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1、第三章 双极晶体管,3.1 双极晶体管及工作原理 3.1.1 概念介绍 3.1.2 基本工作原理 3.1.3 晶体管电流简介 3.1.4 工作模式 3.1.5 放大电路 3.2 少子分布 3.2.1 正向有源模式 3.2.2 其它工作模式 3.3 低频共基极电流增益 3.3.1 电流成分 3.3.2 电流增益的推导 3.3.3 电流增益的总结 3.4 非理想效应* 3.4.1 基区宽度调制效应 3.4.2 大注入效应,3.4.3 发射区禁带变窄 3.4.4 电流集边效应 3.4.5 基区非均匀掺杂 3.4.6 双极晶体管的击穿 3.5 等效电路模型 3.5.1 Ebers-Moll模型 3.5
2、.2 Gummel-Poon模型* 3.5.3 Hybrid-Pi模型 3.6 频率上限* 3.6.1 延时因子 3.6.2 截止频率 3.7 大信号开关* 3.7.1 开关特性 3.7.2 肖特基钳位晶体管 3.8 其它双极晶体管*,3.1 双极晶体管及工作原理 3.1.1 概念介绍,（1）NPN管,（2）PNP管,3.1.2 基本工作原理 （1）能带结构,（1）NPN管,（2）PNP管,Ec,Ev,EFi,EF,N区,P区,N区,Ec,Ev,EFi,EF,N区,P区,P区,电子电流（多） 空穴电流（少）,空穴电流（多） 电子电流（少）,3.1.3 晶体管电流简介 （1）电流成分,正向有源晶
3、体管电流,发射区 -n-,集电区 -n-,基区 -p-,电子电流,理想,实际,发射结电子电流,发射结空穴电流,集电结电子电流,集电结空穴电流,发射结空穴电流,基区复合电流,3.1.3 晶体管电流简介 （2）电流增益,发射区 -n-,集电区 -n-,基区 -p-,理想,实际,发射结正偏：,共基极电流增益：,共发射极电流增益：,3.1.4 工作模式,B,E,C,正向有源,反向有源,饱和,截止,正向有源：发射结正偏，集电结反偏； 截止：发射结反偏，集电结反偏； 饱和：发射结正偏，集电结反偏； 反向有源：发射结反偏，集电结正偏。,3.1.4 工作模式,负载线：,B,E,C,饱和,截止,正向有源,3.1
4、.5 放大电路,B,E,C,NPN管共发射极放大电路,3.2 少子分布 3.2.1 正向有源模式,发射区 -n-,集电区 -n-,基区 -p-,（1）基区：,B（p）,E（n）,C（n）,双极输运方程,边界条件,少子分布函数,3.2.1 正向有源模式,发射区 -n-,集电区 -n-,基区 -p-,（2）发射区：,B（p）,E（n）,C（n）,双极输运方程,边界条件,少子分布函数,3.2.1 正向有源模式,发射区 -n-,集电区 -n-,基区 -p-,（3）集电区：,B（p）,E（n）,C（n）,双极输运方程,边界条件,少子分布函数,3.2.2 其它工作模式 （1）截止模式,发射区 -n-,集电
5、区 -n-,基区 -p-,B（p）,E（n）,C（n）,发射结反偏 集电结反偏,均无少子堆积 电流近似为零,3.2.2 其它工作模式 （2）饱和模式,发射区 -n-,集电区 -n-,基区 -p-,B（p）,E（n）,C（n）,发射结正偏 集电结正偏,都有少子堆积 电流增益降低,3.2.2 其它工作模式 （3）反向有源模式,发射区 -n-,集电区 -n-,基区 -p-,B（p）,E（n）,C（n）,发射结反偏 集电结正偏,反向放大 效率低,3.3 低频共基极电流增益 3.3.1 电流成分,发射区 -n-,集电区 -n-,基区 -p-,3.3 低频共基极电流增益 3.3.1 电流成分,3.3.2
6、电流增益的推导,（1）直流增益：,（2）交流增益：,发射极注入效率系数,基区输运系数,复合系数,3.3.2 电流增益的小结,发射极注入效率系数,基区输运系数,复合系数,共基极电流增益,共发射极电流增益,3.4 非理想效应* 3.4.1 基区宽度调制效应,基区,少子分布,基区宽度随集电结偏压变化，引起少子分布斜率变化，造成集电极电流变化。,无调制效应,有调制效应,3.4.2 大注入效应,P型基区,少子分布,大注入效应,多子分布,短路电流增益,集电极电流IC,大注入时电流增益下降,3.4.3 发射区禁带变窄,增长阶段,禁带变窄,发射区掺杂浓度NE,发射区禁带变窄使注入效率降低,n型发射区,少子,多
7、子,发 射 极 注 入 效 率 ,低掺杂,高掺杂,3.4.4 电流集边效应,由于基区电阻使电流集中在边缘,理想情况,C,B,E,E,B,大功率晶体管 叉指电极结构,3.4.5 基区非均匀掺杂,非均匀掺杂产生感生电场，促进电子加速穿越基区。,集电区 Nd,基区Na+,发射区Nd+,掺 杂 浓 度,Ec,Ev,EFi,EF,N区,P区,N区,Ec,Ev,EFi,EF,感生电场,3.4.6 晶体管的击穿 （1）晶体管的穿通,Ec,Ev,EFi,EF,E,B,C,B（p）,E（n）,C（n）,B,E,C,B,E,C,3.4.6 晶体管的击穿 （2）雪崩击穿,B,E,C,B,E,C,B,E,C,P,N,
8、N,B,E,C,P,N,N,3.4.6 晶体管的击穿 （2）雪崩击穿,I-V 特性曲线:,电流和电压增益:,3.5 等效电路模型 3.5.1 Ebers-Moll模型,（1）两个pn结的耦合电流,（2）E-M等效电路模型,B,E,C,P,N,N,E,B,C,3.5 等效电路模型 3.5.1 Ebers-Moll模型,I-V特性曲线：,3.5 等效电路模型 3.5.2 Gummel-Poon模型,集电区 Nd,基区Na+,发射区Nd+,掺 杂 浓 度,非均匀掺杂电流公式修正：,基区：,发射区：,感生 电场,3.5 等效电路模型 3.5. Hybrid-Pi模型,（1）发射结正偏pn结：,B,B,
9、E,（2）集电结反偏pn结：,B,C,（3）CE电流耦合效应：,E,C,C,B,E,C,E,3.5 等效电路模型 3.5. Hybrid-Pi模型,（1）完整模型：,（2）简化模型：,3.5 等效电路模型 3.5.3 Hybrid-Pi模型,（1）等效电路：,E,B,C,E,（2）频率响应：,（a）直流响应：,（b）交流响应：,3.6 频率上限 3.6.1 延时因子,发射区到集电区的总延时：,发射结电容充电时间：,基区渡越时间：,集电结耗尽区渡越时间：,集电结电容充电时间：,3.6 频率上限 3.6.2 晶体管截止频率,共基极 电流增益,共发射极 电流增益,截止频率,截止频率,3.7 大信号开关 3.7.1 开关特性,（1）开关电路,（3）输入信号,（4）输出电流,（2）电荷存储,3.7 大信号开关 3.7.2 肖特基钳位晶体管,（1）肖特基钳位晶体管,正向有源,饱和,基区,集电区,发射区,少子浓度,（2）电荷存储,E,B,C,饱和,E,B,C,C,B,E,（3）肖特基钳位晶体管 的集成,3.8 其它双极晶体管*,多晶硅发射极晶体管 提高了发射极注入效率和共基极电流增益 GeSi基区晶体管 提高了共基极电流增益和截止频率 异质结晶体管 提高了发射极注入效率和截止频率,
