1、 第二章 晶体三极管 两个背靠背排列且靠的很近的PN结组成三极管（当然不能等同于两个二极管，在具体构造上有其特殊性，简讲一下），有NPN和PNP两种，其结构和电路符号为：C C B B E E NPNPPNNPNPNP双极型三极管（对应下一章单极型三极管即场效应管）和晶体二极管一样都是非线性器件，但在主要特性上有区别：二极管具有单向导电性，而三极管具有正向受控作用，即若发射结正偏、集电结反偏，则其发射结电流和集电结电流基本上只受正偏发射结电压的控制，而几乎不受反偏集电结电压的控制 用此特点可组成各种放大电路和功能电路，除放大模式外，晶体三极管还具有饱和模式和截止模式，这两种模式用于开关电路。本
2、章主要内容简介（略）。NPNPPN2.1 晶体三极管工作原理一、内部载流子传输过程：（以NPN三极管为例）发射结：正偏，通过发射结的电流主要是扩散电流，有IEN（发射区 电子扩散 注入基区）和IEP（基区空穴扩散注入发射区）即 IE=IEN+IEP 由于发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度 （几十倍到上百倍），所以IEN IEP IEN是IE 的主要组成 部分，其大小主要受发射结正偏电压控制。N+PNR1R2 IEN IEPICN1ICN2ICPICBOIBICIE发射结 集电结集电结：反偏，通过集电结的电流主要是漂移电流，有：ICN1 发射区注入基区的电子少部分与基区空穴复合，大部分漂 移至集电
3、区形成漂移电流ICN1，这个电流大小基本与反偏电压 无关，但由于基区掺杂浓度很低，且基区宽度很薄，一般m 数量级，所以ICN1与IEN接近，两者仅相差一个复合电流，这样 ICN1同IEN一样受发射结正偏电压控制（见PN结伏安关系方程）ICN2 基区中的热平衡少子自由电子漂移至集电区形成的漂移电 流，非常小，且基本与反偏电压大小无关。N+PNR1R2 IEN IEPICN1ICN2ICPICBOIBICIE发射结 集电结ICP 集电区中的热平衡少子空穴漂移至基区形成的漂移电流，非 常小，且基本与反偏电压大小无关。IC=ICN1十ICN2十ICP=ICN1十ICBO ICBO=ICN2十ICP I
4、C 中的主要成分ICN1受发射结正偏电压控制，即IC的大小基本 只受发射结正偏电压控制，而集电结本身的热平衡少子形成 的漂移电流ICBO又称反向饱和电流基本不受发射结正偏电压 控制，也基本与反偏电压大小无关，是集电结寄生电流。N+PNR1R2 IEN IEPICN1ICN2ICPICBOIBICIE基极电流：IEP 基区空穴扩散注入发射区 IEN ICN1 复合电流，是IEN转化为ICN1 过程中，在基区形成的 复合电流。ICBO 集电结本身的热平衡少子形成的漂移电流ICBO又称反向饱 和 电流基本不受发射结正偏电压控制。IB=（IEN ICN1）十IEP ICBO=IE IC N+PNR1R
5、2 IEN IEPICN1ICN2ICPICBOIBICIE通过上述讨论可见，三极管内部载流子的运行过程主要包括：发射区多子自由电子通过发射结注入、基区扩散和复合、集电区收集三个环节，在这个过程中将发射结电流IEN转化为集电结电流ICN1，这个载流子流大小仅受正偏电压控制而几乎不受反偏电压控制。其他载流子流只能分别产生很小的两个结的电流，不会转化为另一个结的电流。它们对于正向受控作用来 说是无用的，是三极管的寄生电流。为了减小寄生电流，保证正向受控载流子流的传输，在制造三极管时必须满足以下条件：1.发射结为不对称结：发射区掺杂浓度远大于基区掺杂浓度（几 十倍到上百倍），使 IEN IEP IE
6、N是IE 的主要组成部分，减 少无用成分IEP 2.基区宽度很薄，一般m数量级，保证发射区扩散过来的自由 电子在向集电结扩散过程中仅有小部分被复合掉，绝大部分能 到达集电结。否则，若基区宽度大，发射区扩散过来的自由电 子在向集电结扩散过程中大部分被复合掉，不能到达集电结，如同两个彼此独立的二极管失去了三极管的正向受控作用。集电结面积大于发射结，保证扩散集电结边界处的非平衡少子全部漂移到集电区，形成受控的集电极电流。最后：发射结正偏电压控制IE和IB，IE中的IEN通过注入、扩散、收 集而转化为IC，这种转化过程几乎不受集电结反偏电压大小的影响。但反偏电压必须存在，否则这个过程是无法完成的。那么
7、，为什么要制作具有这样特点的三极管呢？或者具有这样特点的三极管有什么作用呢？其实通过上述三极管特点的描述，不难发现实际上是制作了一个受控电流源，集电结电流大小不受集电结两端电压的控制，而只受发射结电压的控制，这正是受控电流源的性质，这样在发射结外加小的电压 变化量，在集电结上就可得到电流变化量，且该电流变化量不受集电结电压 影响也就是不受集电结负载影响，若将该电流变化量加在较大的负载上，即 可得到较大的电压变化量，从而实现了电压放大。而二极管正偏时，外加正向电压变化虽可产生电流变化，但该电流变化如直接加到负载上，该电流变化必然受到负载影响，不能产生大的电压变化。二、电流传输方程 三极管是三端器
8、件，具体使用时是作为四端网络接入电路，有 输入输出两对端子，必然有一个极作为输入输出端口的公共端 点，那一极作为公共端点称为共什么极，如下三种连接方式：共基极共发射极共集电极 1.共基极：定义 =ICN1/IE=（IEN/IE）（ICN1/IEN）=12 这样 IC=ICN1+ICBO=IE+ICBO -（P44.1）上式是共基极连接时输出电流IC受输入电流IE控制的传输方程。称为共基极电流传输系数，表示IE转化为ICN1的能力，其值恒 小于1，但十分接近于1。而ICBO很小，对硅管其值为 （10-9-10-16)A，可忽 略。上式可简化为 IC IE 共基极共发射极共集电极发射区发射效率基区
9、传输效率 IC1IB十11ICBO2.共发射极：由于 IE=IB十 IC 将其代入（P44.1）式得 令 =/（1-）和 ICEO=ICBO/（1-）则得 IC=IB+（1+）ICBO=IB+ICEO -（P45.1）上式反映了共发射极连接时，输出电流IC受输入电流IB控制的传输方程，称为共发射极电流放大倍数，其值大于1，ICEO是 基极开路（IB=0）时的集电极电流，称为穿透电流。通常ICEO很小，式（P45.1）可简化 为 IC IB3.共集电极：将 IC=IE IB 代入式（P45.1）得 IE=（1+）IB+ICEO（1+）IB 上式反映了共集电极连接时，输出电流IE受输入 电流IB控
10、制的传输方程。4.和ICEO的物理意义：根据式（P45.1）可得：远大于1（=0.99,=99）,说明在共发射极连接时，三极管具 有电流放大作用，但该参数离散性较大。再看ICEO 它是 基极开路（IB=0）时的集电极电流，当基极开路时，发 射结仍然正偏，集电结仍然反偏，通过集电结电流ICBO必然通过发射结，（IB 中的正向受控部分IEP+IEN ICN1=ICBO），其值被放大了倍，这样通过集电结电流为ICEO=（1+）ICBO，其值远大于ICBO IC ICBO IB+ICBOICN1IEP+IEN ICN1ICN1IEN ICN1正向传输电流 基区复合电流IC IB表示集电极电流受基表示集
11、电极电流受基极电流控制得能力极电流控制得能力=三、晶体三极管模型：有数学模型、简化电路模型、通用模型、小信号（交流）模型、伏安特性曲线模型，本节先讲前两种。1.数学模型（指数模型）：三极管工作在放大模式下，三个极的 电流大小受正偏电压VBE的控制，而各电流之间的关系是线性的 （由上述电流传输方程可见），通过三极管发射结的伏安关系 可得：IE=IEBSEXP（VBE/VT）-1 IEBSEXP（VBE/VT）（P46-1）上式中IEBS为发射结的反向饱和电流，其详细推导见教材第三版。由传输方程得IC IE=IEBSEXP（VBE/VT）-（P46-2）=ISEXP（VBE/VT）IB IE/（1
12、+）IC/2.简化电路模型：三极管发射结相当于一个正偏二极管，集电结 相当于一个受控电流源（受发射结正偏电压）控制，而发射结 正偏电压决定IE和IB得大小，故受控电流源也可看成是受IE或IB 控制的电流控制电流源。其简 化电路模型如下：ISEXP（VBE/VT）（A）（B）右边的（B）图是将二极管用其简化电路模型代替，并忽略正向 导通电阻另外需要强调的是，ICBO，IS，VBE（on）均是温度敏感 参数。每升高10C，/增大（0.5-1)%每升高10C，VBE（on）减小（2-2.5）mV 每升高100C,ICBO增大一倍 具体计算结果参见教材P54例题。IBIBICIC IB IBVBE（o
13、n）2.2 晶体三极管其他工作模式 三极管另外两种工作模式是饱和模式和截止模式。一、饱和模式：三极管的发射结和集电结均加正向电压，其内部载 流子运行过程简介如下：正向传输过程：假设发射结正偏、集电结零偏，发射结产生的 正偏电流IF经基区复合、传输、集电结漂移转化成集电极电 流FIF 。N+PNR1R2 IFIBICIEFIF反向传输过程：假设发射结零偏、集电结正偏，集电结产生的 正偏电流IR经基区复合、传输、发射结漂移转化成发射极电 流RIR 。因此，合成的发射极电流 IE=IF RIR （方 向为流出发射极）合成的集电极电流 IC=FIF IR （方向为流入集电极）N+PNR1R2 IFIB
14、ICIEFIFIRRIR可见，在饱和模式下，IE和IC将同时受两个结正偏电压的控制，已不在具 有放大模式下的正向受控作用，且随着VBC的增加，IE和IC将迅速减小。而由于基区复合电流的增加和空穴电流的增加，基极电流IB将大于放大模式下的数值。饱和模式下，三极管相当于两个正向偏置的二极管，可近似用两个导通电压来表示，称为饱和导通电压VBE（sat）和VBC（sat），其数值稍大于放大模式下的导通电压，近似分析时，可不加以区别，统一用导通电压表示。如动画图所示。由于集电结是低掺杂的（内建电位差与掺杂浓度成正比），故其导通电压低于发射结导通电压，一般取：VBE（sat）VBE（on）=0.7V VB
15、C（sat）VBC（on）=0.4V 这样，共发射极连接时VCE（sat）=0.7V0.4V=0.3VVBE（sat）VCE（sat）-+二、截止模式：在这种工作模式下，三极管的两个结均反偏，若忽略它们的 反向饱和电流，则三极管各极电流近似为零。在共发射极连 接时，其简化 电路模型可用两段断路线表示，如下图所示。2.3 埃伯尔斯莫尔模型 该模型是晶体三极管的通用模型，适用于各种工作模式。前一节讲饱和模式时，当三极管两个结均加正偏电压时，晶体 三极管的发射极电流 IE=IF RIR 集电极电流 IC=FIF IR 其中IF和IR分别是发射结和集电结的正偏电流 ，它们与结电压服从指数 关系，其与正
16、偏二极管伏安关系方程一样，相当于两个正偏二极管，而 RIR和FIF 分别是发射结和集电结的反向传输电流，相当于两个受控电流源，故其电路模型如下图（A）所示，消去上面IE方程的IR和IC方程的 IF得：IE=（1-R F)IF+R IC=IEBO EXP（VBE/VT）-1+R IC -(1)IC=F IE-（1-R F)IR=F IE-ICBO EXP（VBC/VT）-1-(2)其中,IEBO=（1-R F)IEBS ，ICBO=（1-R F)ICBS 由改造后得方程得电路模型如下图（B）所示。（A）（B）埃伯尔斯莫尔模型虽然是在饱和模式下推导出来得，但实际上适用于各种各种工作模式下的通用模型
17、，如发射结正偏集电结反偏时，晶体管工作在放大模式，由P-51图（B）所示模型可见，集电结反偏，通过电流为反向饱和电流ICBO P-50的(1)式为负值，其值很小可忽略，从而 IC=F IE+ICBO 这与共基极连接时的电流传输方程一样 而由P-51图（A）所示模型可见，集电结反偏，IR=ICBS，其值很小可忽略，从而得P46-1所示得指数模型，其他情况同学自己推导。2.4 晶体三极管的伏安特性曲线 晶体三极管的各端电流与两个结电压之间的关系可由埃伯尔斯莫尔模型及前面讲的各种模型描述外，也可采用晶体三极管的伏安特性曲线来描述，由于三极管是三端器件，作为四端网络共有四个变量，因此有输入端伏安特性曲
18、线（以输出端电压或电流为参变量）和输出端伏安特性曲线（以输入端电压或电流为参变量）两组曲线族来描述晶体三极管的伏安特性，而三极管在使用时有三种连接方式，每一种连接方式都有其各自的输入输出端特性曲线现只以共发射极为例来介绍三极管的伏安特性曲线，其他两种可参考教材第 三版或自己分析，实验室中有专用的晶体管伏安特性测试仪用来测量晶体管的伏安特性和各种参数。一、输入特性曲线：IB=f 1E（VBE）|VCE=常数 实测输入特性曲线如下所示，其与二极管类似，不过它与VCE 有关，当参 变量VCE增大时，曲线将向右移动，即当VBE一定，随着VCE增大，IB将相 应减小。由上图可见，当VCE IbmVim/
19、2，而变压器能够升压却无功率放大作用。三、跨导线性电路 利用晶体管不仅可实现信号放大，亦可实现信号运算，如集成运算放大器可 实现各种数学运算，本节跨导线性电路就可实现电流量之间的线性和非线性 运算。1、原理：将N个（N为偶数）工作在放大模式下的三极管的发射结（或二极 管）连接成下图（P70-1）所示的闭合电路，其中一半管子顺时针方向连 接，一半管子逆时针方向连接，闭合回路各发射结电压之和应为零，即：22 N vBEk=0 也就是顺时针方向（CW）连接发射结电压之和等于逆时 k=1 针方向（CCW）连接的发射结电压之和，上式改为：N N vBEk=vBEk-（1）CW CCW 忽略基区宽度调制效
20、应，三极管的伏安特性为：iC=IS EXP（vBE/VT）或：vBE=VT ln（iC/IS）则（1）式改写为：ln（iCk/ISk）=ln（iCk/ISk）CW CCW 对数量之和等于各量乘积的对数，则上式变为：ln （iCk/ISk）=ln （iCk/ISk）即：（iCk/ISk）=（iCk/ISk）CW CCW CW CCW 在相同的工艺条件下，晶体管的IS与其发射结面积S成正比，上式又可 写为：iCk=iCk 式中 =Sk/Sk CW CCW CW CCWvBE1vBE2vBE3vBE4vBE5vBE6vBE7vBE8图（P70-1）通常将图（P70-1）所示的闭合环路称为跨导线性环（
21、TL），当各晶体管的 发射结面积相等时，环中顺时针方向连接的各管的集电极电流乘积等于逆时 针方向连接的各管的集电极电流乘积。若各管的发射结面积不相等，则应引 入 行修正。这就是跨导线性原理，该原理简化了TL的分析，还可构成电流 模电路。用来实现电流量之间的线性和非线性运算。2、应用举例：如下所示（A）、（B）两个电路构成跨导线性环。Ix（A）（B）ixiYixiYiOiO 图（A）中，T1、T2逆时针方向连接，电流由电流源Ix提供，T3、T4顺 时针方向连接，电流由电流源IY提供，若各管足够大，基极电流可以忽 略，它们又具有相同的发射结面积，则iC1iC2=iC3iC4 即 iO=iX/iY
22、当iY为定值时，该电路可实现对iX的平方运算。图（B）中，T1、T2逆时针方向连接，T1电流由电流源Ix提供，T2电流 由电流源IY提供，T3、T4顺时针方向连接，则iC1iC2=iC3iC4 即 iO iXiY 以后我们还要学习其他电流模电路。四、可控开关电路 开关电路如图A所示，=50，试分析当uI分别为0V和3V时输出电压uO各是 多少？如输入波形如图B所示，画出输出波形。2uIuO图At（S）uI0V3V123图B 当uI=0时，三极管截至，相当于开关断开，uO=10V；而当uI=3 V时，三极 管进入饱和状态，相当于开关开关闭合，uO=0.3V，通过负载R2上的电流 为2mA。当uI
23、波形如图B所示时，对应的uO波形如下所示：输出与输入反相，我们可用小信号控制 三极管的导通与截至，而被控对象可以 是大功率的器件，这就是所谓的半导体 效应。2.8 集成工艺 集成电路是60年代初期发展起来的一种电子器件，它是在一小块硅晶片上制 成多个二极管、三极管、电阻、电容等元器件，并将他们连接实现一定功能 的电子线路。目前广泛采用的集成电路一般都以硅平面工艺为基础的，硅平 面工艺包括：外延生长、氧化、光刻、扩散（或离子注入）、薄膜淀积（或 称蒸铝）等基本工艺组成。一、几个名词：外延生长：在半导体基片上形成一层与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，将 经过抛光的单晶硅放在大块石墨或硅的支架上，用高
24、频感应炉将 其加热到12000C，通过四氯化硅的氢气，四氯化硅中的硅被还原t（S）uO10V 出来，沉积在硅片上，如气体中含有磷化氢和三氯化磷气体时，可在 外延层上掺入磷。氧化：将硅片放在高温（800-12000C）的氧气中，使半导体表面形成 一层氧化硅薄层。光刻：利用照相制版技术，将集成电路在制造过程中所需要的图形刻 在硅片上扩散：将磷、硼等元素的气体按制造N型或P型半导 体的要求引入扩散炉中，炉温在10000C左右，经过一段即可形 成所需半导体，每次扩散完毕应氧化，将表面保护。蒸铝：在真空中将铝蒸发，沉积在硅片上，为以后制作连线和引线做 准备。二、PN结隔离技术：由于集成电路中的所有元件都
25、制作在同一硅片上，为了保证电路的性能，各 元件之间必须进行绝缘隔离最常用的是PN结隔离技术，其次是SiO2介质隔离 （在高性能集成电路中采用），PN结隔离技术是利用PN结反向偏置具有很 高电阻的特点，把各元件所在的P区和N区四周用反偏PN结包围起来，介质 隔离是利用SiO2把各元件包围起来。下面介绍一下PN结隔离技术，即隔离岛的形成过程（元件均在隔离岛上）。工艺流程及相应的断面图如下：P P型硅片掩埋层扩散外延和氧化隔离扩散光刻和腐蚀二氧化硅P高掺杂掩埋层外延层PP隔离岛隔离槽N P N三极管断面图N+NP+P+PPN+N+ebcN+NN+NP+P+N+P+P+本章作业：14、15、16、18
26、、19、20、21、22本章复习：1、内容总结 2、讲一道例题说明静态工作点求解的方法要点（P93习题17）。解：方法要点：求解这样一类复杂电路的静态工作点应用简化电路模型，由于发 射结导通电压已知，故应围绕发射结回路列写回路方程。先看Q1：将Q1基极利用代文宁定理，开路电压 VB1=12R1/（R1+R4）Q1基极回路方程为；VB1-0.7=IB1R1/R4+（IC2+IE1）R3 Q2基极回路方程为：（IC1-IB2）R6-0.3=IE2R5疑难问题：1、双极型三极管有两个PN结，如果仿照这种结构，将两个二极管反向串联，并提供类似三极管的外部偏置条件，能获得与三极管相似的电流控制和 放大作用吗？为什么？2、对晶体三极管，ICIB，是否在这个意义上说它有电流放大作用？反之 IC IE，是否就没有放大作用？3、怎样利用万用表判断出双极型三极管的三个极和类型？
