雙極型晶體管第1頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三第2章雙極型晶體管

教師：余菲

電子郵件：yufei198275@

電話2頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@討論主題：1.晶體管結構與分類2.晶體管的直流特性

2.1晶體管的放大原理

2.2晶體管的直流電路

2.3晶體管的反偏特性3.晶體管的開關特性4.晶體管的設計第3頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管（半導體三極管）是由兩個P-N結構成的三端器件。由于兩個P-N結靠得很近，其具有放大電信號的能力，因此在電子電路中獲得了比半導體二極管更廣泛的應用。（半導體二極管由一個P-N結構成，利用P-N結的單向導電性，二極管在整流、檢波等方面獲得了廣泛應用。）本章將在P-N結理論的基礎上，討論晶體管的基本結構、放大作用以及其他一些特性，如反向電流、擊穿電壓、基極電阻等。1.晶體管結構與分類第4頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管的種類很多，按使用的要求，一般分為低頻管和高頻管，小功率管和大功率管，高反壓管和開關管等等。但從基本結構來看，它們都由兩個十分靠近的，分別稱為發(fā)射結和集電結的P-N結組成。兩個P-N結將晶體管劃分為三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。由三個區(qū)引出的電極分別稱為發(fā)射極、基極和集電極，用符號E、B、C（e、b、c）表示。晶體管的基本形式可分為PNP型和NPN型兩種。

第5頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@第6頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@第7頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@基極：Base；集電極：Collector；發(fā)射極：Emitter。第8頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@第9頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@合金管合金管是早期發(fā)展起來的晶體管。其結構是在N型鍺片上，一邊放受主雜質銦鎵球，另一邊放銦球，加熱形成液態(tài)合金后，再慢慢冷卻。冷卻時，鍺在銦中的溶解度降低，析出的鍺將在晶片上再結晶。再結晶區(qū)中含大量的銦鎵而形成P型半導體，從而形成PNP結構，如圖所示。圖中Wb為基區(qū)寬度，Xje和Xjc分別為發(fā)射結和集電結的結深。合金結的雜質分布特點是：三個區(qū)的雜質分布近似為均勻分布，基區(qū)的雜質濃度最低，且兩個P-N結都是突變結。合金結的主要缺點是基區(qū)較寬，一般只能做到10微米左右。因此頻率特性較差，只能用于低頻區(qū)。

第10頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@第11頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@第12頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@平面管在高濃度的N+襯底上，生長一層N型的外延層，再在外延層上用硼擴散制作P區(qū)，后在P區(qū)上用磷擴散形成一個N+區(qū)。其結構是一個NPN型的三層式結構，上面的N+區(qū)是發(fā)射區(qū)，中間的P區(qū)是基區(qū)，底下的N區(qū)是集電區(qū)。

第13頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@平面晶體管的發(fā)射區(qū)和基區(qū)是用雜質擴散的方法制造得到的，所以在平面管的三層結構即三個區(qū)域的雜質分布是不均勻的。其雜質分布可根據擴散工藝推算出來，如圖所示。第14頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管的基區(qū)雜質分布有兩種形式：●均勻分布（如合金管），稱為均勻基區(qū)晶體管。均勻基區(qū)晶體管中，載流子在基區(qū)內的傳輸主要靠擴散進行，故又稱為擴散型晶體管?！窕鶇^(qū)雜質是緩變的（如平面管），稱為緩變基區(qū)晶體管。這類晶體管的基區(qū)存在自建電場，載流子在基區(qū)內除了擴散運動外，還存在漂移運動，而且往往以漂移運動為主。所以又稱為漂移型晶體管。小結第15頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三2.晶體管的直流特性第16頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@2.1晶體管的放大原理擴散長度的含義： 超量載流子濃度下降到0時候的擴散距離PN結擴散與復合的關系：邊擴散變復合，形成穩(wěn)定的濃度梯度，最后少子濃度下降到0，擴散流完全轉化為漂移流第17頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@理解PN節(jié)電流公式:第18頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@19PNNIEIBICVEVCInEInCIpEIvBIpCOInCO電子流空穴流漂移運動：電場作用下的運動擴散運動：濃度梯度下的運動晶體管的電流傳輸過程1019/cm31015/cm31018/cm3冶金結

1019/cm31016/cm31016/cm3

平面工藝2.1晶體管的放大原理第19頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@精神的精髓:BE之間的電壓決定了BE之間的電流,但是BE之間的電流絕大部分都漏到了C那里去了,漏的和不漏的成比例,所以有電流放大作用問題：為什么兩個二極管不能實現放大?猜想：什么能影響放大倍數？第20頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@從PN節(jié)電流公式出發(fā):

但是，如果基區(qū)很小，則載流子不用一個擴散長度就恢復到零，而是用一個基區(qū)的寬度就恢復成零L->W第21頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@對于平面晶體管代入ＰＮ結電流公式基耳霍夫第22頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@基區(qū)輸運系數β*

晶體管的發(fā)射效率γ

注入基區(qū)的電子電流與發(fā)射極電流的比值

到達集電結的電子電流與進入基區(qū)的電子電流之比

第23頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管的共基極直流增益晶體管的共發(fā)射極直流增益第24頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@載流子傳輸過程:載流子從發(fā)射區(qū)到基區(qū):發(fā)射效率?0載流子在基區(qū)渡越:基區(qū)輸運系數β0*

對于平面晶體管第25頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@計算題已知一個晶體管的發(fā)射效率有99%，而基區(qū)輸運系數為98%，求該晶體管的共發(fā)射極放大倍數，共基極放大倍數。第26頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@關于放大倍數影響因素的討論：p129-139設計晶體管重要考慮，課程重要要求1.發(fā)射結電子空穴復合以及發(fā)射極重摻雜2.基區(qū)變寬效應第27頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@溫度增高—放大倍數增加基區(qū)寬邊效應—放大倍數增加過分增加發(fā)射區(qū)濃度—放大倍數減小第28頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@2.2晶體管的直流電路ＮＰＮ晶體管是電子傳輸過程PNNIBICVEVCInEInCIpEIvBIpCOInCO電子流空穴流第29頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@RLVCCVBBRBVi共射：第30頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@共基：RERLIEIC第31頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@放大倍數與特征曲線：輸入特性／輸出特性第32頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@共基極輸入特性曲線輸出電壓VCB一定時，輸入電流與輸入電壓的關系曲線，即IE～VBE關系曲線。第33頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@共射極輸入特性曲線在輸出電壓VCE一定時，輸入端電流IB與輸入端電壓VBE的關系曲線，即IB～VBE曲線。

第34頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@共基極輸出特性曲線輸出端電流隨輸出電壓變化的關系曲線，即IC～VCB關系曲線。

何時飽和?第35頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@共射極輸出特性曲線IC～VCE關系曲線

第36頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管的反向電流是晶體管的重要參數之一，它包括ICBO，IEBO和ICEO

。反向電流過大的危害：

降低成品率（反向電流不受輸入電流控制，對放大作用無貢獻，而且消耗電源功率使晶體管發(fā)熱，影響晶體管工作的穩(wěn)定性，甚至燒毀）所以，希望反向電流越小越好。2.3晶體管的反偏特性第37頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@ICBO當發(fā)射極開路（IE=0）時，集電極-基極的反向電流第38頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@反向電流＝少子電流＋多子電流+雜質電流第39頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@◆鍺晶體管的反向電流：反向擴散電流（少子電流）◆硅晶體管的反向電流：勢壘區(qū)的產生電流（因為勢壘區(qū)的產生電流是由勢壘區(qū)中的復合中心提供的）多子電流XmC：集電結勢壘區(qū)寬度

γ：晶體管的發(fā)射效率

第40頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@IEBO

集電極開路（IC=0）時，發(fā)射極-基極的反向電流

第41頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@◆鍺晶體管

◆硅晶體管的IEBO完全與ICBO類似

γI

：晶體管反向工作時的發(fā)射效率XmE:發(fā)射結勢壘區(qū)寬度第42頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@注意

晶體管的反向擴散電流和勢壘區(qū)的產生電流是很小的。

引起反向電流過大的原因往往是表面漏電流太大。因此，在生產過程中，搞好表面清潔處理及工藝規(guī)范是減小反向電流的關鍵。

第43頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@ICEO基極開路（IB=0）時，集電極-發(fā)射極之間反向電流第44頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@

β：共射極電流放大系數說明▲要減小ICEO，必須減小ICBO。▲電流放大系數β不要追求過高（因為ICEO太大，會影響晶體管工作的穩(wěn)定性）

第45頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管的擊穿電壓▲晶體管的擊穿電壓是晶體管的另一個重要參數▲晶體管承受電壓的上限▲擊穿電壓有BVEBOBVCBOBVCEO

第46頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@BVEBO和BVCBOBVEBO：集電極開路時，發(fā)射極與基極間的擊穿電壓，由發(fā)射結的雪崩擊穿電壓決定。對于平面管，由于發(fā)射結由兩次擴散形成，在表面處結兩邊雜質濃度最高，因而雪崩擊穿電壓在結側面最低，BVEBO由基區(qū)擴散層表面雜質濃度NBs決定，所以BVEBO只有幾伏。

第47頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@

▲硬擊穿（圖中曲線甲）：

BVCBO：集電結的雪崩擊穿電壓VB▲軟擊穿（圖中曲線乙）：

BVCBO比VB低BVCBO

：發(fā)射極開路時，集電極與基極間的擊穿電壓，一般為集電結的雪崩擊穿電壓。第48頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@BVCEOBVCEO

基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。BVCEO與BVCBO之間滿足以下關系

n：常數集電結低摻雜區(qū)為N型時，硅管n=4，鍺管n=3

集電結低摻雜區(qū)為P型時，硅管n=2，鍺管n=6

因為β大于1，所以，BVCEO<BVCBO。

第49頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@BVCEO測試的電路圖

第50頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@

測試時經?？梢钥吹饺鐖D所示的負阻擊穿現象。（當VC達到BVCEO時發(fā)生擊穿，擊穿后電流上升，電壓卻反而降低。）谷值電壓VSUS第51頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@基區(qū)穿通電壓由于PN結空間電荷區(qū)寬度隨著電壓增加而會發(fā)生改變，所以當PN結空間電荷區(qū)寬度達到了和基區(qū)一樣寬的時候，基區(qū)發(fā)生穿通效應。發(fā)生穿通以后，晶體管就不能再工作了，這也是限制晶體管工作的重要條件。w第52頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@3.晶體管的開關特性晶體管的開關特性包括：靜態(tài)特性和動態(tài)特性靜態(tài)特性：晶體管處于開態(tài)或關態(tài)時端電流電壓之間關系動態(tài)特性：晶體管在開態(tài)和關態(tài)之間轉換時，端電流電壓隨時間變化的特性第53頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管的開關特性晶體管開關電路原理圖RLVCCVBBRBVi第54頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@0VCE/VIC/mAIB=50uA40uA30uA20uA10uA0uA共射VCC/RL86422截止區(qū)飽和區(qū)VCC負載線晶體管的開關特性第55頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@開關晶體管工作在飽和區(qū)和截止區(qū)理想的晶體管開關：反向漏電流越小越好

飽和壓降VCES越小越好從一種狀態(tài)轉變到另一種狀態(tài)時間越小越好截止時可承受高反向電壓導通時可承受大導通電流晶體管的開關特性第56頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管開關電路原理圖RLVCCVBBRBVi晶體管的開關特性第57頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@VB(t)IBIB1IB2

t0t0ttt0t1t2t3t4t5ICICS0.9ICS0.1ICSttdtrtstf晶體管的開關過程第58頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@延遲過程和延遲時間

t0時刻，正脈沖信號到來，IB流入基極，但IC仍為零，因為發(fā)射結反偏無注入電流?？昭ā㈦娮臃謩e給發(fā)射結充電，使發(fā)射結勢壘區(qū)寬度變窄，由反偏逐漸變?yōu)檎?，發(fā)射結開始有注入電流，IC逐漸增大IB=(Vi-VBB)/RL

IB作用：給發(fā)射結充電；給集電結充電；基區(qū)一定的空穴積累；維持空穴積累的復合損失

延遲過程所對應的時間——延遲時間td

延遲過程中晶體管從截止到微導通晶體管的開關過程和開關時間第59頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@減少延遲時間td的方法：

1.減少結面積——減少結電容

2.增大基極驅動電流IB，使得空間電荷區(qū)形成的速度加快（與減少ts矛盾）3.減小關斷的負脈沖晶體管的開關過程和開關時間第60頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@上升過程和上升時間基極電流IB

繼續(xù)對發(fā)射結充電VBE

發(fā)射電子數目增大IEIC

VCE

IB作用：發(fā)射結電容充電電流；集電結電容的充電電流；基區(qū)空穴積累所需電流；提供基區(qū)空穴的復合電流上升過程所對應的時間——上升時間tr

上升過程中晶體管從微導通到趨于飽和晶體管的開關過程和開關時間第61頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@

減少上升時間方法：

1.減少結面積——減少結電容

2.減少基區(qū)寬度，更快建立所需少子濃度梯度

3.增大基區(qū)少子壽命（與減少ts矛盾）

4.增大基極驅動電流IB（與減少ts矛盾）

晶體管的開關過程和開關時間第62頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@定義：晶體管集電極飽和電流

當集電極電流IC增加到使大約在使得VCE=0.7V，晶體管集電結處于零偏，即臨界飽和狀態(tài)：集電極電流IC完全由外電路決定，定義為ICS=VCC/RL，稱作晶體管集電極飽和電流。第63頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@定義：晶體管基極臨界飽和電流

當晶體管剛剛進入臨街飽和狀態(tài)的時候，此時的電流稱為基極臨界飽和電流IBSICS=βIBS當IB>IBS，晶體管進入飽和，此時定義IBX=IB-IBS，叫做基極過驅動電流過驅動基極電流將在基區(qū)堆積，并向集電區(qū)發(fā)射，同時在基區(qū)、集電區(qū)有等量電荷存儲——超量存儲電荷第64頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管進入飽和時的情況：當IB=IBS時，晶體管達到臨界飽和，ICS由外電路決定ICS?VCC/RL

當IB>IBS，晶體管進入飽和，在基區(qū)和集電區(qū)有大量超量存儲電荷CBE超量存儲電荷晶體管的開關特性第65頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@超量存儲電荷隨基極電流增大而增大飽和深度s

CBE超量存儲電荷晶體管的開關特性第66頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@3存儲過程和存儲時間

t3時刻，電壓脈沖突變?yōu)?，IB

從流入變?yōu)榱鞒?，將抽取基區(qū)內存儲的超量存儲電荷，晶體管將從深飽和向臨界飽和過度，但處于飽和狀態(tài)，IC基本不變（VCC/RL）IB作用：基區(qū)內電荷的復合電流，使超量存儲電荷消失的抽取電流存儲過程所對應的時間——存儲時間ts

存儲過程中晶體管從深飽和到臨界飽和晶體管的開關過程和開關時間第67頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@晶體管脫離飽和時的情況：當脈沖信號突變?yōu)?時，IB由流入變?yōu)榱鞒觯瑢⒊槿★柡蜁r存儲在基區(qū)和集電區(qū)的超量存儲電荷，VBC將從正偏變?yōu)榱闫僮優(yōu)榉雌獵BE晶體管的開關過程和開關時間第68頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@減少存儲時間方法(storagetime)存儲過程所對應的時間——存儲時間ts晶體管從深飽和到臨界飽和(0.9ICS)

減少存儲時間方法：

1.IB不要過大，晶體管飽和不要過深，以減少Q’BS和Q’CS2.保證CB擊穿電壓條件下，減少外延層厚度

3.加大反向抽取電流IB4.縮短集電區(qū)少子壽命（摻金）晶體管的開關過程和開關時間第69頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@4下降過程和下降時間

IB

繼續(xù)反抽基區(qū)內的電荷，使基區(qū)內少子濃度梯度下降，IC基本減少，同時使發(fā)射結正偏減少，集電結偏置則從零偏轉為反偏IB作用：發(fā)射結、集電結電容的放電電流，基區(qū)電荷抽取電流下降過程所對應的時間——下降時間tf

下降過程中晶體管從臨界飽和到正向導通到微導通晶體管的開關過程和開關時間第70頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@

減少下降時間方法:

1.減少結面積和基區(qū)寬度2.增大基極反抽電流IB3.減少AE、AC和WB晶體管的開關過程和開關時間第71頁，共81頁，2023年，2月20日，星期三mail：yufei198275@交流電的復數表述法顯然，簡諧量x與這個復數的實部相對應。于是我們可以說，若要用一個復數代表一個簡諧量，則該復數的實部就是這個簡諧量本身，或者說，復數的模與簡諧量的峰值