第12章--双极晶体管.ppt

1、第十二章 双极晶体管,2015年12月4日,2,第10章双极晶体管,10.1双极晶体管的工作原理10.2少子的分布10.3低频共基极电流增益10.4非理想效应10.5等效电路模型10.6频率上限10.7大信号开关 双极IC中，npn型管的特性优于pnp型管。,晶体管概况,晶体管是多功能的半导体器件，能过和其他电子无件的互连，可以用来放大电流、放大电压和放大功率；晶体管是有源器件，二极管是无源器件;晶体管的基本工作原理：在器件的两个端点之间施加电压，从而控制第三端的电流;晶体管类型有三种：双极晶体管(BJT)、金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)和结型场效应晶体管(JFET)。,双极晶体

2、管（BJT）,双极晶体管器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子；双极晶体管中少子的分布是器件物理的重要部分少子浓度梯度产生扩散电流；双极晶体管是一个电压控制电流源。,5,12.1双极晶体管的工作原理,结构和符号三个区域、三个电极、二个pn结,1、相对于少子扩散长度，基区的宽度很小；2、（+）号表是非常重掺杂，（+）表是中等程度掺杂；3、发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低。4、Emitter(发射极),Base(基极),Collector(集电极),箭号表是电流方向,6,12.1双极晶体管的工作原理,剖面图,7,12.1双极晶体管的工作原理,IE=IC+IB,VEC=VEB+VBC=-VB

3、E-VCB,四种工作模式VBE、VCB 正反、反反、反正、正正,正向有源（放大）,截止,反向有源,饱和,8,三极管的三种连接方式,三极管在电路中的连接方式有三种：共基极接法；共发射极接法，共集电极接法。共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公共端。必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。即必须给发射结加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电结加反向偏置电压（一般几几十伏），在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。,9,12.1双极晶体管

4、的工作原理 基本工作原理,杂质浓度,10,回顾8.1 pn结电流定性描述,11,正向有源模式,虚实线表示的意义,12,12.1双极晶体管的工作原理,截面图：注入和收集,13,12.1双极晶体管的工作原理12.1.2晶体管电流的简化表达式,简化电流,复合电流,正偏电流,空穴(B-E),电子(E-B),14,12.1双极晶体管的工作原理,集电极电流,扩散电流,ABE为B-E结横截面积；nB0为基区内热平衡电子浓度；Vt为热电压。,只考虑大小：,集电极电流由基极和发射极之间的电压控制，即器件一端的电流由加到另外两端的电压控制。,15,12.1双极晶体管的工作原理,发射极电流,IC、IE均正比于VBE

5、/Vt，因此电流之比为常数。,共基极电流增益1,恒流源,16,12.1双极晶体管的工作原理,基极电流,也正比于,共发射极电流增益1,17,12.1双极晶体管的工作原理 12.1.3工作模式,工作模式,当VBE0，B-C结反偏，IC=0，晶体管处于截止区,当基极电流变化时，集电极电流没有变化，处于饱和区,当IC=IB时，晶体管处于正向有源区,饱和区,放大区,截止区,18,12.1双极晶体管的工作原理 12.1.4放大电路,共射放大电路,放大电路波形,19,12.2 少子的分布,晶体管中的电流是由少子的扩散决定的，少子的扩散是由少子的梯度产生，因而计算晶体管中的电流，须确定晶体管中三个区中少子的分

6、布。,20,12.2少子的分布 12.2.1正向有源模式,单独考虑发射区x、基区x、或集电区时x，把起始点移到空间电荷区的边界。,假定：发射区和集电区比较长，基区相对于少子扩散长度则较窄。,21,12.2少子的分布 12.2.1正向有源模式,非平衡少子的浓度,发射区：,基 区：,集电区：,假定：发射区和集电区比较长，基区相对于少子扩散长度则较窄。,22,12.2少子的分布 12.2.2,其他工作模式：截止和饱和时的少子分布,每个空间电荷区的边界，少子浓度为零。,每个空间电荷区的边界存在过剩少子，集电极存在电流。,23,12.2少子的分布 12.2.2,其他工作模式：反向有源区,B-C结面积比B

7、-E结面积大得多，因此不是所有电子都能被子发射极收集。因而正向有源模式和反向有源模式的特性有很大不同。,24,12.3低频共基极电流增益集电极电流与发射极电流之比,电流成分-粒子流,正偏电子流,反向饱电流,正偏复合电流,反偏产生电流,正偏空穴流,基区复合电流,25,12.3低频共基极电流增益,电流成分,电流JRB，JPE和JR仅是B-E结电流，对集电极电流没有贡献；电流Jpco，JG仅是B-C结电流；这些电流对电流增益没有贡献。,26,12.3低频共基极电流增益,直流共基极电流增益：,若集电结和发射结横截面积一样，则有：,小信号共基极电流增益定义：,JG，Jpc0仅是B-C结电流，不是JE的函

8、数,发射极注入效率系数,基区输运系数,复合系数,27,12.3低频共基极电流增益 12.3.2,发射极注入效率系数,为使1对各参数应如何要求？,28,12.3低频共基极电流增益,基区输运系数,为使1对各参数应如何要求？,29,12.3低频共基极电流增益,复合系数,复合系数是B-E结电压的函数，随B-E结电压的增加，复合电流所占的比例更小，复合系数接近于1。,30,12.3低频共基极电流增益 12.3.3,共发射极电流增益,共基极电流增益,输出与输入的比值,对直流分析和小信号均成立,是增函数？,31,32,12.4 非理想效应,基区宽度调制效应：厄尔利（Early厄利）效应,随B-C结反偏电压的

9、增加，B-C结空间电荷区宽度增加，基区宽度减小，使得少子浓度梯度增加，这种效应称为基区宽度调制效应（基区宽变效应）。,33,12.4 非理想效应,基区宽度调制效应,Early电压典型值在100-300V之间。,厄利电压：集电极电流特性曲线反向延长线使集电极电流为零，则曲线与电压轴相交于一点，该点定义为厄利电压。,g0为输出电导。,P365例12.5,12.4 非理想效应,基区宽度调制效应,基区宽度的减小，导致如下系数的增大：,35,12.4非理想效应 12.4.2,大注入效应,随VBE的增加，注入的少子浓度开始接近，甚至变得比多子浓度还要大。,36,12.4非理想效应,大注入效应一：发射极注入

10、效率降低，JpE增加；大注入效应二：集电极电流增速变小；,与pn结二极管中的串联电阻类似。,37,12.4非理想效应 12.4.3发射区禁带变窄,发射区禁带变窄发射区热平衡少子浓度P0增加发射区注入效率降低,发射区掺杂浓度很高时，由于禁带变窄效应，会使电流增益比理想状况下小。,38,12.4非理想效应 12.4.4电流集边效应,电流集边效应：导致局部过热或局部大注入,电势从发射极边缘向中心减小，有较多的电子从发射极边缘注入，从而使发射极电流集中在边缘；发射区边缘的电流密度较大，会导致局部过热，也会导致局部的大注入。,39,12.4非理想效应 12.4.5基区非均匀掺杂的影响,非均匀掺杂：杂质浓

11、度梯度导致静电场，改变少子分布.,基区中非均匀掺杂感生出的静电场，会对电子在向集电区的方向上产生推动作用，也即帮助少子越过基区。该静电场称为加速场。这使得注入到基区的电子进一步加速通过基区，降低了在基区与空穴的复合率，从而比理想情况下，增大了电流增益。,40,12.4 非理想效应 12.4.6击穿电压,击穿电压：穿通击穿（距离太近）和雪崩击穿（较远）,穿通：随反偏B-C结电压的增加，B-C结空间电荷区宽度扩展到B区中性区中。B-C结耗尽区穿透基区到达B-E结，即与发射结势垒区相连，这种现象称为穿通。,12.4 非理想效应 12.4.6击穿电压,WB为基区的（冶金）宽度，xdB是B-C结延伸进基

12、区中的空间电荷区宽度，若忽略B-E结在零偏或正偏时的空间电荷的宽度，则当xdB=WB时，会出现穿通：,Vpt是穿通时B-C结的反偏电压，忽略Vbi，得:,41,12.5等效电路模型,双极晶体管在电子电路中的应用总体可分两大类：开关器件和放大器件。开关：通常是指把一个晶体管从它的关态或是截止态转变为开态，也就是正向有源或是饱合,然后再回到截止态。放大：是把正弦信号叠加在直流之上，只在偏置电压或电流附近做微扰。E-M(Ebers-Moll)模型应用于开关电路中；H-P(Hybird-Pi)模型应用于放大电路中。,42,43,12.5等效电路模型,E-M模型：两个pn结相互作用，多用于开关电路。,F

13、是晶体管工作于正向有源区时的共基极电流增益；IES是反偏B-E结电流；ICS是反偏听偏信B-C结电流；R是晶体管工作于反向源区时的共基极电流增益。,44,12.5等效电路模型,H-P模型,45,12.5等效电路模型,H-P模型，多应用于放大电路。,集电极电流,厄尔利效应电阻,46,12.6频率上限,延时因子,发射区到集电区的总延时：,双极晶体管是一种时间度越器件；随着频率的增加，度越时间变得可以和输入信号的周期差不多，此时，输出信号不再和输入信号同相，电流增益的幅度将会下降。,12.6频率上限,电流增益是频率的函数，共基极电流增益：,12.6频率上限,电流增益是频率的函数，共发射极电流增益：,

14、共发射极电流增益的幅值下降到其低频值的时的频率,49,12.6频率上限,P385例12.14,50,12.7大信号开关,延迟时间,存储时间,上升时间,下降时间,51,12.7大信号开关,肖特基钳位晶体管：使VBC不会太高，少子浓度降低而加快速度。,减少存储时间、提高晶体管的转换速度的一种常用的方法是采用肖特基钳位晶体管。,（1）晶体管在正向有源区时，B-C结反偏，肖特其二极管反偏，在电路中不起作用；（2）当晶体管进入饱和区时，B-C结正偏，肖特基二极管也变为正偏，而由于肖特基二极管是pn结的一半，大部分过剩基极电流都被肖特基二极管从基区中分流，存储在基区和集电区的过剩少子的数量大减少，这样减少小了存储时间。,本章小结,本章小结,本章小结,55,作 业,P393复习题：6，1212.6,