第12章双极晶体管讲述素材

第十二章双极晶体管2015年12月4日第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。2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。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51、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12.1双极晶体管的工作原理剖面图612.1双极晶体管的工作原理IEICIBVECVCBVBEIE=IC+IBVEC=VEB+VBC=-VBE-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7三极管的三种连接方式三极管在电路中的连接方式有三种：①共基极接法；②共发射极接法，③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。812.1双极晶体管的工作原理基本工作原理杂质浓度9回顾8.1pn结电流定性描述10•正向有源模式11虚实线表示的意义12.1双极晶体管的工作原理截面图：注入和收集1212.1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1Ei2Ei复合电流正偏电流空穴(B-E)电子(E-B)1Ei1312.1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：14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。12.1双极晶体管的工作原理发射极电流IC、IE均正比于VBE/Vt，因此电流之比为常数。共基极电流增益1恒流源1512.1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11612.1双极晶体管的工作原理12.1.3工作模式工作模式当VBE≤0，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=βIB时，晶体管处于正向有源区饱和区放大区截止区1712.1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1812.2少子的分布19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布。12.2少子的分布12.2.1正向有源模式20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。12.2少子的分布12.2.1正向有源模式非平衡少子的浓度21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。12.2少子的分布12.2.222正向有源（放大）截止反向有源饱和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。12.2少子的分布12.2.2其他工作模式：反向有源区23B-C结面积比B-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。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2412.3低频共基极电流增益电流成分25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。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的函数发射极注入效率系数基区输运系数复合系数262712.3低频共基极电流增益12.3.2nEnEpEJJJ发射极注入效率系数'''00(())(())EpEExBnEBxdpxJeDdxdnxJeDdx001tanh(/)1tanh(/)EEBBBBBEEEpDLxLnDLxL11BEBEBENDxNDx/BEBBEEVkTexLxL为使γ≈1对各参数应如何要求？2812.3低频共基极电流增益nCTnEJJ基区输运系数0(())(())BBnCBxxBnEBxdnxJeDdxdnxJeDdx2111(/)cosh(/)2TBBBBxLxL/BEBBVkTexL泰勒级数展开为使α≈1对各参数应如何要求？2912.3低频共基极电流增益nEpEnEnERpEnERJJJJJJJJ复合系数0000exp()2exp()tanh(/)BERrBBBEnEssBBBeVJJkTeDneVJJJkTLxL0011exp()2rBEsJeVJkT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。12.3低频共基极电流增益12.3.3共发射极电流增益CBII共基极电流增益CEIIEBCIII30输出与输入的比值对直流分析和小信号均成立是增函数？3112.4非理想效应基区宽度调制效应：厄尔利（Early厄利）效应32随B-C结反偏电压的增加，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）。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。0CCCECEAdIIgdVVV33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12.512.4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：12.4非理想效应12.4.2大注入效应35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。12.4非理想效应大注入效应一：发射极注入效率降低，JpE增加；大注入效应二：集电极电流增速变小；36与pn结二极管中的串联电阻类似。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PＥ0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。37kTENnNnPgEiEiEEexp220)/tanh()/tanh(1100EEBBEBBBEELxLxLDnLDP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38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。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：杂质浓度梯度导致静电场，改变少子分布.39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。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）40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211)(2BCBCptbiBdBNNNNeVVWxWB为基区的（冶金）宽度，xdB是B-C结延伸进基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:CBCBBptNNNNeWV)(224112.5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。4212.5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。43αF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；αR是晶体管工作于反向源区时的共基极电流增益。12.5等效电路模型H-P模型4412.5等效电路模型H-P模型，多应用于放大电路。45集电极电流厄尔利效应电阻12.6频率上限延时因子46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ffj10截止频率定义为是低频共基极电流增益，f0ecf21电流增益是频率的函数，共基极电流增益：ff1||1共发射极电流增益等于截止频率时当信号频率等于，ecTf2112.6频率上限截止频率称为f0Tffffj10电流增益是频率的函数，共发射极电流增益：关系截止频率与截止频率的0110Tffj共发射极电流增益的幅值下降到其低频值的时的频率1/212.6频率上限49P385例12.1412.7大信号开关延迟时间存储时间上升时间下降时间5012.7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。51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作业55P393复习题：6，1212.6人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。