第二章双极结型晶体管

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1、第二章双极结型晶体管第二章双极结型晶体管双极结型晶体管（bipolarjunctiontransistor,BJT）是最早出现的具有放大功能的三端半导体器件，自1948年诞生以来，一直在高速电路、模拟电路和功率电路中占据着主导地位，因此，双极结型晶体管也是我们学习的重点。通常所说的晶体管就是指双极结型晶体管。§2.1晶体管的结构1．晶体管的基本结构BJT是由靠得很近的两个PN结构成的半导体器件。BJT一般包含NPN或PNP三个区域，前者称为NPN晶体管，后者称为PNP晶体管，这两种晶体管及其电路符号如图所示。发射极、基极和集电极分别用英文字母E、B、C表示，发射区和

2、基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。基区的宽度必须远远小于该层材料种少数载流子的扩散长度，否则就成了两个背靠背的独立PN结。2．均匀基区晶体管和缓变基区晶体管在晶体管内部，载流子在基区中的传输过程是决定晶体管许多性能（如电流增益、频率特性等）的重要环节。而在基区宽度确定之后，基区杂质分布是影响载流子基区输运过程的关键因素。尽管晶体管有很多制造工艺，但在理论上分析其性能时，为了方便起见，通常根据晶体管基区的杂质分布情况不同，将晶体管分为均匀基区晶体管和缓变基区晶体管。本章将重点介绍均匀基区晶体管一些特性原理。（1）均匀基区晶体管34第二章双

3、极结型晶体管均匀基区晶体管的基区杂质是均匀分布的，在这类晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散机理进行，所以又称为扩散型晶体管。其中合金法制造的晶体管就是典型的均匀基区晶体管，合金管（如锗PNP合金管）的制造工艺和杂质分布如图所示。在N型锗片的一面放上受主杂质铟镓（Ⅲ族元素）球做发射极，另一面放上铟球做集电极，经烧结冷却后而形成PNP结构。（2）缓变基区晶体管缓变基区晶体管的基区杂质分布是缓变的，这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区除了扩散运动外，还存在漂移运动且往往以漂移运动为主，故也称为漂移晶体管。用各种扩散法制造的晶体管可以看着是缓变基区晶体管。下图表

4、示了一种缓变基区晶体管的制造过程和杂质分布。在N型硅片上生长一层SiO2膜，在氧化膜上光刻出一个窗口，进行硼（Ⅲ族元素）扩散，形成P型基区，然后在此P型层的氧化膜上再光刻一个窗口，进行高浓度的磷（Ⅴ族元素）扩散，得到N型发射区，并用铝蒸发工艺以制出基极与发射极的引出电极，N型基片则用做集电极。硅片表面全都被扩散层和氧化层所覆盖，像一个平面一样，所以这种工艺制出的晶体管又称为平面晶体管，是目前生产的最主要的一种晶体管。§2.2四种工作模式本章主要以均匀基区的N+PN晶体管为例来讨论晶体管的各项性能指标参数，并假设：①发射区和集电区宽度远大于少子扩散长度，基区宽度远小于

5、少子扩散长度；②发射区和集电区电阻率足够低，外加电压全部降落在势垒区，势垒区外无电场；③发射结和集电结空间电荷区宽度远小于少子扩散长度，且不存在载流子的产生与复合；④各区杂质均匀分布，不考虑表面的影响，且载流子仅做一维传输；⑤小注入，即注入的非平衡载流子浓度远小于多子浓度；⑥发射结和集电结为理想的突变结，且面积相等。34第二章双极结型晶体管根据发射结和集电结所处偏压的不同，晶体管有四种工作模式。如图所示，我们令为基极对发射极的电压，基极对集电极的电压，下面介绍四种工作模式及其少子的分布。1．正向有源模式：，少子的分布如图所示，少子边界条件为其中，→发射区热平衡少子空

6、穴浓度；→基区热平衡少子电子浓度；→集电区热平衡少子空穴浓度。2．反向有源模式：，少子的分布如图所示，少子边界条件为34第二章双极结型晶体管3．饱和模式：，少子的分布如图所示，少子边界条件为4．截止模式：，少子的分布如图所示，少子边界条件为§2.3晶体管的电流放大原理晶体管工作在正向有源模式下（，）具有放大电信号的功能，这是晶体管最主要的作用。单个PN34第二章双极结型晶体管结只具有整流作用而不能放大电信号，但是当两个彼此很靠近的PN结形成晶体管时，两个结之间就会相互作用而发生载流子交换，晶体管的电流放大作用正是通过载流子的输运体现出来的。1．平衡晶体管的能带在晶体

7、管的三个端不加外电压时（即平衡状态下），晶体管具有统一的费米能级，其能带和载流子的分布如图（a）所示。（a）平衡晶体管的能带（b）非平衡晶体管的能带2．正向有源模式下的能带晶体管处于放大模式下的能带和少子分布如图所示。由于发射结正偏，势垒降低了，电子将从发射区向基区注入，空穴将从基区向发射区注入，基区出现过量电子，发射区出现过量空穴。过量载流子浓度取决于发射结偏压的大小和掺杂浓度。当基区宽度很小（远远小于电子的扩散长度）时，从发射区注入到基区的电子除少部分被复合掉外，其余大部分能到达集电结耗尽层边缘，集电结处于反向偏压，集电结势垒增加了。来到集电结的电子被电场扫