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1、,3 双极结型晶体管,教 师：黄辉 办公室：创新园大厦A1226,2,1.双极结型晶体管发展历史 2.双极结型晶体管的结构 3.双极结型晶体管的基本工作原理 4.理想双极结型晶体管中的电流传输,本章内容,3.1 双极结型晶体管发展历史,1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain) 1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley) 1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley) 1956年制造出第一只硅结型晶体管-美得洲仪器公司（TI） 1956年Bardeen、
2、Shockley、Brattain获诺贝尔奖 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产,3.2双极结型晶体管的结构,硅双极晶体管结构（平面工艺）的剖面图,硅平面外延NPN晶体管的横截面示意图和工艺复合图,3.2双极结型晶体管的结构,芯片是通过以下步骤制造出来的： 1 衬底制备 衬底为低阻N型硅，电阻率在 左右，沿（111）面切成厚约 的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。 2 外延 外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。 3 一次氧化 高温生长的氧化层用来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。 4 光刻硼扩散窗口,3.2双极结型晶
3、体管的结构,芯片是通过以下步骤制造出来的：,5 硼扩散和二次氧化 硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向 硅中扩散，并起钝化作用。 6 光刻磷扩散窗口 7 磷扩散和三次氧化 磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。 8 光刻发射极和基极接触孔 蒸发铝 10 在铝上光刻出电极图形,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,双极晶体管有四种工作模式，相应地称为四个工作区。令 分别为基极对发射极和基 极对集电极的电压。则四种 工作模式是：,（1） 正向有源模式： 0， 0； （2） 反向有源模式： 0， 0； （3） 饱和模式： 0， 0； （4）
4、截止模式： 0， 0。,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,共基极连接晶体管的放大作用,NPN晶体管共基极放大电路,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,共基极连接晶体管的放大作用,NPN晶体管共基极能带图,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流分量,放大器工作时，NPN晶体管内的工作电流分量,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流分量,是从发射区注入到基区中的电子流。 是到达集电结的电子流。 是基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 是从基区注入到发射区的空穴电流 是发射结空间电荷区内的复合电流。 是集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区 产生电流。,3.3双极结型
5、晶体管的基本工作原理,电流分量,为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率,基区输运因子,共基极直流电流增益,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流增益,显然,利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成,考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,电流增益,集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,式中定义,共发射极接法,3.3双极结型晶体管的基本工作原理,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,1、电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义： （1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场；
6、 （2）结是理想的平面结，载流子作一维运动； （3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载流 子运动是一维的； （4）基区宽度远小于少子扩散长度； （5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上； （6）发射结面积和集电结面积相等； （7）小注入，等等,1、电流传输,理想双极结型晶体管杂质分布和耗尽区示意图以及所采用的坐标,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,1、电流传输 中性基区（0 ）少子电子分布及其电流：,边界条件为：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,1、电流传输,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,2、发射区少子空穴分布及其电流： 边界条件：
7、,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,空穴电流为：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,2、发射区少子空穴分布及其电流,若 则,3、集电区少子空穴分布及其电流 边界条件：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,4、正向有源模式 少数载流子分布,在 的情况下，上式简化为：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,4、正向有源模式,正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,5、电流分量 基区电子电流：,若 ,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,空穴电流,正偏压发射结空间电荷区复合电流：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,5、电流分量,3.4理想双极结型晶
8、体管中的电流传输,5、电流分量,晶体管的输出特性曲线,NPN 晶体管的静态电流电压特性,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,5、电流分量,6、共发射极电流增益,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,7、共发射极电流增益与工作电流的关系,电流增益对集电结电流的依赖关系,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结 在一般情况下，解发射区、基区、集电区少子扩散方程求出少子分布 基区少子电子分布,发射区少子空穴分布,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结 若 ,集电区少子空穴分布,8、小结 导出了少子电流公式,(1)基区电子电流,3.4理想双极结型晶
9、体管中的电流传输,8、小结,(2)发射区空穴电流,(3)集电区空穴电流：,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,导出了正向有源模式下少子分布,(1)基区电子分布 ：,在 的情况下,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,(2)发射区少子空穴分布 ：,若 ,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,导出了正向有源模式下少子电流：,(1)基区电子电流,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结,若 ,(2)空穴电流,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,8、小结 导出了基区输运因子表达式 分析了集电极电流、基极电流随发射结电压的变化 导出了共发射极电流增益表达式分析了其随工作电流的变化,若 ,3.4理想双极结型晶体管中的电流传输,
