半导体器件物理 教学课件 作者 顾晓清 王广发 三.ppt

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1、第3章晶体管的直流特性3.1概述3.2平面晶体管的电流放大系数及影响电流放大系数的因素3.3晶体管的反向电流3.4晶体管的击穿电压3.5晶体管的基极电阻3.6习题●——本章重点晶体管的基本结构平面晶体管的电流放大系数晶体管的直流特性晶体管的反向电流晶体管（半导体三极管）是由两个P-N结构成的三端器件。由于两个P-N结靠得很近，其具有放大电信号的能力，因此在电子电路中获得了比半导体二极管更广泛的应用。（半导体二极管由一个P-N结构成，利用P-N结的单向导电性，二极管在整流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在P-N结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构

2、、放大作用以及其他一些特性，如反向电流、击穿电压、基极电阻等。3.1概述晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频管和高频管，小功率管和大功率管，高反压管和开关管等等。但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为发射结和集电结的P-N结组成。两个P-N结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集电极，用符号E、B、C（e、b、c）表示。晶体管的基本形式可分为PNP型和NPN型两种。合金管合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在N型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。

3、冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成PNP结构，如图所示。图中Wb为基区宽度，Xje和Xjc分别为发射结和集电结的结深。合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个P-N结都是突变结。合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到10微米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。平面管在高浓度的N+衬底上，生长一层N型的外延层，再在外延层上用硼扩散制作P区，后在P区上用磷扩散形成一个N+区。其结构是一个NPN型的三层式结构，上面的N+区是发射区，中间的P区是基

4、区，底下的N区是集电区。P57平面晶体管的发射区和基区是用杂质扩散的方法制造得到的，所以在平面管的三层结构即三个区域的杂质分布是不均匀的。其杂质分布可根据扩散工艺推算出来，如图所示。P57晶体管的基区杂质分布有两种形式：●均匀分布（如合金管），称为均匀基区晶体管。均匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，故又称为扩散型晶体管。●基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。小结晶体管中载流子浓度分布及传输设发射区、基区

5、和集电区的杂质皆为均匀分布，分别用NE、NB、NC表示，且NE远大于NB大于NC。We发射区宽度Wb基区宽度Wc集电区宽度Xme发射结势垒宽度Xmc集电结势垒宽度VDE发射结的接触电势差VDC集电结的接触电势差由于平衡时费米能级处处相等，因而基区相对于发射区和集电区分别上移qVDE和qVDC。当晶体管作为放大运用时发射结加正向偏压VE集电结加反向偏压VC发射结势垒由原来的qVDE下降为q(VDE-VE)集电结势垒由qVDC升高到q(VDC+VC)NPN晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子。注入的少子在基区边

6、界积累，并向基区体内扩散。边扩散，便复合，最后形成一稳定分布，记作nB(x)。同样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，记作pE(x)。集电结反偏，集电结势垒区对载流子起抽取作用。当反向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到集电结势垒区XmC的电子，都被势垒区电场拉向集电区。因此，势垒区边界X3处少子浓度下降为零；同样，在集电区一边，凡是能够扩散到XmC的空穴，也被电场拉向基区，在X4处少子浓度也下降为零，其少子浓度分布为pC(x)。晶体管中的载流子传输示意图因发射结正偏，大量电子从发射区注入到基区，形成电子电流InE。如基区很薄，大部分电子都能通

7、过扩散到达集电结边界，并被集电极收集，形成集电极电子电流InC。由于通过基区的电子是非平衡载流子，因此在基区中，电子将一边扩散，一边和基区中的空穴复合，形成体复合电流IVR。显然，体复合电流是垂直于电子电流流动方向的多数载流子电流。同时，基区也向发射区注入空穴，形成发射结的反注入空穴电流IpE。这股空穴电流在发射区内边扩散边复合，经过扩散长度LpE后基本复合消失，转换成电子电流。另外，在集电结处还有一股反向饱和电流ICB0。综上所述可知，通过发射结有两股电流，即InE和IPe，所以，发射极电流IE=InE+IpE通过集电结也有两股电流InC和ICB0，集电

8、结电流IC=InC+ICB0通过基极有三股电流，即IpE、IVR和