半导体物理与器件1.1——第十章.ppt

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1、第十章双极晶体管双极晶体管的工作原理基本工作原理工作模式少子分布电流增益非理想效应频率特性开关特性双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor，BJT），简称为双极型晶体管或双极晶体管。晶体管可以用来放大电流、电压、或功率，是一种有源器件。三端器件，通过控制两端之间的电压来控制另外一端的电流。（电压控制电流源）双极的意义在于：在这种器件中存在着两种极性相反的载流子和电流两个耦合的PN结有多种偏置状态组合，即不同的工作模式§10.1双极晶体管的工作原理基本结构三个掺杂区，两个PN结P+n++nEBCn+p++pEBCBCEBCE++代表重掺杂

2、，+代表较重的掺杂实际器件结构图传统双极型集成电路中的BJT结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用PN结；实际器件结构图先进的双层多晶硅BJT结构埋层：减小串联电阻；隔离：采用绝缘介质；注意：npn和pnp的双极晶体管不是对称结构，从实际器件结构图和各区的掺杂浓度的不同都可以反映出这一点。P+n++nEBC基本工作原理npn型BJT与pnp型BJT是完全互补的两种双极型晶体管，以npn型器件为例来进行讨论分析，其结论对pnp型器件也完全适用。典型杂质浓度：E：1e19；B：1e17~1e18；C：1e15P+n++nCBE(Nd-Na)EBC定性分析热平衡和偏

3、置状态注意这里没有反映出各个区杂质浓度的区别正向有源区，电子的输运过程B-E结正偏；B-C结反偏；正向有源模式注意基区宽度回忆：短二极管发射结正偏，电子扩散注入基区B-C结反偏，基区中靠近B-C结边界处电子浓度为零。基区中电子存在着较大的浓度梯度，因此电子可以通过扩散流过基区，和正偏的PN结二极管类似，少子电子在通过中性基区的过程中也会与其中的多子空穴发生一定的复合。电子扩散通过基区后，进入反偏的B-C结空间电荷区，被B-C结电场抽取进入搜集区，能够被拉向收集区的电子数目取决于由发射区注入到基区中的电子数目（复合掉的电子数目）。流入到收集区中的电子数量（构成收集

4、极电流）取决于发射结上的偏置电压，此即双极型晶体管的放大作用，即：BJT中流过一个端点的电流取决于另外两个端点上的外加电压。其他因素：发射极空穴电流，基区复合电流，集电极反向漏电流通过前边的分析，简单结论：BJT中两个PN结不是独立无关的PN结正向有源状态下，反偏BC结的电流大部分来源于EB结的正偏电流三个区掺杂不同，E重掺，B较高掺，C轻掺短基区、大集电区在后边的分析中我们还会逐渐了解到，BJT的这种结构特点是因为只有这样才能获得较大的电流增益，具有良好的放大作用。晶体管电流的简化表达形式有用电流和无用电流电子电流和空穴电流扩散电流、漂移电流、复合电流、产生电

5、流集电极电流线性假设基区宽度：注意实际为基区中性区宽度iC由BE结电压所控制BE结面积发射极电流IS2是饱和空穴电流，为少数载流子空穴的参数共基极电流增益共基极电流增益集电极电流与集电极电压无关，双极晶体管如同一个恒流源基极电流发射极电流成分iE2（空穴扩散电流）实际上也是基极电流的一个组成部分；基极电流的另一个组成部分则是基区中的多子空穴与电子的复合电流iBb，它与电子浓度相关，因而这二者都与exp(vBE/Vt)成正比从而集电极电流和基极电流之比为一个定值：共射极电流增益工作模式截止模式正向有源模式饱和模式反向有源模式不同的工作模式下，EB结和BC结处于不同

6、的偏置状态，其电路功能也不同截止模式两个结均反偏，发射极、集电极电流均为零正向有源模式EB结正偏，BC结反偏；集电极电流受BE结电压控制；电流放大作用共发射极应用时，C-E电压和集电极电流IC之间存在着线性关系，这种线性关系称为负载线负载线1/R饱和模式BE结正偏、BC结正偏，集电极电流反向（相对于放大模式）并不受BE结电压控制反向有源模式和正向有源模式相对的一种模式状态，但是由于晶体管本身结构的非对称性，因而其特性和正向有源模式有着很大的不同，在应用中一般会避免出现这种状态四种不同的工作模式及其对应的PN结偏置条件示意图双极晶体管放大电路EB结上附加的正弦信

7、号电压；相应的基极电流和集电极电流负载RC上输出的放大后的信号电压§10.2少子的分布晶体管为少数载流子工作器件，少数载流子的分布决定着器件内部各处的电流成分在各种工作模式下对晶体管各区的少子分布进行计算，在此基础上分析电流增益和器件结构之间的关系符号定义npn和pnp晶体管NE，NB，NCE、B和C区中的掺杂浓度（下标代表区域）xE，xB，xC电中性E、B和C区的宽度DE，DB，DCLE，LB，LCτE，τB，τCnpn晶体管pE0，nB0，pC0pE(x’)，nB(x)，pC(x’’)E、B和C区中的少子扩散系数E、B和C区中的少子扩散长度E、B和C区中的少

8、子寿命E、B和C区中的热