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1、 3.1 双极晶体管的结构3.2 双极晶体管放大原理3.3 双极晶体管电流增益3.4 反向直流参数与基极电阻3.5 双极晶体管直流伏安特性3.1 3.1 双极晶体管的结构双极晶体管的结构3.1.1 3.1.1 晶体管的基本结构晶体管的基本结构3.1.23.1.2晶体管的杂质分布晶体管的杂质分布3.1.33.1.3晶体管的实际结构晶体管的实际结构3.1.43.1.4晶体管的结构特点晶体管的结构特点3.1.53.1.5集成电路中的晶体管集成电路中的晶体管3.1.1晶体管的基本结构晶体管的基本结构双极晶体管结构示意图及电学符号双极晶体管结构示意图及电学符号（a）PNP晶体管晶体管 （b）NPN晶体管
2、晶体管 三个电极：发射极、基极三个电极：发射极、基极、 集电极。集电极。二个二个PN结：发射结、结：发射结、 集电结集电结三个区：发射区、基区、集电区；三个区：发射区、基区、集电区；3.1.2 晶体管的杂质分布晶体管的杂质分布v1.锗合金管锗合金管 均匀基区晶体管均匀基区晶体管 合金管结构及杂质分合金管结构及杂质分布布 杂质分布的特点杂质分布的特点： 三个区内杂质均匀分布三个区内杂质均匀分布: NE、NB、NC 发射结和集电结为突变结。发射结和集电结为突变结。 v2.硅平面管硅平面管 缓变缓变(非均匀非均匀)基区晶体管基区晶体管 ： 硅平面管结构与杂质分布硅平面管结构与杂质分布 杂质分布的特点
3、杂质分布的特点：E、B区内杂质分布非均匀区内杂质分布非均匀 NE(x)、NB(x)、NC发射结和集电结为缓变结。发射结和集电结为缓变结。 3.1.3 晶体管的实际结构晶体管的实际结构0bWbWjcxjex-发射结结深发射结结深-集电结结深集电结结深0bjcjeWxx-冶金基区宽度冶金基区宽度-有效基区宽度有效基区宽度0()bbmcbmebWWxx1.晶体管纵向结构晶体管纵向结构2.晶体管管芯平面图形晶体管管芯平面图形v条形条形v园形园形v梳状梳状v覆盖式覆盖式v网格式网格式 图图3.1.4圆形圆形 (1)平面图形平面图形 (2) 纵向结构纵向结构图图3.1.5梳状梳状(1)平面图形平面图形 (
4、2) 纵向结构纵向结构3.1.4、晶体管的结构特点、晶体管的结构特点 发射结正向偏置电路发射结正向偏置电路 1. N1. NP P结（发射结）正向电压结（发射结）正向电压， 势垒高度降低，扩散电流占优势，势垒高度降低，扩散电流占优势， 正向电流大。正向电流大。 正向正向PNPN结的结电阻很小结的结电阻很小集电结反向偏置电路集电结反向偏置电路 2.2.集电结加反向电压，集电结加反向电压， PNPN结势垒高度增大结势垒高度增大, ,载流子漂移占优势，载流子漂移占优势， 反向电流很小、反向电流很小、饱和。饱和。 反向反向PNPN结的结电阻很大结的结电阻很大 (b)WbLnb的晶体管的晶体管 (a)“
5、背对背背对背”联接的二极管联接的二极管3.晶体管结构特点晶体管结构特点 WbNNB B，外延平面晶体管制造工艺外延平面晶体管制造工艺3.1.5 IC中的晶体管中的晶体管3.2 3.2 晶体管的放大原理晶体管的放大原理以均匀基区均匀基区NPN晶体管晶体管为例来讨论 3.2.1 晶体管直流电流放大系数晶体管直流电流放大系数0CEII0CBII3.2.2、晶体管内载流子的传、晶体管内载流子的传输输共基极晶体管偏置电路共基极晶体管偏置电路0CEII 发射结正偏发射结正偏V VBEBE， 集电结反偏集电结反偏V VBCBC1.能带图能带图2.各区少子分布各区少子分布3.各区电流分量各区电流分量发射结正向
6、注入电子电流发射结正向注入电子电流 发射结反向注入空穴电流发射结反向注入空穴电流 基区复合电流基区复合电流 集电结电子电流集电结电子电流 集电结反向饱和电流集电结反向饱和电流 从图中关系可得到从图中关系可得到 晶体管各极晶体管各极电流：电流： EnepeCncCBOBperbCBOIIIIIIIIIIneIpeIrbIncICBOI3.2.3、发射效率及基区输运系数、发射效率及基区输运系数011nenepeEnepeneIIIIIII0peneII，则1、发射效率、发射效率001ncnerbrbneneneIIIIIII 3.集电区倍增因子集电区倍增因子 2. 基区输运系数基区输运系数CnCI
7、I0rbneII，则一般情况下忽略反向饱和电流 CBOI，10000CnencCEEnencIIIIIIII3.2.43.2.4、共基极直流电流放大系数、共基极直流电流放大系数 011peneII01rbneII 3.2.5、共射极直流电流放大系数、共射极直流电流放大系数晶体管共发射极电路晶体管共发射极电路 BCII0CECIII0001ECECIIII1晶体管放大三要素：晶体管放大三要素： W Wb bLNNB B 。发射结正向偏置，集电结反向偏置。发射结正向偏置，集电结反向偏置。3.3 3.3 双极晶体管电流增益双极晶体管电流增益 直流电流增益即直流电流直流电流增益即直流电流 放大系数放大
8、系数*0000,nepencCBOrbIIIII 步骤是：步骤是：v1）从实际问题中抽象出理论模型，提出基本假设。）从实际问题中抽象出理论模型，提出基本假设。v2）求出各区在外电压下）求出各区在外电压下“非少子非少子”的边界值。的边界值。v3）解连续性方程，求出各区）解连续性方程，求出各区“非少子非少子”的密度分布。的密度分布。v4）由电流密度方程和少子密度分布求各分电流密度。）由电流密度方程和少子密度分布求各分电流密度。v5）求出）求出Jne、Jnc、Jpe等电流密度。等电流密度。 得到晶体管电流得到晶体管电流 增益增益与内部参数关系。与内部参数关系。 电流密度方程电流密度方程：nnJnqE
9、ppJpqEnndnJqDdxppdpJqDdx 电子扩散电流：电子扩散电流：空穴扩散电流：空穴扩散电流：电子漂移电流：电子漂移电流：空穴漂移电流：空穴漂移电流：3.3.1 均匀基区晶体管直流电流增益均匀基区晶体管直流电流增益 均匀基区晶体管一维理想模型均匀基区晶体管一维理想模型以以NPN晶体管共基极连接为例，并采用一维模型及下列近似晶体管共基极连接为例，并采用一维模型及下列近似 ：v（1）发射结、集电结为理想突变结，且为平行平面结；）发射结、集电结为理想突变结，且为平行平面结；v（2）NE、NB、NC均为常数；均为常数；v（3）外加电压全部降落在）外加电压全部降落在PN结势垒区，其他为电中性
10、区；结势垒区，其他为电中性区；v（4）电流为小注入；）电流为小注入；v（5）不考虑）不考虑PN结势垒区的复合产生电流；结势垒区的复合产生电流；v（6）不考虑表面复合电流。）不考虑表面复合电流。晶体管的晶体管的一维模型坐标一维模型坐标： 集电结反偏，势垒区电集电结反偏，势垒区电场增大，势垒高度增高；场增大，势垒高度增高； 势垒区边界势垒区边界“少子少子”被被抽出，抽出， “少子少子”密度近似密度近似为为0。 放大工作：放大工作：v 晶体管发射结正偏。晶体管发射结正偏。v 发射结两侧有发射结两侧有“少子少子”积积累。累。v 设势垒区很窄，载流子服设势垒区很窄，载流子服从波尔兹曼分布从波尔兹曼分布
11、。 1、各区、各区“少子少子”密度分布密度分布 2020bbbnbnbxxdnnnDdxnbnbnbLD 0bbbxxnnn nbnbxxLLbxnAeBe(1)非平衡少数载流子电子的一维扩散方程：非平衡少数载流子电子的一维扩散方程：1).P型基区型基区“少子少子”电子密度分布电子密度分布00(0)BEqVkTbbxnn e时， ； bxW时，时，0BCqVkTbbbn Wn e(2).基区基区“少子少子”的边界值的边界值 00CBqVkTbbbn Wn e(3)(3)、基区、基区“少子少子”电子密度分布电子密度分布 00011BCBEqVqVbkTkTbbnbnbbbbnbWxxneshne
12、shLLn xnWshLbnbWL（a）当，00BCqVkTBCBCkTVVeq（b）当，即 00011BEqVkTbbbbbbxxnxnnenWW 01BEqVkTbbbxnxn eW1,zshzznbnbxxshLL2)、发射区发射区“少子少子”空穴密度分布空穴密度分布 20220eped Pe xPe xPdxL(1).少子空穴一维扩散方程少子空穴一维扩散方程 (2).发射区少子密度的边界值发射区少子密度的边界值0()eeeexWP WP时，0()BEqVkTeeeexxP xP e=0时， 010qVBEkTeeWxePeL ePWeL ePP xPeshsh(3).发射区非平衡少数载
13、流子空穴的密度分布发射区非平衡少数载流子空穴的密度分布 当,ePeWL 001BEqVkTeeePeWeP xPeWx1,eePPWWL eL eshzshzz 3)、集电区的、集电区的“少子少子”空穴密度分布空穴密度分布CPCWL 000(1)BCpcpcxxqVLLkTccccP xPPeeP e 000BCqVkTccccxxP xP e0(,)ccCccpccxWP WPWLW 2.电流密度分布：电流密度分布： 0011BCBEbnbnbqVqVbkTkTbbnbnbnbbnbnbdnxJxqDdxWxxnechnechLLqDWLshL 1)基区电子扩散电流密度基区电子扩散电流密度
14、基区电子电流的边界值为：基区电子电流的边界值为： 0csc11BCBEqVqVnb bbbkTkTbnbbnbnbnbqD nWWx WJWhectheLLL 0001csc1BCBEqVqVnb bbbkTkTnbnbnbnbqD nWWxJctheheLLL 当1bnbWL双曲函数展开成泰勒级数并取一级近似，双曲函数展开成泰勒级数并取一级近似，有1,bnbWxchL1,nbxchL,bbnbnbWWshLL,BCkTVq且0,BCV所以 0,BCqVkTe 故得0BEqVnbbkTnbbqD nJeW 时，时， 2).发射区空穴电流密度分布发射区空穴电流密度分布( )epepedp xJx
15、qDdx 01eBEpeepeWxqVLpeekTpeeWpeLchqD PJxexxLsh 当0exx时： 00111BEBEepeqVqVpeepeekTkTpeeWpeeLqD PqD pJxeeLWth()ePeWLcpcpcdpxJxqDdx 001BCcqVpcckTpccpcxxqD pJxeL 3).集电区空穴电流密度分布集电区空穴电流密度分布53WeWbWcxexc3、均匀基区晶体管电流增益、均匀基区晶体管电流增益 1)、共基极直流电流放大系数、共基极直流电流放大系数011111111nepepeBbebEbenenbEeJJD N WWRJRWJD N Web , Rebe
16、bRWWeb其中，分别是发射区、基区的方块电阻（单位： ）0发射效率发射效率/0/01()(1)()(0)()(1)csc ()(1)BEpeepeBCBEqVkTLpeeWLpepeeqVkTqVkTnenbnbbbbnbnbnbqD PethJJxJJqD nWWctheheLLL00()epebpepeenbnbWnenbbpeLWthJD P LLJD n Lth bnbWL ()bbnbnbWWthLL ， epeWL ()eepepeWWthLL22pepeb0e0penbDD n ,P ; , DpepbiinbBEnbnbnennDkTNNq又20()11(0)2ncnbbbn
17、enbnbJJWWJJL 2200 02222222211122(1)1() 11112221peBbbbpeBbnbnbEenbnbEebebbebbebnbbenbbenbbeD NWWWD NWLD NWLD NWWWWWWWLWLWLW 基区输运系数基区输运系数:2)、共射极直流电流放大系数、共射极直流电流放大系数0112202222peBbbebbnbEenbbenbD N WWWWD N WLWL0000111 式中，第一项为发射极空穴电流与电子电流之比，式中，第一项为发射极空穴电流与电子电流之比，为发射效率项，为发射效率项， 第二项为基区复合电流与发射极电子电流之比，第二项为基区
18、复合电流与发射极电子电流之比，称为体复合项。称为体复合项。 3.3.2 3.3.2 缓变基区晶体管的电流增益缓变基区晶体管的电流增益1、杂质分布及杂质自建电场、杂质分布及杂质自建电场 基区杂质存在浓度梯度，基区杂质存在浓度梯度， “ “多子多子”存在浓度梯度，存在浓度梯度， 产生杂质自建电场。产生杂质自建电场。外延平面管杂质分布及外延平面管杂质分布及 基区自建电场基区自建电场1).基区基区 电场阻止基区空穴的继续扩散。当电场产生的空穴漂电场阻止基区空穴的继续扩散。当电场产生的空穴漂移流与杂质浓度梯度所引起的扩散流相抵消，这一电场移流与杂质浓度梯度所引起的扩散流相抵消，这一电场达到稳定。称为达到
19、稳定。称为缓变基区自建电场缓变基区自建电场。( )( )11( )( )( )bBbbBdp xdNxkTkTE xqp xdxqNxdx设设基区杂质按基区杂质按指数分布：指数分布： 基区自建电场的表示式为：基区自建电场的表示式为：/( )(0)bWxBBNxNe(0)ln()BBbNN W称为称为电场因子电场因子，反映了基区自建电场的强弱。，反映了基区自建电场的强弱。 ( )bbkTExq W 自建电场 的作用：电子在基区兼有扩散和漂移两种运动，即基区电子电流由扩散电流和漂移电流两部分组成. bEbE 加速电场2)、发射区、发射区 发射区杂质自建电场发射区杂质自建电场)(xEe。( )1(
20、)( )EeEdNxkTE xqNxdx 方向：由发射区表面指向发射结，故对于注入发射区的方向：由发射区表面指向发射结，故对于注入发射区的空穴是一阻滞场，空穴是一阻滞场， 在该电场作用下，空穴电流也有扩散和漂移二部分，在该电场作用下，空穴电流也有扩散和漂移二部分，但方向相反。但方向相反。 自建电场作用：基区电子电流密度表示为：自建电场作用：基区电子电流密度表示为： ( )( )( )( )bnbnbbbnbdn xJxqn x E xqDdx2、缓变基区晶体管电流密度、缓变基区晶体管电流密度1).基区电子电流密度基区电子电流密度 20000(0)( )( )BEbbqVkTBbnbinenbn
21、bWWBBNnqD n eJJqDNx dxNx dx 2).基区复合电流基区复合电流 0bBnbWQbrbnbnxIAqdx22221nebnebrbnbnbnbAJ WI WeIDL 3)、发射区空穴电流密度、发射区空穴电流密度( )( )( )( )epepeeepedP xJxqP xE xqDdx20( )BEepeiqVkTpeWEqD nJeNx dx3、缓变基区晶体管电流增益、缓变基区晶体管电流增益000011( )11( )beWpepeBWnenbEJDNx dxJDNx dx0111111BBpebbbpbeEEebnbeeneD N WqN WWWD N WqN W1)
22、1)、共基极直流电流增益、共基极直流电流增益pepbnbnepepenbnbDD发射效率发射效率:ENeBNb 发射区内平均杂质浓度 发射区平均电阻率 基区平均杂质浓度 基区平均电阻率 2*0211rbbnenbIIWncIILne 211e其中：基区输运系数基区输运系数:20001111bBnbpebEnbeWLD N WD N W2202111111BpebbbebEnbnbnbeebRbeRbnbD N WWWWLLD N WWWL 则有：2(0)1101()2BBbNeNW 2012*12bnbWL当 ，此时为均匀基区情况。 当很大： 20111*1bnbWL 2)、共射极直流电流放大
23、系数、共射极直流电流放大系数10001 1201122111BpebbEnbnbeRbebbeRbnbnbebD N WWLD N WWWWLLW03.3.3 3.3.3 影响电流放大系数的因素影响电流放大系数的因素 1 1、提高电流放大系数的主要途径提高电流放大系数的主要途径 1)1)减小基区宽度减小基区宽度 基区越窄，浓度梯度越大，自建电场越大，基区越窄，浓度梯度越大，自建电场越大， 基区越窄，基区的复合损失越小，基区的复合损失与基区宽基区越窄，基区的复合损失越小，基区的复合损失与基区宽度度W Wb b的平方成正比。的平方成正比。 2)2)、提高发射区的杂质浓度与基区杂质浓度比、提高发射区
24、的杂质浓度与基区杂质浓度比N NE E/N/NB B 一般一般NES/NBS102，即发射区表面杂质浓度一般比基区扩散层，即发射区表面杂质浓度一般比基区扩散层表面杂质浓度高两个数量级。表面杂质浓度高两个数量级。 3)3)、提高基区电场因子，实际上提高基区的杂质浓度梯度、提高基区电场因子，实际上提高基区的杂质浓度梯度 4)4)、提高基区、提高基区“少子少子”寿命寿命 “少子少子” ” 寿命寿命nbnb长，扩散长度越长，则复合得越慢，长，扩散长度越长，则复合得越慢，放大系数越大。放大系数越大。 2.2.发射结势垒复合发射结势垒复合 正向电流很小，发射效率有明显的减小，势垒复合电流正向电流很小，发射
25、效率有明显的减小，势垒复合电流有可能比注入到基区的电子电流还大。有可能比注入到基区的电子电流还大。 体内复合的同时，也可通过基区表面复合，如果表面缺体内复合的同时，也可通过基区表面复合，如果表面缺陷较多，复合加快。陷较多，复合加快。 基区宽变效应即基区宽度随着外加电压变化，导致电基区宽变效应即基区宽度随着外加电压变化，导致电流放大系数变化的现象；亦称厄尔利效应流放大系数变化的现象；亦称厄尔利效应(Early(Early效应效应) ) 发射区掺杂过重，会产生禁带变窄、俄歇复合等附加效应，发射区掺杂过重，会产生禁带变窄、俄歇复合等附加效应，使发射区有效杂质浓度降低，发射效率下降。使发射区有效杂质浓
26、度降低，发射效率下降。 5.基区宽变效应基区宽变效应4.表面复合表面复合3.发射区重掺杂效应发射区重掺杂效应 共射极输出特性曲线上共射极输出特性曲线上 点的切线与点的切线与 轴负方向轴负方向交于一点，该点电压称为交于一点，该点电压称为Early电压电压，0BCVCEVEarly电压电压VEA30012BpbpEAsobqN x WxVW 非均匀基区非均匀基区NPN晶体管，集电结为线性缓变结：晶体管，集电结为线性缓变结：均匀基区均匀基区NPN晶体管：晶体管：32001pbpEAsobq x WxVW 3.4 3.4 晶体管的反向特性及基极电阻晶体管的反向特性及基极电阻 3.4.1 3.4.1 反
27、向截止电流反向截止电流 v晶体管某二个电极间加反向电压，另一电极开路时晶体管某二个电极间加反向电压，另一电极开路时流过管中的电流称为流过管中的电流称为反向截止电流反向截止电流。v1)I IEBOEBO：集电极开路，发射极与基极间反偏，流过发集电极开路，发射极与基极间反偏，流过发射结的电流。射结的电流。1、定义、定义v3)、ICEO：基极开路，发射极和集电基极开路，发射极和集电极间反偏，流过发射极和集电极的电极间反偏，流过发射极和集电极的电流。流。v 2)、ICBO：发射极开路，集电极和发射极开路，集电极和基极间反偏，流过集电结的电流。基极间反偏，流过集电结的电流。2、反向电流的来源与大小、反向
28、电流的来源与大小 实际的晶体管反向电流应包括反向扩散电流，势垒产生电流实际的晶体管反向电流应包括反向扩散电流，势垒产生电流和表面漏电流。和表面漏电流。 对对Ge管：主要是反向扩散电流管：主要是反向扩散电流对对Si管：主要是管：主要是势垒产生电流势垒产生电流，表面电流视工艺而定，表面电流视工艺而定RrdrgsIIII1)、ICBO2)、IEBO 3)3)、I ICEOCEO00CECBOBCECEOIIIIIII由电流关系令则：0CEOCEOCBOIII0(1)CEOCBOII001(1)1CEOCBOCBOIII则有：3.4.2 3.4.2 晶体管反向击穿电压晶体管反向击穿电压 PN结的反向偏
29、压增大到某一值结的反向偏压增大到某一值VB时，反向电流时，反向电流突然上升的现象称为突然上升的现象称为PN结击穿结击穿，VB为为击穿电压击穿电压。 晶体管某一极开路，另二极之间所能承受的最大晶体管某一极开路，另二极之间所能承受的最大反向电压即为晶体管反向击穿电压反向电压即为晶体管反向击穿电压 。1 1、BVBVEBOEBO 定义：定义：集电极开路，发射极一基极间所能承受集电极开路，发射极一基极间所能承受的最大反向电压，即的最大反向电压，即发射结的反向击穿电压发射结的反向击穿电压。 实际器件的测试中，规定为某一反向电流下所对应实际器件的测试中，规定为某一反向电流下所对应的击穿电压大小。发射结二边
30、掺杂浓度较高，且为单的击穿电压大小。发射结二边掺杂浓度较高，且为单边结，一般可近似为单边突变结边结，一般可近似为单边突变结。 高阻边的杂质浓度愈低，击穿电压越高：高阻边的杂质浓度愈低，击穿电压越高： N NB B ， BVBVEBOEBO 2 2、BVBVCBOCBO BV BVCBOCBO为发射极开路，集电极基极间所能承受为发射极开路，集电极基极间所能承受的最大反向电压，即的最大反向电压，即集电结的反向击穿电压集电结的反向击穿电压。 大小：大小：SiSi平面管：平面管：N NB B N NC C N NC C BV BVCBOCBO Ge Ge合金管：合金管：N NB B N0，VBC=0，
31、 CFFEFII/1BEqVkTEFESFIIeI/1BEqVkTCFFEFFESIIIe00()peenbbESbpeqD pqD nIAWLESI称为集电极短路时发射极反向饱和电流； 倒向晶体管：倒向晶体管：VBC0， VBE=0， CRRERII/1BCqVkTERCSRIIeI/1BCqVkTCRRERRCSIIIe00()pccnbbCSbpcqD pqD nIAWLCSI称为发射极短路时集电结的反向饱和电流。 0/00(1)()(1)BCBEpccqVkTqVkTnbbnbbCbbpcqD pqD nqD nIAeeWWL (3.5.2) 正向晶体管和倒向晶体管的叠加正向晶体管和倒向晶体管的叠加:EEFCRFRRIIIII CCFERFEFERIIIII/1111BCBEBCBEqVkTqVkTEESRCSqVkTqVkTCFESCSIIeIeIIeIe E-M方程方程和和 (3.5.1) (3.5.2)比较比较0nbbFESRCSbqD nIIAWFRCSESIIIEB0，有IC=0，VBE0， 2 2、EM1EM1模型模型 (1)EBOFRESII ICBO，有IE=0，VBC0， (1)CBOFRCSII 1EBOESFRII 1CBOCSFRII /11BEBCqVkTERCEBOqVkTCFECBOIIIeIIIe3 3、等效电路、等效电路
