《微电子器件与》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 双极型晶体管的直流特性,内容,3.1,双极晶体管基础,3.2,均匀基区晶体管的电流放大系数,3.3 缓变基区晶体管的电流放大系数,3.4 双极晶体管的直流电流电压方程,3.5双极晶体管的反向特性,3.6 基极电阻,3.1 双极晶体管的基础,由两个相距很近的,pn,结,组成：,分为：npn,和pnp两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,发射极,集电极,基极,1、双极型晶体管的结构,双极型晶体管的结构示意图如图所示。,它有两种类型:,npn,型和pnp型。,e-b间的pn结称为,发射结(Je),c-b间的pn结称为,集电结(Jc),中间部分称为基区，连上电极称为,基极,，,用B或b表示（Base）；,一侧称为发射区，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）。,两种极性的双极型晶体管,10/7/2024,双极型晶体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。,加在各PN 结上的电压为：,PNP 管：,NPN管：,根据两个结上电压的正负，晶体管可有 4 种工作状态：,E 结,工作状态,放大状态，用于模拟电路,饱和状态，用于数字电路,截止状态，用于数字电路,倒向放大状态,C 结,2、偏压与工作状态,放大状态：,饱和状态：,截止状态：,倒向放大状态：,3、少子分布与能带图,NPN 晶体管在平衡状态下的能带图：,E,C,E,F,E,V,N,N,P,4、NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图：,NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图：,放大状态：,饱和状态：,截止状态：,倒向放大状态：,（1） 基区必须很薄，即,W,B,N,B,。,晶体管放大电路有两种基本类型，即,共基极接法,与,共发射极接法,。,先讨论共基极接法（以PNP 管为例）：,B,E,C,B,P,N,P,N,E,N,B,N,C,I,E,I,B,I,C,V,P,区,N,区,0,为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下 PN 结中的电流：,忽略势垒区产生复合电流， 处于放大状态的晶体管内部的各电流成分如下图所示：,从,I,E,到,I,C,，发生了两部分亏损：,I,nE,与,I,n r,。,要减小,I,nE,，就应使,N,E,N,B,；,要减小,I,n r,，就应使,W,B,L,B,。,定义：,发射结正偏，集电结零偏时的,I,C,与,I,E,之比，称为,共基极直流短路电流放大系数,，记为,，即：,B,E,C,B,P,N,P,N,E,N,B,N,C,I,E,I,B,I,C,共发射极接法：,定义：,发射结正偏，集电结零偏时的,I,C,与,I,B,之比，称为,共发射极直流短路电流放大系数,，记为,，即：,E,C,B,N,P,I,E,I,B,I,C,P,E,根据 ，及 的关系，可得,与,之间有如下关系：,对于一般的晶体管，,= 0.9500.995，,= 20200 。,定义：,由发射结注入基区的少子电流,I,pE,与总的发射极电流,I,E,之比，称为,注入效率,（或,发射效率,），记为 ，即：,2、电流放大系数中间参数的定义,定义：,基区中到达集电结的少子电流,I,pC,与从发射结注入基区的少子电流,I,pE,之比， 称为,基区输运系数,，记为,*,，即：,由于空穴在基区的复合，使,J,pC,J,pE,。,3.基区传输系数 1)用电流密度方程求基区传输系数,用连续性方程求解基区非平衡载流子浓度,这里必须采用薄基区二极管的精确结果 ，即:,p,B,(,0,),p,B,(,x,),x,0,W,B,近似式，忽略基区复合,精确式，考虑基区复合,再利用近似公式： (,x,很小时），得：,根据基区输运系数的定义，得：,静态下的空穴电荷控制方程为：,2)利用电荷控制法来求,*,。,另一方面，由薄基区二极管的,近似,公式：,从上式可解出： ，代入,J,pr,中，得：,B,E,C,0,W,B,J,pE,J,pC,上式中， 即代表了少子在基区中的复合引起的电流亏损所占的比例。要减少亏损，应使,W,B,，,L,B,。,的典型值：,W,B,=1,m,，,L,B,=10,m,，,= 0. 9950 。,3、基区渡越时间,定义：,少子在基区内从发射结渡越到集电结所需要的平均时间，称为少子的,基区渡越时间,，记为 。,可以设想，在 期间，基区内的少子全部更新一遍，因此：,。将： 代入，得：,。因此 又可表为：,注意 与 的区别如下：,的物理意义：,时间， 代表少子在单位时间内的复合几率，因而 就代表,少子在基区停留期间被复合的几率，而 则代表未复合,掉的比例，也即到达集电结的少子电流与注入基区的少子电流,4、表面复合的影响（自学）,之比。,代表少子在基区停留的平均,5、注入效率,定义：,由发射结注入基区的少子电流,I,pE,与总的发射极电流,I,E,之比，称为,注入效率,（或,发射效率,），记为 ，即：,当,W,B,L,B,及,W,E,N,B,，即（,N,B,/,N,E,） 1 ，则上式可近似写为：,已知： ， 代入 中，,再利用爱因斯坦关系： ，得：,注意：,D,B,、,D,E,代表,少子,扩散系数，,B,、,E,代表,多子,迁移率。,得：,利用,方块电阻,的概念， 可有更简单的表达式。方块电阻表示一个正方形薄层材料的电阻，记为：,R,口,。,对于均匀材料：,对于厚度方向（,x,方向）上不均匀的材料：,对于均匀掺杂的发射区与基区，有：,中，可将 表示为最简单的形式：,代入前面得到的 公式,由 ，可得：,6、电流放大系数与亏损因子,上式中： ，称为,亏损因子,。,