第三章晶體管的直流效應第一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四●——本章重點晶體管的基本結構平面晶體管的電流放大系數晶體管的直流特性晶體管的反向電流第二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四晶體管（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。第三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四3.1概述

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。

第四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四N型硅二氧化硅保護膜BECN+P型硅（a）平面型雙極型晶體管基本結構的2種型號內部有電子和空穴兩種載流子參與導電的晶體管．集電區(qū)集電結基區(qū)發(fā)射結發(fā)射區(qū)集電極C基極B發(fā)射極ENNPNPN型晶體管的結構示意圖第五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四CBENPN型晶體管的圖形符號基區(qū)濃度小、很薄。發(fā)射區(qū)濃度大，發(fā)射電子。集電區(qū)尺寸大，收集電子，濃度低。集電區(qū)集電結基區(qū)發(fā)射結發(fā)射區(qū)集電極C基極B發(fā)射極ENNPNPN型晶體管的結構示意圖第六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四N型鍺ECB銦球銦球PP+（b）合金型PNP型晶體管的結構示意圖按半導體材料的不同分為鍺管和硅管，硅晶體管多為NPN型，鍺晶體管多為PNP型。CＥＢPNP型晶體管的圖形符號第七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四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)。

第十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四平面管在高濃度的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)。

第十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四晶體管的基區(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。小結第十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四晶體管中載流子濃度分布及傳輸

設發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的雜質皆為均勻分布，分別用NE、NB、NC表示，且NE遠大于NB大于NC。

We發(fā)射區(qū)寬度Wb基區(qū)寬度Wc集電區(qū)寬度Xme發(fā)射結勢壘寬度Xmc集電結勢壘寬度第十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四VDE發(fā)射結的接觸電勢差VDC集電結的接觸電勢差由于平衡時費米能級處處相等，因而基區(qū)相對于發(fā)射區(qū)和集電區(qū)分別上移qVDE和qVDC。

第十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四當晶體管作為放大運用時發(fā)射結加正向偏壓VE集電結加反向偏壓VC

第二十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四發(fā)射結勢壘由原來的qVDE下降為q(VDE-VE)集電結勢壘由qVDC升高到q(VDC+VC)第二十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四NPN晶體管作為放大應用時，少數載流子濃度分布示意圖

第二十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四

發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)將向基區(qū)注入非平衡少子。注入的少子在基區(qū)邊界積累，并向基區(qū)體內擴散。邊擴散，便復合，最后形成一穩(wěn)定分布，記作nB(x)。同樣，基區(qū)也向發(fā)射區(qū)注入空穴，并形成一定的分布，記作pE(x)。

集電結反偏，集電結勢壘區(qū)對載流子起抽取作用。當反向偏壓足夠高時，在基區(qū)一邊，凡是能夠擴散到集電結勢壘區(qū)XmC的電子，都被勢壘區(qū)電場拉向集電區(qū)。因此，勢壘區(qū)邊界X3處少子濃度下降為零；同樣，在集電區(qū)一邊，凡是能夠擴散到XmC的空穴，也被電場拉向基區(qū)，在X4處少子濃度也下降為零，其少子濃度分布為pC(x)。

第二十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四晶體管中的載流子傳輸示意圖

第二十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四因發(fā)射結正偏，大量電子從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，形成電子電流InE。如基區(qū)很薄，大部分電子都能通過擴散到達集電結邊界，并被集電極收集，形成集電極電子電流InC。由于通過基區(qū)的電子是非平衡載流子，因此在基區(qū)中，電子將一邊擴散，一邊和基區(qū)中的空穴復合，形成體復合電流IVR。顯然，體復合電流是垂直于電子電流流動方向的多數載流子電流。同時，基區(qū)也向發(fā)射區(qū)注入空穴，形成發(fā)射結的反注入空穴電流IpE。這股空穴電流在發(fā)射區(qū)內邊擴散邊復合，經過擴散長度LpE后基本復合消失，轉換成電子電流。另外，在集電結處還有一股反向飽和電流ICB0。

第二十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四綜上所述可知，通過發(fā)射結有兩股電流，即InE和IPe，所以，發(fā)射極電流IE=InE+IpE通過集電結也有兩股電流InC和ICB0，集電結電流IC=InC+ICB0通過基極有三股電流，即IpE、IVR和ICB0，因而基極電流IB=IpE+IVR-ICB0根據電流的連續(xù)性，應有IE=IB+IC第二十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四對于NPN晶體管，電子電流是主要成分。電子從發(fā)射極出發(fā)，通過發(fā)射區(qū)到達發(fā)射結，由發(fā)射結發(fā)射到基區(qū)，再由基區(qū)運到集電結邊界，然后由集電結收集，流過集電區(qū)到達集電極，成為集電極電流。電子電流在傳輸過程中有兩次損失：●在發(fā)射區(qū)，與從基區(qū)注入過來的空穴復合損失；●在基區(qū)體內的復合損失。因此，

InC<InE<IE晶體管內部載流子的傳輸過程第二十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四電流放大原理BECNNPEBRBECIE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。IBE進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE

，多數擴散到集電結。發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。第二十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四BECNNPEBRBECIE集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。第二十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE第三十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四ICE與IBE之比稱為電流放大倍數要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。第三十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四直流電流放大系數電流放大系數表示放大電流的能力電路接法不同，放大系數也不同共基極直流電流放大系數α集電極輸出電流與發(fā)射極輸入電流之比

第三十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第三十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第三十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四基區(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

如電子在基區(qū)輸運過程中復合損失很少，則InC≈InE，β*≈1。

第三十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四減小基區(qū)體內復合電流IVR是提高β*的有效途徑，而減小IVR的主要措施是減薄基區(qū)寬度WB，使基區(qū)寬度遠小于少子在基區(qū)的擴散長度LnB，即WB遠小于LnB。所以，在晶體管生產中，必須嚴格控制基區(qū)寬度，從而得到合適的電流放大系數。若基區(qū)太寬，甚至比基區(qū)少子擴散長度大得多，則晶體管相當于兩個背靠背的二極管。發(fā)射結相當于一只正向偏壓二極管，集電結相當于一只反向偏壓二極管，互不相干。這樣，晶體管就失去放大電流、電壓的能力。

第三十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四共發(fā)射極直流電流放大系數因為IE=IB+IC

當β=20時，由上式可以算得α=0.95；β=200時，α=0.995。所以，一般晶體管的α很接近于1。第三十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四晶體管的放大作用晶體管在共射極運用時，IC=βIB。由于β遠大于1，輸入端電流IB的微小變化，將引起輸出端電流IC較大的變化，因此具有放大電流的能力。在共基極運用時，IC=αIE。由于α接近于1，當輸入端電流IE變化△IE時，引起輸出端電流IC的變化量△IC小于等于△IE。所以起不到電流放大作用。但是可以進行電壓和功率的放大。

第三十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四晶體管具有放大能力，必須具有下面條件（1）發(fā)射區(qū)雜質濃度比基區(qū)雜質濃度高得多，即NE遠大于NB，以保證發(fā)射效率γ≈1；（2）基區(qū)寬度WB遠小于LnB，保證基區(qū)輸運系數β*≈1；（3）發(fā)射結必須正偏，使re很??；集電結反偏，使rc很大，rc遠大于re。第三十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四晶體管的特性曲線晶體管的特性曲線形象地表示出晶體管各電極電流與電壓間的關系，反映晶體管內部所發(fā)生的物理過程，以及晶體管各直流參數的優(yōu)劣。所以，在生產過程中常用特性曲線來判斷晶體管的質量好壞。晶體管的接法不同，其特性曲線也各不相同。第四十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四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。第四十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第四十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四由于發(fā)射結正向偏置，所以，IE～VBE輸入特性實際上就是正向P-N結的特性，因而IE隨VBE指數增大。但它與單獨P-N結間存在差別，這是由于集電結反向偏置VCB影響的結果。若VCB增大，則集電結的勢壘變寬，勢壘區(qū)向基區(qū)擴展，這樣就使有效基區(qū)寬度隨VCB增加而減?。ㄟ@種現象稱為基區(qū)寬變效應）。由于WB減小，使少子在基區(qū)的濃度梯度增加，從而引起發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流InE增加，因而發(fā)射極電流IE就增大。所以，輸入特性曲線隨VCB增大而左移。

第四十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四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。

第四十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第四十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第四十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四綜上所述可知，通過發(fā)射結有兩股電流，即InE和IPe，所以，發(fā)射極電流IE=InE+IpE通過集電結也有兩股電流InC和ICB0，集電結電流IC=InC+ICB0通過基極有三股電流，即IpE、IVR和ICB0，因而基極電流IB=IpE+IVR-ICB0根據電流的連續(xù)性，應有IE=IB+IC第四十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四由于發(fā)射結正偏，如將輸出端短路，VCE=0時，就相當于將發(fā)射結與集電結兩個正向P-N結并聯。所以，輸入特性曲線與正向P-N結伏安特性相似。當集電結處于反偏時，由于基區(qū)寬度減小，基區(qū)內載流子的復合損失減少，IB也就減少。所以，特性曲線隨VCE的增加而右移。而且，當VBE=0時，IpE和IVR都等于零，故IB=-ICBO。因而在VBE=0處，特性曲線下移至ICBO。

第四十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四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。

第四十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四當IE=0，即發(fā)射結不發(fā)射載流子時，輸出電流IC=ICBO，這時的輸出特性就是集電結的反向特性，即圖中最靠近水平坐標而且基本上平行于坐標軸的曲線。當IE≠0時，隨著IE的增加，IC按αIE的規(guī)律增大。若IE取不同的數值，就得到一組基本上互相平行的IC～VCB關系曲線，這就是共基極輸出特性曲線。

第五十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四共射極輸出特性曲線IC～VCE關系曲線

第五十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四當IB=0（基極開路）時，IC=ICEO。這是因為共射極電路的輸出電壓為VCE，這個電壓雖然主要降落在集電結上，使集電結反偏，但也有一小部分電壓降落在發(fā)射結上，使發(fā)射結正偏。因此共射極電路中，當IB=0時，IE并不為零，這部分發(fā)射極電流輸運到集電極上，使輸出電流ICE0比ICB0大，這就是圖中下面的第一條曲線。當IB≠0時，隨著IB的增加，IC就按βIB的規(guī)律增加。IB取不同的數值，IB～VCE關系就得到一組曲線。第五十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四3.２平面晶體管的電流放大系數及影響電流放大系數的因素

平面晶體管的自建電場

基區(qū)中某一處的自建電場的大小與該處的雜質濃度梯度成正比，與該處的雜質濃度成反比。

第五十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四平面晶體管的電流密度（略）平面晶體管的發(fā)射效率

第五十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四

R□e發(fā)射區(qū)方塊電阻；R□b基區(qū)方塊電阻方塊電阻：正方形片狀材料的一邊到對邊所測得的歐姆電阻，可由四探針直接測得。

b第五十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四平面晶體管的基區(qū)輸運系數

第五十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四平面晶體管的電流放大系數

第五十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四影響電流放大系數的因素

（1）發(fā)射結勢壘復合對電流放大系數的影響當考慮發(fā)射結勢壘復合電流Irg以后，發(fā)射極電流就由三部分組成，Ie=Ine+Ipe+Irg。顯然，Irg的存在會導致發(fā)射效率的降低，注入較小時此現象尤為顯著?？梢酝ㄟ^適當減小基區(qū)雜質濃度和基區(qū)寬度的方法來減小Irg的影響。（2）基區(qū)表面復合對電流放大系數的影響當考慮基區(qū)表面復合電流Isb時，會導致基區(qū)輸運系數的降低。

第五十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四第五十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四3.3晶體管的反向電流晶體管的反向電流是晶體管的重要參數之一，它包括ICB0，IEB0和ICE0。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。第六十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四ICB0當發(fā)射極開路（IE=0）時，集電極-基極的反向電流第六十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四反向電流＝少子電流＋多子電流

▲集電結加反偏→勢壘區(qū)兩邊的少子密度＜平衡時的少子密度→基區(qū)中的少子（電子）及集電區(qū)中的少子（空穴）都向結區(qū)擴散→少子電流▲體內復合中心和界面態(tài)復合中心→多子電流第六十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四◆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

第六十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四IEB0

集電極開路（IC=0）時，發(fā)射極-基極的反向電流

第六十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四◆鍺晶體管

◆硅晶體管的IEB0完全與ICB0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)寬度第六十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四注意

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。

第六十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四ICE0基極開路（IB=0）時，集電極-發(fā)射極之間反向電流第六十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四

β：共射極電流放大系數說明▲要減小ICE0，必須減小ICB0?！娏鞣糯笙禂郸虏灰非筮^高（因為ICE0太大，會影響晶體管工作的穩(wěn)定性）

第六十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四3.4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BVEB0BVCB0BVCE0

第六十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四BVEB0和BVCB0BVEB0：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，BVEB0由基區(qū)擴散層表面雜質濃度NBs決定，所以BVEB0只有幾伏。

第七十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四

▲硬擊穿（圖中曲線甲）：BVCB0：集電結的雪崩擊穿電壓VB▲軟擊穿（圖中曲線乙）：BVCB0比VB低BVCB0

：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。第七十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四BVCE0BVCE0基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。BVCE0與BVCB0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，BVCE0<BVCB0。

第七十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四BVCE0測試的電路圖

第七十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四測試時經?？梢钥吹饺鐖D所示的負阻擊穿現象。（當VC達到BVCE0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維持電壓第七十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四發(fā)射結電流集邊效應

當電流流過基區(qū)時，將產生平行于結面的橫向壓降，使發(fā)射結偏壓從邊緣到中心逐漸減小，從而導致發(fā)射極電流從邊緣到中心逐漸減小。

3.5晶體管的基極電阻第七十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四在直流運用中，對晶體管基本上沒有影響。在交流運用中，基極電阻將產生電壓反饋，因而影響晶體管的功率特性和頻率特性。因此，在晶體管設計時，要盡可能減小基極電阻。

基極電阻的危害

第七十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四

晶體管基極電流IB的方向平行于結平面，是一股橫向多子電流，如圖所示?；鶇^(qū)存在一定的電阻（基極電阻），用rb表示。

第七十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期四基極電阻的特