《半导体物理学》第2章集成器件物理基础4.ppt

§2.4双极型晶体管 2.4.1 双极性晶体管的直流放大原理 2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素 2.4.3晶体管的击穿电压 2.4.4晶体管的频率特性 2.4.5晶体管模型和模型参数 2.4.1 双极性晶体管的直流放大原理 1.双极晶体管的结构 2.双极晶体管直流电流传输过程 3.双极晶体管直流电流增益 4.提高电流增益的途径 1.双极晶体管的结构 （1）双极性晶体管基本结构 虽然双极晶体管的品种繁多，制造工艺各不相同，但是其基本结构都一样，都包括由三层结构组成的两个背靠背的PN结。根据组合方式不同，分为P-N-P和N-P-N两种形式，分别称为PNP晶体管和NPN晶体管。 1.双极晶体管的结构 （2）双极晶体管实际结构和杂质分布 目前双极晶体管基本是采用平面工艺，但是早期的都是采用合金工艺制造的。这两种晶体管结构如图2.34所示，其核心部分就是PNP或NPN三层结构。 1.双极晶体管的结构 （3）双极晶体管的偏置方式 (a)发射结正偏、集电结反偏，对应晶体管放大状态，称为正向放大。 (b)发射结反偏、集电结正偏，相当于将晶体管上述应用状态倒过来。在这种偏置状态下晶体管也能起放大作用，称为反向放大。 (c)发射结和集电结均为反偏，称晶体管处于“截让”状态。 (d)发射结和集电结均为正偏，称晶体管处于“饱和”状态。 在实际电路应用中，正向放大是应用最多的一种情况。下面主要讨论正向放大状态下，晶体管的直流和交流放大原理以及其放大特性与晶体管结构参数的关系。 1.双极晶体管的结构 (4)晶体管的电路连接方式 在电路应用中，双极晶体管的一个电极作为输入，另一个电极作为输出，第三个电极则作为输入和输出的公共端。按照作为公共端电极的不同，有共基极、共发射权和共集电极三种连接方式。由下面放大原理分析可知，为了起放大作用，输入端的PN结应为正向偏置．输出端的PN结应为反向偏置。 2．双极晶体管直流电流传输过程 (1)双极晶体管电流传输过程 下面从载流子的传输过程说明NPN晶体管的放大原理。对PNP晶体管情况类似 2．双极晶体管直流电流传输过程 2．双极晶体管直流电流传输过程 (1)双极晶体管电流传输过程 在发射结处，由于是正向偏置，发射区将向基区注入电于，同时基区向发射区注入空穴。总的发射极电流由这两个电流分量组成，方向向外。为了使晶体管有较大的电流放大能力，通常发射区的掺杂浓度要比基区的掺杂浓度高得多，根据PN结伏安特性的特点，发射极电流主要由高掺杂发射区向基区注入(或称为发射)的电子电流组成(参见2.32式)，如图2.37(a)所示。这也是该PN结称为“发射结”的原因。 2．双极晶体管直流电流传输过程 (1)双极晶体管电流传输过程 发射区向基区注入的大量电子比基区中的平衡少于电子多得多．因此在发射结的基区一侧边界处就有非平衡少于的积累，形成非平衡少于电子在基区的扩散运动。扩散的电子一部分要在扩散过程中与基区的多子空穴复合。为了使晶体管有较大的电流放大能力，基区宽度Wb必须以比非平衡少子在基区的扩散长度小得多(目前平面晶体管的基区宽度通常只有零点几微米，而基区少子扩散长度一般大于几十微米)，则电子在基区的复合就很少，大部分均能扩散到达集电结。晶体管用作放大时，集电结为反向偏置，根据PN结伏安特性分析可知，这时集电结在基区一例边界处电子浓度基本为零，基区中非平衡少子呈线性分布，如图所示。基区中电子扩散到达该边界处时，立即被反偏集电结中的强电场扫至集电区，成为集电极电流。 2．双极晶体管直流电流传输过程 (1)双极晶体管电流传输过程 当然，反偏的集电结本身也有一个反向饱和电流流过，但是与从发射结注入通过基区扩散到达的这部分电流相比，反向饱和电流可以忽略不计。 根据上述分析，在发射结为正偏、集电结为反偏情况下，可得如图所示的双极晶体管内部电流传输示意图。 由上分析可见，正是由于非平衡少子以扩散运动方式通过基区到达集电结，构成了晶体管内部的电流传输。如果基区很宽，基区宽度Wb比非平衡少子在基区的扩散长度大得多，则注入到基区的少子还未到达集电结之前已在基区全部被复合掉，即输入端的电流不可能传输到输出端，这时晶体管的N-P-N结构相当于两个独立的PN结以背靠背的方式串联．不具有晶体管放大作用。 2．双极晶体管直流电流传输过程 (2)双极晶体管端电流的组成 2．双极晶体管直流电流传输过程 (2)双极晶体管端电流的组成 若记发射区通过发射结注入到基区的电子电流为 基区通过发射结注入到发射区的空穴电流为 ，则总的发射极电流为： 进入基区的电子电流 在流向集电结的过程中在基区要复