第三章第三章 双极型晶体管的直流特性双极型晶体管的直流特性内容内容3.1 双极晶体管基础双极晶体管基础3.2 均匀基区晶体管的电流放大系数均匀基区晶体管的电流放大系数3.3 缓变基区晶体管的电流放大系数缓变基区晶体管的电流放大系数3.4 双极晶体管的直流电流电压方程双极晶体管的直流电流电压方程3.5双极晶体管的反向特性双极晶体管的反向特性3.6 基极电阻基极电阻3.1 双极晶体管的基础双极晶体管的基础由两个相距很近的由两个相距很近的由两个相距很近的由两个相距很近的pnpn结结结结组成：组成：组成：组成：分为：分为：分为：分为：npnnpn和和和和pnppnp两种形式两种形式两种形式两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射结结集集电电结结发发射射极极集集电电极极基极基极1、双极型晶体管的结构 双极型晶体管的结构示意图如图所示。双极型晶体管的结构示意图如图所示。它有两种类型它有两种类型:npn型和型和pnp型。型。 e-b间的pn结称为发射结(Je) c-b间的pn结称为集电结(Jc) 中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）； 一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）； 另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。两种极性的双极型晶体管两种极性的双极型晶体管8/20/2024 双极型晶体管的符号在图的下方给出，发双极型晶体管的符号在图的下方给出，发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。射极的箭头代表发射极电流的实际方向。 从外表上看两个从外表上看两个N区区,(或两个或两个P区区)是对称是对称的，实际上的，实际上发射区的掺杂浓度大发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂集电区掺杂浓度低浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄，且集电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。其厚度一般在几个微米至几十个微米。 加在各加在各PN 结上的电压为：结上的电压为：PNP 管：管：NPN管：管： 根据两个结上电压的正负，晶体管可有根据两个结上电压的正负，晶体管可有 4 种工作状态：种工作状态：E 结结 工作状态工作状态放大状态，用于模拟电路放大状态，用于模拟电路饱和状态，用于数字电路饱和状态，用于数字电路截止状态，用于数字电路截止状态，用于数字电路倒向放大状态倒向放大状态C 结结 2、偏压与工作状态、偏压与工作状态放大状态：放大状态：饱和状态：饱和状态：截止状态：截止状态：倒向放大状态：倒向放大状态：3、少子分布与能带图、少子分布与能带图 NPN 晶体管在平衡状态下的能带图：晶体管在平衡状态下的能带图：ECEFEVNNP 4、NPN 晶体管在晶体管在 4 种工作状态下的能带图：种工作状态下的能带图： NPN 晶体管在晶体管在 4 种工作状态下的能带图：种工作状态下的能带图：放大状态：放大状态：饱和状态：饱和状态：截止状态：截止状态：倒向放大状态：倒向放大状态： （1） 基区必须很薄，即基区必须很薄，即WB NB 。 晶体管放大电路有两种基本类型，即晶体管放大电路有两种基本类型，即 共基极接法共基极接法 与与 共发射共发射极接法极接法 。 先讨论共基极接法（以先讨论共基极接法（以PNP 管为例）：管为例）：BECBPNPNENBNCIEIBICVP区区N区区0 为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下 PN 结中结中的电流：的电流： 忽略势垒区产生复合电流，忽略势垒区产生复合电流， 处于放大状态的晶体管内部的处于放大状态的晶体管内部的各电流成分如下图所示：各电流成分如下图所示： 从从 IE 到到 IC ，发生了两部分亏损：发生了两部分亏损： InE 与与 In r 。 要减小要减小 InE ，就应使就应使NE NB ； 要减小要减小In r ，就应使就应使WB LB 。 定义：定义：发射结正偏，集电结零偏时的发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与与 IE 之比，称为之比，称为共基极直流短路电流放大系数共基极直流短路电流放大系数，记为，记为，即：即：BECBPNPNENBNCIEIBIC 共发射极接法：共发射极接法： 定义：定义：发射结正偏，集电结零偏时的发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与与 IB 之之比，称为比，称为共发射极直流短路电流放大系数共发射极直流短路电流放大系数，记为，记为，即：即：ECBNPIEIBICPE 根据根据 ，及，及 的关系，可得的关系，可得与与之间有如之间有如下关系：下关系： 对于一般的晶体管，对于一般的晶体管，= 0.9500.995， = 20200 。 定义：定义：由发射结注入基区的少子电流由发射结注入基区的少子电流 IpE 与与总的发射极电流总的发射极电流IE 之比，称为之比，称为 注入效率注入效率（或（或 发射效率发射效率），记为），记为 ，即：，即：2、电流放大系数中间参数的定义、电流放大系数中间参数的定义 定义：定义：基区中到达集电结的少子电流基区中到达集电结的少子电流 IpC 与从发射结注入基与从发射结注入基区的少子电流区的少子电流 IpE 之之比，比， 称为称为 基区输运系数基区输运系数，记为，记为*，即：即： 由于空穴在基区的复合，使由于空穴在基区的复合，使 JpC JpE 。3.基区传输系数基区传输系数 1)用电流密度方程求基区传输系数用电流密度方程求基区传输系数用连续性方程用连续性方程求解基区非平求解基区非平衡载流子浓度衡载流子浓度 这里必须采用薄基区二极管的精确结果这里必须采用薄基区二极管的精确结果 ，即，即:pB(0)pB(x)x0WB近似式，忽略基区复合近似式，忽略基区复合精确式，考虑基区复合精确式，考虑基区复合 再利用近似公式：再利用近似公式： ( x 很小时），得：很小时），得： 根据基区输运系数的定义，得：根据基区输运系数的定义，得： 静态下的空穴电荷控制静态下的空穴电荷控制方程为：方程为：2)利用电荷控制法来求利用电荷控制法来求* 。 另一方面，由薄基区二极管的另一方面，由薄基区二极管的 近似近似 公式：公式： 从上式可解出：从上式可解出： ，代入，代入 Jpr 中，得：中，得：BEC0WBJpEJpC 上式中，上式中， 即代表了少子在基区中的复合引起的电即代表了少子在基区中的复合引起的电流亏损所占的比例。要减少亏损，应使流亏损所占的比例。要减少亏损，应使WB，LB。 的典型值：的典型值：WB =1m，LB =10 m ，= 0. 9950 。3、基区渡越时间、基区渡越时间 定义：定义：少子在基区内从发射结渡越到集电结所需要的平均少子在基区内从发射结渡越到集电结所需要的平均时间，称为少子的时间，称为少子的 基区渡越时间基区渡越时间，记为，记为 。 可以设想，在可以设想，在 期间，基区内的少子全部更新一遍，因此：期间，基区内的少子全部更新一遍，因此：。将：。将： 代入，得：代入，得：。因此。因此 又可表为：又可表为： 注意注意 与与 的区别如下的区别如下： 的物理意义：的物理意义：时间，时间， 代表少子在单位时间内的复合几率，因而代表少子在单位时间内的复合几率，因而 就代表就代表少子在基区停留期间被复合的几率，而少子在基区停留期间被复合的几率，而 则代表未复合则代表未复合掉的比例，也即到达集电结的少子电流与注入基区的少子电流掉的比例，也即到达集电结的少子电流与注入基区的少子电流 4、表面复合的影响（自学）、表面复合的影响（自学）之比。之比。代表少子在基区停留的平均代表少子在基区停留的平均 5、注入效率、注入效率 定义：定义：由发射结注入基区的少子电流由发射结注入基区的少子电流 IpE 与与总的发射极电流总的发射极电流IE 之比，称为之比，称为 注入效率注入效率（或（或 发射效率发射效率），记为），记为 ，即：，即： 当当 WB LB 及及 WE NB ，即（即（NB /NE） 1 ，则上式则上式可近似写为：可近似写为： 已知：已知： ， 代入代入 中，中， 再利用爱因斯坦关系：再利用爱因斯坦关系： ，得：，得：注意：注意：DB 、DE 代表代表少子少子扩散系数，扩散系数，B 、E 代表代表多子多子迁移率。迁移率。得：得： 利用利用 方块电阻方块电阻 的概念，的概念， 可有更简单的表达式。方块电阻可有更简单的表达式。方块电阻表示一个正方形薄层材料的电阻，记为：表示一个正方形薄层材料的电阻，记为：R口口 。 对于均匀材料：对于均匀材料： 对于厚度方向（对于厚度方向（x方向）上不均匀的材料：方向）上不均匀的材料： 对于均匀掺杂的发射区与基区，有：对于均匀掺杂的发射区与基区，有：中，中，可将可将 表示为最简单的形式：表示为最简单的形式： 代入前面得到的代入前面得到的 公式公式 由由 ，可得：，可得： 6、电流放大系数与亏损因子、电流放大系数与亏损因子上式中：上式中： ，称为，称为 亏损因子亏损因子。