 (3)(3)饱和工作模式：饱和工作模式：0 0，0 0(4)截止工作模式截止工作模式:0 0，0 03.4.13.4.1工作模式和少子分布工作模式和少子分布基区少子满足的边界条件为相应的边界条件为:相应的边界条件为:相应的边界条件为:双极结型晶体管双极结型晶体管3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程此外此外，0正向有源饱 和截 止反向有源图图3-14 晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布双极结型晶体管双极结型晶体管对于 的情形（3-19)简化为:3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程（在电路分析中，不考虑（3-19）式和（3-24）式中的负号）。（3-19）（3-24）3.4.23.4.2 爱伯斯爱伯斯莫尔（莫尔（EbersEbers-Moll-Moll）方程）方程 发射极注入到基极的电子电流为:基极注入到发射极的空穴电流为:双极结型晶体管双极结型晶体管暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流，则暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流，则（3-40）用类似的方法得到用类似的方法得到其中其中 （3-41）（3-42）（3-43）(3-40(3-40）和（）和（3-423-42）称为爱伯斯）称为爱伯斯莫尔方程，简称为莫尔方程，简称为 E-M E-M 方程方程。3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程式中式中双极结型晶体管双极结型晶体管爱伯斯爱伯斯莫尔模型的等效电路图莫尔模型的等效电路图图3-15 Ebers-Moll 模型（a）NPN一维晶体管，（b）将晶体管表示为有公共区域的背靠背连接的二极管，（c）Ebers-Moll 模型等效电路（c）叫做正向共基极电流增益。叫做反向共基极电流增益。3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管根据图3-15C可以写出（3-44）（3-45）其中其中和和分别为两个二极管反向饱和电流分别为两个二极管反向饱和电流。端电流为端电流为：（3-46）（3-47）联立（3-443-44），（），（3-453-45），（），（3-463-46）和（3-473-47）式得到（3-48）（3-49）（3-483-48）和（）和（3-493-49）式即）式即为为E-ME-M方程方程3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管将（将（3-48）式与（）式与（3-40）式比较，（）式比较，（3-49）式与（）式与（3-42）式比较，得到）式比较，得到（3-50）由于由于 有有（3-513-51）式称为互易关系）式称为互易关系。（3-51）3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管 以上讨论的以上讨论的E-ME-M方程，只是一种非线性直流模型，方程，只是一种非线性直流模型，通常将它记为通常将它记为 模型。在模型。在 模型的基础上模型的基础上计及非线性电荷贮存效应和欧姆电阻，就构成第二级计及非线性电荷贮存效应和欧姆电阻，就构成第二级复杂程度的复杂程度的 模型。第三级复杂程度的模型。第三级复杂程度的 模型则还包括多种二级效应，如基区宽度调制，基区模型则还包括多种二级效应，如基区宽度调制，基区展宽效应以及器件参数随温度的变化等等。展宽效应以及器件参数随温度的变化等等。3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管了解了解E EM M方程中四个参数的物理意义方程中四个参数的物理意义根据根据E EM M方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。（3-48）（3-49）3.43.4爱伯斯爱伯斯-莫尔方程莫尔方程学习要求学习要求理解并记忆理解并记忆BJTBJT四种工作模式下的少子分布边界条件四种工作模式下的少子分布边界条件画出画出BJTBJT四种工作模式下少子分布示意图。四种工作模式下少子分布示意图。理解写出方程（理解写出方程（3-423-42）的根据。）的根据。根据爱拜耳斯根据爱拜耳斯莫尔模型的等效电路图导出莫尔模型的等效电路图导出E EM M方程方程双极结型晶体管双极结型晶体管3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管 均匀基区晶体管：均匀基区晶体管：基区掺基区掺杂为均匀分布。少子在基区主杂为均匀分布。少子在基区主要作扩散运动，又称为要作扩散运动，又称为 扩散晶扩散晶体管。体管。1.2N38661.2N3866晶体管的杂质分布：晶体管的杂质分布：距离x （m）图3-16 2N3866晶体管的杂质分布 缓变基区晶体管：缓变基区晶体管：基基区掺杂近似为指数分布，区掺杂近似为指数分布，少子在基区主要作漂移运少子在基区主要作漂移运动，又称为动，又称为 漂移晶体管。漂移晶体管。双极结型晶体管双极结型晶体管3.3.基区少子分布基区少子分布（3-52）（3-55）式（式（3-563-56）中负号表示电流沿）中负号表示电流沿x x方向。方向。4.4.电子电流电子电流（3-56）3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管2.2.基区的缓变杂质分布，引起内建电场基区的缓变杂质分布，引起内建电场这个电场沿着杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内这个电场沿着杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。这时电子通过扩散和漂移越过基区薄层，致使输运因子增加。输运。这时电子通过扩散和漂移越过基区薄层，致使输运因子增加。双极结型晶体管双极结型晶体管把整个基区复合电流取为把整个基区复合电流取为（3-57）（3-58）根据基区输运因子的定义根据基区输运因子的定义 把式（把式（3-553-55）代入式（）代入式（3-583-58）并使用）并使用，便得到，便得到（3-59）3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管5.5.基区输运因子基区输运因子对于均匀基区，（3-58）式化简为（3-32）式。双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求1.1.导出缓变基区晶体管基区内建电场公式（导出缓变基区晶体管基区内建电场公式（3-523-52）。）。2.2.导出少子分布公式（导出少子分布公式（3-553-55）。）。3.3.导出电流公式（导出电流公式（3-563-56）。）。4 4 比较基区输运因子公式（比较基区输运因子公式（3-593-59）与均匀掺杂的基区输运因子公式（）与均匀掺杂的基区输运因子公式（3-323-32）。）。5.5.扩展知识：导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电流分布表扩展知识：导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电流分布表达式（考研参考）。达式（考研参考）。3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管 如果把基极电流如果把基极电流 IB 从基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的电压降，从基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的电压降，当作是由一个电阻产生的，则称这个电阻为基极扩展电阻，用当作是由一个电阻产生的，则称这个电阻为基极扩展电阻，用 rbb 表示。由于表示。由于基区很薄，基区很薄，rbb 的截面积很小，使的截面积很小，使 rbb 的数值相当可观，对晶体管的特性会产生的数值相当可观，对晶体管的特性会产生明显的影响。明显的影响。工作基区：指正对着发射区下方的在工作基区：指正对着发射区下方的在 WB 范围内的基区，也称为范围内的基区，也称为 有源基区有源基区 或或 内内基区基区。非工作基区：指在发射区下方以外从非工作基区：指在发射区下方以外从表面到表面到 xjc 处的基区，也称为处的基区，也称为 无源基区无源基区 或或 外基区外基区。3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚1.1.基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚 双极结型晶体管双极结型晶体管3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚有源电阻和无源电阻有源电阻和无源电阻 图3-17 基区中的横向基极电流和欧姆电压降，导致在发射结中，边缘 处有最大正向偏压1.1.基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚 电流集聚效应：电流集聚效应：少数载流子的注入从基区少数载流子的注入从基区边缘起随着向内的深度而下降。边缘起随着向内的深度而下降。非均匀载流子的注入使得沿着非均匀载流子的注入使得沿着发射结出现非均匀的电流分布。发射结出现非均匀的电流分布。造成在靠近边缘处有更高的电造成在靠近边缘处有更高的电流密度，这种现象称为电流集流密度，这种现象称为电流集聚效应聚效应双极结型晶体管双极结型晶体管2.中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图 图3-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚分析：交叉指状电极能有效克服电流集聚效应？双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求了解了解BJTBJT基极扩展电阻和电流集聚效应基极扩展电阻和电流集聚效应。掌握有源电阻、无源电阻、基区扩展电阻和电流集聚的概念。掌握有源电阻、无源电阻、基区扩展电阻和电流集聚的概念。为什么交叉指状电极能有效克服电流集聚效应为什么交叉指状电极能有效克服电流集聚效应。3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚双极结型晶体管双极结型晶体管3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应 1.1.问题的提出问题的提出在共发射极电路正向有源模式下，对于给定的基极电流，集电极电流应当与集电极电在共发射极电路正向有源模式下，对于给定的基极电流，集电极电流应当与集电极电压无关。图压无关。图3-8(b)3-8(b)中的曲线斜率应为零。但图中的曲线斜率应为零。但图3-8(b)3-8(b)中的电流却随集电极电压的增加中的电流却随集电极电压的增加而增加。这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应，也称为而增加。这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应，也称为EarlyEarly效应。效应。图图3-8 3-8 集集电结电电结电流流电压电压特性：（特性：（a a）共基共基极极情形，（情形，（b b）共共发发射射极极情形情形双极结型晶体管双极结型晶体管前面的讨论中默认有效基区宽度前面的讨论中默认有效基区宽度 是不变的，实际上是不变的，实际上 是集电结偏压的函数。是集电结偏压的函数。（3-60）共共发发射射极极电电流流增增益益正正比比于于 ，当当 增增加加时时，集集电电结结空空间间电电荷荷区区展展宽宽，使使有有效效基基区区宽宽度度 减减小小，如如图图3-213-21所所示示。减减小小使使 增增加加，从从而而集集电电极极电流电流 将随的将随的 增加而增加。增加而增加。3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应2.2.基区宽度调变效应的分析：基区宽度调变效应的分析：的变化：的变化：1)双极结型晶体管双极结型晶体管 2 2）的变化：的变化：（3-61）可见可见 也将随也将随 增加而增加，呈现出不饱和特性，如图增加而增加，呈现出不饱和特性，如图3-21b3-21b所示。所示。综合综合1 1），），2 2）随随 的增加而增加。这就是的增加而增加。这就是EarlyEarly效应。效应。3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应双极结型晶体管双极结型晶体管3.基区宽度减小使少子浓度梯度增加：基区宽度减小使少子浓度梯度增加：图图3-21 3-21 晶体管中的少数载流子分布晶体管中的少数载流子分布(a)(a)有源区工作，有源区工作，=常数，常数，改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化(b)(b)和和 对应的基区少数载流子分布对应的基区少数载流子分布3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应双极结型晶体管双极结型晶体管3.83.8晶体管的频率响应晶体管的频率响应2.电电流流增增益益与与频频率率的的关关系系称称为为晶晶体体管的频率响应：管的频率响应：图图3-22 3-22 电流增益作为频率的函数电流增益作为频率的函数1.小小信信号的共基极和共发射极电流增益定义为：号的共基极和共发射极电流增益定义为：双极结型晶体管双极结型晶体管共基极截止频率共基极截止频率 ：的大小下降为的大小下降为0.707 0.707 （即（即 的模量的平方等于的模量的平方等于 的一半或者说下降的一半或者说下降3dB3dB）时的频率。）时的频率。共发射极截止频率共发射极截止频率 ：的大小下降为的大小下降为0.707 0.707 （下降（下降3dB3dB）时的）时的频率。频率。和和 也称为也称为3dB3dB频率。频率。增益增益 带宽乘积带宽乘积 ，它是，它是 的模量变为的模量变为1 1时的频率，也叫做特征频率。时的频率，也叫做特征频率。相对频率的曲线的斜率为相对频率的曲线的斜率为20dB/20dB/十进位，它可用下式来描述十进位，它可用下式来描述（3-62）可见在可见在 ，的大小为的大小为0.7070.707相对频率的曲线的斜率为相对频率的曲线的斜率为20dB/20dB/十进位，在十进位，在 时时 的大小下降的大小下降 3dB3dB，因而也称，因而也称 为为3dB3dB频率。频率。3.83.8晶体管的频率响应晶体管的频率响应图中的各种频率定义为图中的各种频率定义为：双极结型晶体管双极结型晶体管利用利用 和和 之间的关系求得之间的关系求得（3-63）式中式中 是是模量为模量为1 1时的频率，由（时的频率，由（3-633-63）式，取）式，取 ，有，有，（3-65）由于是晶体管共射极接法工作的截止频率即带宽，故是晶体管共射极接法工作的截止频率即带宽，故称为增益带宽乘积称为增益带宽乘积。3.83.8晶体管的频率响应晶体管的频率响应双极结型晶体管双极结型晶体管低得多，但增益带宽之积接近低得多，但增益带宽之积接近于于再由再由 以上讨论说明共发射极截止频率要比以上讨论说明共发射极截止频率要比3.83.8晶体管的频率响应晶体管的频率响应（3-66）CCTETE+C+CTCTC的情形，增益的情形，增益带宽乘积为带宽乘积为（3-86）注意：增益注意：增益带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是完全相同的完全相同的。3.9混接混接型等效电路型等效电路 双极结型晶体管双极结型晶体管导出公式（3-78）、（3-81）、（3-84）。画出混接画出混接型等效电路。型等效电路。3.9混接混接型等效电路型等效电路 学习要求学习要求双极结型晶体管双极结型晶体管3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 由图由图3-25b中的电流脉冲驱动，使得晶体管运用于截止区与饱和区中的电流脉冲驱动，使得晶体管运用于截止区与饱和区。图3-25 双极晶体管的开关运用：（a）电路图，（b）基极电流驱动，（c）输出特性，（d）输出电流波形双极结型晶体管双极结型晶体管 在截止状态在截止状态,发射结和集电结都处发射结和集电结都处于反偏状态。集电极电流很小于反偏状态。集电极电流很小,阻抗很高，阻抗很高，晶体管处于晶体管处于“关关”态。态。在饱和状态集电极电流很大而且它在饱和状态集电极电流很大而且它的阻抗很低，所以晶体管被认为是的阻抗很低，所以晶体管被认为是“通通”态。态。3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性硅晶体管在饱和区硅晶体管在饱和区在饱和状态，集电极电流被负载电阻所限制：在饱和状态，集电极电流被负载电阻所限制：（3-87）双极结型晶体管双极结型晶体管（3-88）在在“通通”和和“断断”两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的。两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的。载流子分布不能立刻改变。需要一个过渡时间，称为载流子分布不能立刻改变。需要一个过渡时间，称为开关时间开关时间。集电极电流。集电极电流的典型开关波形示于图的典型开关波形示于图3-253-25（d）中，开关时间的定义）中，开关时间的定义:1.1.导通延迟时间导通延迟时间 导通延迟时间导通延迟时间t td d是从加上输入阶跃脉冲至输出电流达到最终值的百分之十是从加上输入阶跃脉冲至输出电流达到最终值的百分之十所经历的时间。它受到下列因素的限制：所经历的时间。它受到下列因素的限制：（1 1）从反偏压改变到新电平，结的耗尽层电容的充电时间从反偏压改变到新电平，结的耗尽层电容的充电时间；（2 2）载流子通过基区和集电结耗尽层的渡越时间。）载流子通过基区和集电结耗尽层的渡越时间。驱动晶体管进入饱和所需要的最小基极电流为驱动晶体管进入饱和所需要的最小基极电流为：3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管图图3-26 3-26 饱和时的饱和时的贮存贮存在基区和集电区中的电荷在基区和集电区中的电荷 同时表示了处在截止和有源区的基区电荷同时表示了处在截止和有源区的基区电荷3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管2.2.上升和下降时间上升和下降时间关断的下降时间关断的下降时间 ：表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分：表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分之十的时间间隔。这是上升时间的逆过程，并且受到同样的因素限制。之十的时间间隔。这是上升时间的逆过程，并且受到同样的因素限制。3.3.贮存时间贮存时间 从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到 之间的时间。之间的时间。上升时间上升时间 ：电流：电流 从从 （）的百分之十上升到百分之九十所需要的时）的百分之十上升到百分之九十所需要的时间。它对应于在基区建立少数载流子分布以达到集电极饱和电流的百分之九十。间。它对应于在基区建立少数载流子分布以达到集电极饱和电流的百分之九十。该时间受输出时间常数的该时间受输出时间常数的 影响。影响。3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管对连续性方程（对连续性方程（1-213a1-213a）从）从0 0至至 求一次积分（令求一次积分（令 ）（2-1062-106），得到，得到 由由3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性用用 代替代替 （0 0），），用用 代替代替 ，并用，并用 代替代替 ，便得到正向有源模，便得到正向有源模式的基区电荷控制方程：式的基区电荷控制方程：双极结型晶体管双极结型晶体管在稳态条件下，式中依赖于时间的项为零。由上式，基极电流可表示为在稳态条件下，式中依赖于时间的项为零。由上式，基极电流可表示为当进入饱和时，总电荷为当进入饱和时，总电荷为，电荷控制方程变为，电荷控制方程变为现在让我们突然把基极电流从现在让我们突然把基极电流从改变到改变到，过量电荷开始减少，但有源电荷，过量电荷开始减少，但有源电荷之间保持不变。于是在这段时间内可以令之间保持不变。于是在这段时间内可以令 在在 和和以及以及3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管于是有于是有或或方程（方程（3.93.93a3a）的通解为：）的通解为：特解为特解为-（）3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管在在 时，全部过量少数载流子被去除掉，时，全部过量少数载流子被去除掉，。因此求得。因此求得在在t=t=时，方程（时，方程（3.933.93）中的时间依赖项为零，并利用（）中的时间依赖项为零，并利用（3.953.95）式得到过量）式得到过量电荷为电荷为3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性这是方程（这是方程（3.93a3.93a）的初始条件。于是得方程（）的初始条件。于是得方程（3.93a3.93a）的解为）的解为双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求了解晶体管开关工作原理。了解晶体管开关工作原理。为什么晶体管开关需要开关时间？为什么晶体管开关需要开关时间？了解晶体管开关时间所涉及的物理过程。了解晶体管开关时间所涉及的物理过程。3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性双极结型晶体管双极结型晶体管3.113.11击穿电压击穿电压1.共基极连接共基极连接 在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏压在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏压 :经验公式（对于共基极电路）：经验公式（对于共基极电路）：图图3-273-27中，在中，在 处处 突然增加突然增加.从集电极电流与发射极电流之间的关系来从集电极电流与发射极电流之间的关系来看，包含雪崩效应的有效电流增益增大看，包含雪崩效应的有效电流增益增大M M倍，即倍，即（3-99）（3-100）晶体管中最高电压的根本限制与在晶体管中最高电压的根本限制与在P-N结二极管中的相同，即雪崩击穿结二极管中的相同，即雪崩击穿或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的P-N结的性质，它还依赖于结的性质，它还依赖于外部的电路结构。外部的电路结构。双极结型晶体管双极结型晶体管当当M M接近无穷时满足击穿条件。接近无穷时满足击穿条件。3.113.11击穿电压击穿电压图图3-27 共发射极和共基极电路的击穿电压共发射极和共基极电路的击穿电压共发射极击穿电压比共基极击穿电压低很多。共发射极击穿电压比共基极击穿电压低很多。双极结型晶体管双极结型晶体管穿通电压穿通电压：若在发生雪崩击穿之前集电结的空间电荷层到达了发射结，则晶体管穿通，这个击穿电压就叫做穿通电压。穿通机制穿通机制：一个晶体管的空间电荷区及能带分布示于图3-28中。在这种条件下，发射区和集电区被连接成好象一个连续的空间电荷区，使发射结处的势垒被穿通时的集电结电压降低了。结果是，使得大的发射极电流得以在晶体管当中流过并发生击穿。穿通击穿的特点穿通击穿的特点：穿通击穿的I-V曲线不象雪崩击穿那样陡直。3.113.11击穿电压击穿电压3.穿通击穿穿通击穿耗尽层在穿通前在穿通后（a）（b）（c）（a）穿通前的空间电荷区（b）能带图（c）穿通后的空间电荷区双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求掌握晶体管两种击穿机制。掌握晶体管两种击穿机制。3.113.11击穿电压击穿电压