微电子器件原理PPT课件(共10章)08双极型晶体管的直流

1第二章双极型晶体管的直流特性第二章双极型晶体管的直流特性晶体管分类：晶体管分类：n结型晶体管结型晶体管 又称双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor-BJT）n场效应晶体管场效应晶体管(Field Effect Transistor-FET)又称单极型晶体管(Unipolar Devices)n两者复合两者复合 如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)2 半导体三极管的型号国家标准对半导体三极管的命名如下国家标准对半导体三极管的命名如下:3 D G 110 B 第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管3 双极型三极管的参数参 数型 号 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126*83BX31C 125 125 40 246*83CG101C3CG101C 100 30 450.1 1003DG123C3DG123C 500 50 40 300.353DD101D3DD101D 5W 5A 300 25042mA3DK100B3DK100B 100 30 25 150.1 3003DK23G 250W 30A 400 325 8注：*为 f 4主要内容主要内容 讨论双极型晶体管的直流特性，内容包括：2.1 基本结构和杂质分布2.2 放大机理2.3 直流特性及电流增益2.4 反向电流及击穿电压2.5 直流特性曲线2.6 基极电阻2.7 等效电路模型Ebers-Moll模型5 2.1 2.1 双极晶体管的基本结构和杂质分布双极晶体管的基本结构和杂质分布双极晶体管的基本结构和杂质分布双极晶体管的基本结构和杂质分布两个背靠背靠得很近的两个背靠背靠得很近的两个背靠背靠得很近的两个背靠背靠得很近的p-np-n结组成了双极型晶体管：结组成了双极型晶体管：结组成了双极型晶体管：结组成了双极型晶体管：分为：分为：分为：分为：npnnpn和和和和pnppnp两种类型两种类型两种类型两种类型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1.1.基本结构基本结构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。两种极性的双极型晶体管两种极性的双极型晶体管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）。7 双极型晶体管的符号在图的下方给出，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。发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，其厚度应远小于少子扩散长度。其厚度应远小于少子扩散长度。82.杂质分布合金管两个p-n结都用合金法烧结而成结都用合金法烧结而成三个区内杂质各自均匀分布三个区内杂质各自均匀分布发射结和集电结都是突变结发射结和集电结都是突变结均匀基区晶体管图2-2 合金管的结构与杂质分布图 92.杂质分布合金扩散管发射结为合金结，集电结为扩散结发射结是突变结，集电结是缓变结基区杂质分布缓变缓变基区晶体管图2-3 典型合金扩散管的结构与杂质分布规律 102.杂质分布平面管发射结和集电结均为扩散结基区杂质分布缓变缓变基区晶体管图2-4 硅平面管结构与杂质分布图112.杂质分布台面管集电结为扩散结发射结可为扩散结或合金结基区杂质分布缓变用化学腐蚀方法制出台面，消除集电结边缘电场集中，提高反向耐压。图2-5 锗台面管结构示意图12 2.2 2.2 晶体管的放大机理晶体管的放大机理晶体管的放大机理晶体管的放大机理1.晶体管的能带图及少子分布2.晶体管中的电流传输过程及放大作用载流子传输过程载流子传输过程晶体管的三种连接方式及其电流放大系数晶体管的三种连接方式及其电流放大系数描述电流放大系数的中间参量描述电流放大系数的中间参量13图2-6 晶体管的基区宽度 2.2 2.2 晶体管的放大机理晶体管的放大机理晶体管的放大机理晶体管的放大机理1.晶体管的能带图及少子分布有效基区宽度几何基区宽度图2-7 晶体管(a)平衡状态与(b)放大 状态下的能带图与少子分布14双极型晶体管放大机理2.晶体管中的电流传输过程及放大作用载流子传输过程：1.发射结注入 2.基区输运 3.集电结收集图2-9 晶体管的连接方式 n p n晶体管的三种连接方式及其电流放大系数晶体管的三种连接方式及其电流放大系数共基极电流放大系数：共基极电流放大系数：共基极电流放大系数：共基极电流放大系数：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 0 0 共基极短路电流放大系数共基极短路电流放大系数共基极短路电流放大系数共基极短路电流放大系数 共发射极电流放大系数：共发射极电流放大系数：共发射极电流放大系数：共发射极电流放大系数：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 0 0共发射极短路电流放大系数共发射极短路电流放大系数共发射极短路电流放大系数共发射极短路电流放大系数 两种电流放大系数之间关系：两种电流放大系数之间关系：两种电流放大系数之间关系：两种电流放大系数之间关系：描述电流放大系数的中间参量描述电流放大系数的中间参量发射结注入效率发射结注入效率发射结注入效率发射结注入效率 基区输运系数基区输运系数基区输运系数基区输运系数 *集电区倍增因子集电区倍增因子集电区倍增因子集电区倍增因子 *集电结雪崩倍增因子集电结雪崩倍增因子集电结雪崩倍增因子集电结雪崩倍增因子MM忽略势垒复合，发射结正向电流忽略势垒复合，发射结正向电流中电子电流（将可能形成集电极中电子电流（将可能形成集电极电流）所占的比例电流）所占的比例描述少子在基区描述少子在基区输运过程中复合输运过程中复合损失的程度损失的程度因高阻集电区压降而形成附加的因高阻集电区压降而形成附加的少子漂移电流使集电极电流增大少子漂移电流使集电极电流增大集电结势垒区中雪崩倍增效集电结势垒区中雪崩倍增效应引起集电极电流的增大应引起集电极电流的增大描述电流放大系数的中间参量描述电流放大系数的中间参量发射结注入效率发射结注入效率发射结注入效率发射结注入效率 基区输运系数基区输运系数基区输运系数基区输运系数 *集电区倍增因子集电区倍增因子集电区倍增因子集电区倍增因子 *绝大多数晶体管正常工作时绝大多数晶体管正常工作时绝大多数晶体管正常工作时绝大多数晶体管正常工作时集电结雪崩倍增因子集电结雪崩倍增因子集电结雪崩倍增因子集电结雪崩倍增因子MM忽略势垒复合，发射结正向电流忽略势垒复合，发射结正向电流中电子电流（将可能形成集电极中电子电流（将可能形成集电极电流）所占的比例电流）所占的比例描述少子在基区描述少子在基区输运过程中复合输运过程中复合损失的程度损失的程度因高阻集电区压降而形成附加的因高阻集电区压降而形成附加的少子漂移电流使集电极电流增大少子漂移电流使集电极电流增大集电结势垒区中雪崩倍增效集电结势垒区中雪崩倍增效应引起集电极电流的增大应引起集电极电流的增大2.3 晶体管的直流I-V特性及电流增益 组成(Ie，Ic)的各电流分量 V晶体管各区中少数载流子随电压变化的分布函数中间参量电流增益表达式(Ie，Ic)V2.3 晶体管的直流I-V特性及电流增益(一)晶体管内少数载流子浓度分布函数(二)电流密度分布函数(三)直流电流电压基本方程(四)均匀基区晶体管的直流电流增益1.基区电子扩散电流密度2.发射区空穴电流密度分布1.基区电子浓度分布函数2.发射区和集电区空穴浓度分布(一)缓变基区中的自建电场(二)缓变基区晶体管中的少子分布(三)电流放大系数与材料、结构参数的关系一、均匀基区晶体管（以npn管为例）二、缓变基区晶体管（以npn管为例）三、影响电流放大系数的其它因素及提高电流放大系数的措施1.发射效率2.基区输运系数3.直流电流增益1.基区中的电子分布2.发射区与集电区中的空穴分布1.发射效率2.基区输运系数3.电流放大系数1.发射结空间电荷区复合使发射效率下降2.基区表面复合使基区输运系数下降3.发射区重掺杂使发射效率下降20一、均匀基区晶体管（以npn管为例）(一)晶体管内少数载流子浓度分布函数1.基区电子浓度分布函数假设：1、发射区、基区和集电区中杂质均匀分布，发射结与集电结都是突变结；2、发射结与集电结为平行平面结，其面积相同，电流垂直于结平面流动；3、外加电压全部降落在p-n结空间电荷区，势垒区以外没有电场，故不会产生漂移电流；4、发射区和集电区的长度远大于少子扩散长度，少子浓度随距离按指数规律衰减；5、势垒区宽度远远小于少子扩散长度，势垒复合及势垒产生均可以忽略；6、满足小注入条件；7、不考虑基区表面复合的影响。22图2-10 均匀基区晶体管基区少子分布曲线2.发射区和集电区内空穴浓度分布函数(二)电流密度分布函数1.基区电子扩散电流密度25(二)电流密度分布函数1.基区电子扩散电流密度基区中电子电流密基区中电子电流密度与位置无关，近度与位置无关，近似忽略了基区输运似忽略了基区输运过程的复合损失过程的复合损失(224)同理可由同理可由Pc(x)求得集电区及其边界处求得集电区及其边界处(x4)的空穴电流密度：的空穴电流密度：2.发射区空穴电流密度分布27（三）直流电流（三）直流电流电压基本方程电压基本方程忽略发射结势垒复合电流忽略发射结势垒复合电流忽略集电结势垒产生电流忽略集电结势垒产生电流电流密度乘以结面积电流密度乘以结面积A(Ae=Ac)总电流等于电子电流与空穴电流之和总电流等于电子电流与空穴电流之和晶体管中少数载流子分布示意图图2-11 晶体管中的电流分布 28均匀基区晶体管直流电流均匀基区晶体管直流电流电压方程电压方程29（四）均匀基区晶体管的直流电流增益（四）均匀基区晶体管的直流电流增益1.发射效率30（四）均匀基区晶体管的直流电流增益（四）均匀基区晶体管的直流电流增益1.发射效率提高发射效率的主要措施是提高发射区对基区的杂质浓度之比！提高发射效率的主要措施是提高发射区对基区的杂质浓度之比！31（四）均匀基区晶体管的直流电流增益（四）均匀基区晶体管的直流电流增益2.基区输运系数展开取二次幂3.直流电流增益（四）均匀基区晶体管的直流电流增益（四）均匀基区晶体管的直流电流增益33二、缓变基区晶体管（以npn管为例）(一)缓变基区中的自建电场(二)缓变基区晶体管中的少子分布(三)电流放大系数与材料、结构参数的关系1.发射效率2.基区输运系数3.电流放大系数1.基区中的电子分布2.发射区与集电区中的空穴分布34二、缓变基区晶体管（以npn管为例）(一)缓变基区中的自建电场加速场加速场加速区加速区阻滞场阻滞场阻滞区阻滞区图2-12 缓变基区晶体管中的基区自建电场35二、缓变基区晶体管（以npn管为例）(一)缓变基区中的自建电场 在扩散基区中，杂质分布以及电离产生的多子存在浓度梯度。多子在浓度梯度作用下向低浓度方向扩