尼曼 半导体物理与器件第十二章.ppt

《尼曼 半导体物理与器件第十二章.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第十二章双极晶体管高等半导体物理与器件第十二章双极晶体管第十二章双极晶体管1主要内容双极晶体管的工作原理少子的分布低频共基极电流增益非理想效应等效电路模型频率上限大信号开关小结第十二章双极晶体管2晶体管基本工作原理：在器件的两个端点之间施加电压，从而控制第三端的电流。最基本的三种晶体管：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管。双极晶体管：在此器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。双极晶体管中有2个pn结，结电压的正负情况可以有多种组合，导致器件有不同的工作模式。是一种电压控制的电流源。两种等效电路

2、模型，适用于不同的情况。第十二章双极晶体管312.1双极晶体管的工作原理三个掺杂不同的扩散区、两个pn结三端分别为发射极（E）、基极（B）、集电极（C）相对于少子扩散长度，基区宽度很小发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低pn结的结论将直接应用于双极晶体管的研究双极晶体管不是对称器件，包括掺杂浓度和几何形状4(a)npn型(b)pnp型双极晶体管的简化结构图及电路符号(a)集成电路中的常规npn型双极晶体管(b)氧化物隔离的npn型双极晶体管截面图第十二章双极晶体管第十二章双极晶体管5（1）基本工作原理均匀掺杂的npn型双极晶体

3、管的理想化掺杂浓度分布图(a)npn型双极晶体管工作在正向有源区的偏置情况(b)工作于正向有源区，npn型双极晶体管中少子的分布(c)零偏和正向有源区时，npn型双极晶体管的能带图图中显示了正向有源模式下电子从n型发射区注入（因此称为发射区）和电子在集电区被收集（因此称为集电区）的截面图B-E结正偏，B-C结反偏（正向有源模式）-共基B-E结正偏：电子从发射区越过发射结注入到基区；B-C结反偏：理想情况下B-C结边界处，少子电子的浓度为零。图(b)中电子浓度梯度标明：发射区注入的电子会越过基区扩散到B-C结的空间电荷区，那里的电

4、场会把电子扫到集电区。为了使尽可能多的电子到达集电区，而不是和基区多子空穴复合；与少子电子扩散长度相比，基区宽度必须很小。当基区宽度很小时，少子电子浓度是B-E结电压和B-C结电压的函数。两个结距离很近——互作用pn结。npn型双极晶体管的横截面图6（2）晶体管电流的简化表达式短基区第十二章双极晶体管理想情况下，基区少子电子浓度是基区宽度的线性函数，表明没有复合发生。电子扩散过基区，后被B-C结空间电荷区电场扫入集电区。7集电极电流：扩散电流晶体管基本工作原理：器件一端的电流由加到另外两端的电压控制集电极电流基极和发射极间的电压

5、第十二章双极晶体管8发射极电流：α称为共基极电流增益。该增益尽可能接近1。总的发射极电流为：一部分电流是发射区注入基区的电子电流，即iC。另一部分电流是正偏B-E结电流，即iE2。第十二章双极晶体管9基极电流：β为共发射极电流增益，其值远大于1（数量级为100或更大）。总的基极电流为：一部分电流iBa是B-E结电流，即iE2。另一部分是基区空穴复合电流，记为即iBb。直接依赖于基区中少子电子的数量。第十二章双极晶体管第十二章双极晶体管10（3）工作模式①B-E反偏，B-C反偏：截止。②B-E正偏，B-C反偏：正向有源区。③B-E

6、正偏，B-C正偏：饱和。④B-E反偏，B-C正偏：反向有源区。共射11双极晶体管和其他元件相连，可实现电压、电流放大。正向有源区，电压增益，电压放大器共射第十二章双极晶体管（4）双极晶体管放大电路第十二章双极晶体管1212.2少子的分布双极晶体管的电流是由少子的扩散决定的。13（1）正向有源模式：B-E结正偏，B-C结反偏均匀掺杂npn双极晶体管。单独考虑每个区域时，将起点移到空间电荷区边界，采用正的坐标值。中性集电区长度比集电区内少子扩散长度大得多。中性发射区有限长，假设x′=xE处表面复合速率无限大，即此处过剩少子浓度为零。

7、第十二章双极晶体管14①基区稳态下，过剩少子电子浓度可通过双极输运方程得到。中性区，电场为零，无过剩载流子产生，稳态下输运方程通解表示为B-E结正偏边界条件：B-C结反偏通过线性近似得：第十二章双极晶体管15②发射区同样，使用稳态下过剩少子的双极输运方程通解表示为B-E结正偏边界条件：x´=xE处，表面复合速度无限大通过线性近似得：第十二章双极晶体管16③集电区稳态下过剩少子输运方程通解表示为集电区无限长边界条件：B-C结反偏集电区过剩少子浓度：第十二章双极晶体管17第十二章双极晶体管第十二章双极晶体管18（2）其他工作模式（a

8、）截止：B-E结，B-C结均反偏，空间电荷区边界少子浓度均为零。（b）饱和：B-E结，B-C结均正偏，空间电荷区边界存在过剩少子。19反向有源区：B-E结反偏，B-C结正偏。与正向有源区中的发射极、集电极电流反向。由于B、E区相对掺杂浓度和B、C区相对掺杂浓度不