1、第二章第二章 双极型晶体管双极型晶体管*双极双极晶体管基本结构与原理；晶体管基本结构与原理；*双极双极晶体管直流放大特性；晶体管直流放大特性；*双极双极晶体管频率特性；晶体管频率特性；*异质结异质结双极双极晶体管晶体管(HBT)；1 电子和空穴二种极性载流子同时参与输运的具有电子和空穴二种极性载流子同时参与输运的具有电流和功率放大能力电流和功率放大能力的三端半导体器件的三端半导体器件，通常，通常简称晶体管简称晶体管。按功能按功能-高频晶体管、低频晶体管、大功率晶体管、小功率晶体管、开关晶体管、低噪声晶体管，等。高频晶体管、低频晶体管、大功率晶体管、小功率晶体管、开关晶体管、低噪声晶体管，等。由
2、满足一定由满足一定几何结构参数几何结构参数和和材料物理参数材料物理参数要求的二只背靠背的要求的二只背靠背的pn结构成；结构成；直流和交流工作状态下呈现不同的电学特性。直流和交流工作状态下呈现不同的电学特性。双极型晶体管双极型晶体管:基本特征：基本特征：分分 类类:按材料按材料 Ge晶体管、晶体管、Si晶体管、晶体管、GaAs、SiGe晶体管等。晶体管等。按能带结构按能带结构 同质结双极晶体管，一般称其为晶体管同质结双极晶体管，一般称其为晶体管(BJT)。异质。异质pn结双极晶体管，简称异质结晶体管结双极晶体管，简称异质结晶体管(HBT)。异质结。异质结晶体管具有更优良的电学特性。晶体管具有更优
3、良的电学特性。重点讨论晶体管器件物理重点讨论晶体管器件物理-载流子分布、载流子输运物理过程及图像，各种特性载流子分布、载流子输运物理过程及图像，各种特性产生机理和表征参数。产生机理和表征参数。约定：未作说明，则讨论的是同质结晶体管。约定：未作说明，则讨论的是同质结晶体管。22.1 晶体管基本结构晶体管基本结构 1.基本原理结构与条件基本原理结构与条件 -基于放大能力基于放大能力正偏正偏反偏反偏pnnLnLn如同二只孤立如同二只孤立pn结结正偏正偏反偏反偏pnn产生新电学特性产生新电学特性正偏正偏pn结与反偏背靠背结与反偏背靠背pn结结共用区宽度小于少子扩散共用区宽度小于少子扩散长度长度1)基本
4、原理结构基本原理结构2)基本结构条件基本结构条件基本条件：偏置；基本条件：偏置；结构；结构；？32.基本类型基本类型2)电极结构电极结构基基 区：区：pn结共用区。该区电极称基极结共用区。该区电极称基极(B)。发射区：发射区：正偏正偏pn结的结的非共用区域。非共用区域。该区电极称该区电极称发射极发射极(E)。集电区：集电区：反偏反偏pn结的结的非共用区域。非共用区域。该区电极称该区电极称集电极集电极(C)。发射结：发射结：正偏正偏pn结。结。集电结：集电结：反偏反偏pn结。结。1)类型类型共用区为共用区为p型：型：称称npn型；型；共用区为共用区为n型：型：称称pnp型型43.3.晶体管制造与
5、掺杂分布晶体管制造与掺杂分布 A.A.平面工艺技术平面工艺技术-缓变基区晶体管缓变基区晶体管(漂移漂移(型型)晶体管晶体管)-均匀基区晶体管均匀基区晶体管(扩散扩散(型型)晶体管晶体管)xjexjcB.CVD等技术等技术CEBBn-n+pn+结构中结构中n+的作用？的作用？5xjexjc4.基本结构参数基本结构参数pnp与与npn晶体管器件物理基本相同，本章以晶体管器件物理基本相同，本章以npn晶体管为例。晶体管为例。A.几何结构参数几何结构参数纵纵 向向:发射结结深发射结结深xje；集电结结深集电结结深xjc；基区宽度基区宽度wb；集电集电 区宽度区宽度wc，等。，等。横横 向：向：晶体管表
6、面腑视图所见晶体管表面腑视图所见:基区和发射区宽度、长度；基区和发射区宽度、长度；基区和发射区金属引线尺寸；基区和发射区金属引线尺寸；它们之间的边距，等。它们之间的边距，等。B.材料物理参数材料物理参数发射区掺杂浓度及分布发射区掺杂浓度及分布-NE(x);基区掺杂浓度及分布基区掺杂浓度及分布-NB(x);集电区掺杂浓度及分布集电区掺杂浓度及分布 NC(通常是常数通常是常数);少子寿命及迁移率少子寿命及迁移率(尤其基区尤其基区)，等。，等。纵向、横向几何结构参数和材料物理参数决定晶体管特性。纵向、横向几何结构参数和材料物理参数决定晶体管特性。62.2 2.2 晶体管直流放大机理晶体管直流放大机理
7、(npn)发射结正偏，集电结反偏；基区宽度小于少子扩散长度。发射结正偏，集电结反偏；基区宽度小于少子扩散长度。一、放大状态载流子分布及输运一、放大状态载流子分布及输运特征：特征：A.A.势垒区二侧边界处少子浓度与孤立势垒区二侧边界处少子浓度与孤立pn结相同结相同;B.B.发射区与集电区少子扩散长度内少子发射区与集电区少子扩散长度内少子分布分别与孤立分布分别与孤立pn结相同结相同;C.C.基区少子浓度及浓度梯度分布由发射基区少子浓度及浓度梯度分布由发射结侧与集电结侧边界条件决定。结侧与集电结侧边界条件决定。1.少数载流子分布少数载流子分布72.载流子输运过程载流子输运过程正偏正偏反偏反偏pnnW
8、ba.发射区电子注入基发射区电子注入基 区，边扩散边复合区，边扩散边复合-IVB；b.基区空穴注入发射区，边扩散边复合基区空穴注入发射区，边扩散边复合-IpE；c.发射区注入基发射区注入基 区的电子扩散至集电结区的电子扩散至集电结空间电荷区边界被反偏电场抽至集电区，空间电荷区边界被反偏电场抽至集电区，形成电流形成电流-InC；d.集电结反向电流集电结反向电流-ICBO。IVB83.电流电流(载流子载流子)输运关系输运关系发射区注入到基区的电子流发射区注入到基区的电子流-用用nE表表示；示；基区注入到发射区的空穴流基区注入到发射区的空穴流-用用pE表表示。示。流过发射结总电流流过发射结总电流(发
9、射极流入的总电子流发射极流入的总电子流)-E表示，表示，忽略发射结空间电荷区复合忽略发射结空间电荷区复合，为：，为：输运至集电结势垒区边界并输运至集电区的电子流输运至集电结势垒区边界并输运至集电区的电子流-nC表示；表示；集电结反向电流集电结反向电流-ICBO表示。表示。B.通过集电结通过集电结(集电极集电极)电流：电流：A.通过发射结通过发射结(发射极发射极)电流：电流：集电结总电流集电结总电流(集电极电流集电极电流)-用用C表示，为表示，为IC=InC+ICBOIE =InE +IpEIVB忽略复合忽略复合9C.通过基极的电流通过基极的电流基区注入发射区的空穴流基区注入发射区的空穴流-Ip
10、E表示表示在基区与发射区注入电子相复合的空穴流在基区与发射区注入电子相复合的空穴流-vB表示表示流出基极的集电结反向电流流出基极的集电结反向电流(空穴流空穴流)-CBO表示表示IB=IpE+IVB-ICBOIVB=InE -InC流入基极净空穴流用流入基极净空穴流用IB表示，表示，为为:IVB10 D.结结 论论 IE =InE +IpE IC=InC+ICBO IB=IpE +IVB-ICBO IVB=InE -InC IE =IB+IC 即，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和即，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和。若若 WbLnb，那么那么 VBnC 即即 VB NB(x)，可使，
11、可使 pEnE 即即 pEIB所以所以，如将基极电流，如将基极电流IB作为输入信号，集电极电流作为输入信号，集电极电流IC作为输出信号，则晶体作为输出信号，则晶体 管实现了管实现了电流放大电流放大。另外另外，晶体管的正偏发射结电阻远远小于反偏集电结的电阻。这样，输出回路负载电阻可以很大。因此，晶体管具有，晶体管的正偏发射结电阻远远小于反偏集电结的电阻。这样，输出回路负载电阻可以很大。因此，晶体管具有电压放大和功率放大电压放大和功率放大的能力。的能力。IVBpEBpEBEBnEpEnpApnDnpnLNWNIILNLNII11二、电流放大能力分析二、电流放大能力分析 用电流放大系数用电流放大系数
12、(电流增益电流增益)表征。通常有共基极和共射表征。通常有共基极和共射极电流放大系数。极电流放大系数。1.共基极电流放大系数共基极电流放大系数-0表示表示A.：发射效率发射效率1nEpEpEnEnEEnEII1IIIII B.*基区输运系数基区输运系数：nEVBnEVBnEnEnCII1IIIII EnCECBOCECoIIIIIII nEnCEnEEnCoIIIIII 1IpE/InE NBNEWb1133.其它电流关系其它电流关系a.a.根据定义根据定义 ECBOCEnC0IIIII 有有 共基极共基极 IC=0IE+ICBO 当当IB=0(即共射极基极开路即共射极基极开路)，有，有 IC=
13、（1+0）ICBO=I ICEO-？即，在基极开路时，即，在基极开路时，C-E间电流（称反向电流）是集电结反向电流的间电流（称反向电流）是集电结反向电流的（1+1+0）倍。）倍。此时的此时的电流放大系数电流放大系数0是小电流时的放大系数。是小电流时的放大系数。有共射极有共射极 IC=0IB+（1+1+0）I ICBO令令（1+1+0）I ICBO=ICEO则：则：IC=0IB+（1+1+0）I ICBO=0IB+I ICEOb.利用利用 IE =IC+IB 及及0与与0关系：关系：IC=0IE+ICBO=0（IC+IB）+ICBO IC=0IB/(1-0)+ICBO/(1-0)14三、晶体管其
14、它工作状态三、晶体管其它工作状态 a.发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏-称晶体管处于截止状态。称晶体管处于截止状态。b.发射结反偏，集电结正偏发射结反偏，集电结正偏-称晶体管处反向放大状态。若称晶体管处反向放大状态。若晶体管纵、横向结构参数完全对称，其放大能力与正常放大晶体管纵、横向结构参数完全对称，其放大能力与正常放大偏置相同。否则，放大系数会很小。偏置相同。否则，放大系数会很小。？c.发射结正偏，集电极正偏发射结正偏，集电极正偏-称晶体管处于饱和状态（称晶体管处于饱和状态（电流电流方向方向?）。）。0IB IC (IB=IpE+IVB+IpC)(IC=InC-IpC)d.发射结
15、正偏，集电结零偏，称晶体管处于临界饱和状态。发射结正偏，集电结零偏，称晶体管处于临界饱和状态。此时此时 0 IB=IC载流子分布？放大能力？载流子分布？放大能力？15A.晶体管具有电流放大能力，须具备晶体管具有电流放大能力，须具备三个条件三个条件：E(x)B(x)-使发射效率使发射效率尽可能接近于；尽可能接近于；wb IC 机理。机理。162.3 均匀基区晶体管直流伏安特性方程均匀基区晶体管直流伏安特性方程假假 设设:1.空间电荷区没有载流子产生空间电荷区没有载流子产生-复合复合;2.外加电压主要降在势垒区；外加电压主要降在势垒区；3.注入少子远低于平衡多子注入少子远低于平衡多子-小注入小注入
16、；4.晶体管的发射结和集电结偏置电压分别为晶体管的发射结和集电结偏置电压分别为E和和C。IE=?IC=?E和和C满足各种偏置满足各种偏置特征？特征？170Ln)x(ndx)x(dn2nbpbb2b InE 扩散流方程扩散流方程 nb(x)基区连续性方程基区连续性方程InC IpE 扩散流方程扩散流方程 pe(x)发射区连续性方程发射区连续性方程 IpC 扩散流方程扩散流方程 pc(x)集电区连续性方程集电区连续性方程思思 路：路：IC=InC+IpC仍用放大状态符号表仍用放大状态符号表示示IpCInCInEIpEIE=IpE+InEnpn少子扩散运动少子扩散运动18一、基区少子浓度及电流分布一
17、、基区少子浓度及电流分布 1.nb(x):0Ln)x(ndx)x(dn2nbpbb2b )Lw(sh)Lx(sh)w(n)Lxw(sh)x(nn)x(nnbbnbbbnbbbpbb )1e(n)0(nKTqVpbbE 1)KTqVexp(n)W(nCpbbb )kTqVexp(n0n|)x(nEpbb0 xb )kTqVexp(nWn|)x(nCpbbbwxbb 边界条件边界条件基区发射结侧非平衡少子基区发射结侧非平衡少子基区集电结侧非平衡少子基区集电结侧非平衡少子192.电流密度电流密度:0 xbnbnEdx)x(dnqDJ )1e)(Lw(cthLnqDKTqVnbbnbpbnbE)1e)
18、(Lw(hcscLnqDKTqVnbbnbpbnbC bwxbnbnCdx)x(dnqDJ )1e)(Lw(cthLnqD)1e)(Lw(hcscLnqDKTqVnbbnbpbnbKTqVnbbnbpbnbCE 200Lp)x(pdx)x(pd2penee2e2 KTqVnee0 xeEep)o(p)x(p pe(x)x=pe()()=pne0 xepepEdx)x(dpqDJ )1e(LpqDKTqVpenepeE )1e)(Lx1(pp)x(pKTqVpeneneeE 二、发射区少子浓度及电流分布二、发射区少子浓度及电流分布 1.pe(x)边界条件边界条件2.电流密度电流密度:21三、集电
19、区少子浓度及电流分布三、集电区少子浓度及电流分布 0 xcpcpCdx)x(dpqDJ )1e(LpqDKTqVpcncpcC 与发射区同样过程，有：与发射区同样过程，有：22)1e(LpqD)Lw(cthLnqDA)JJ(AIKTqVpenepenbbnbpbnbpEnEEE )1e)(Lw(hcscLnqDAKTCqVnbbnbpbnb )1e)(Lw(hcscLnqDA)JJ(AIKTEqVnbbnbpbnbpCnCC )1e(LpqD)Lw(cthLnqDAKTCqVpcncpcnbbnbpbnb 四、电流四、电流-电压方程电压方程(适合于各种偏置适合于各种偏置)#IE和和IC皆与皆与
20、VE、VC有关有关电流叠加电流叠加考虑电流实际反向有：考虑电流实际反向有：23#特性方程物理意义：特性方程物理意义：一般满足：一般满足：WbLnb当当(Wb/Lnb)1时：时：Sh(Wb/Lnb)X，Ch(Wb/Lnb)1有：有：)1e(LpqDwnqDAIKTqVpenepebpbnbEE )1e(WnqDAKTqVbpbnbC )1e(wnqDAIKTqVbpbnbCE )1e(LpqDwnqDAKTqVpcncpcbpbnbC 发射结电流项发射结电流项（集电结偏压为零）（集电结偏压为零）集电结注入基区发射结侧电子电流项集电结注入基区发射结侧电子电流项（发射结偏压为零）（发射结偏压为零）发
21、射结注入基区集电结侧电流项发射结注入基区集电结侧电流项（集电结偏压为零）（集电结偏压为零）集电结电流项集电结电流项（发射结偏压为零）（发射结偏压为零）基区中电子流物理意义？前述方程中出现双曲函数的原因？基区中电子流物理意义？前述方程中出现双曲函数的原因？242.4 均匀基区晶体管输出短路电流放大系数均匀基区晶体管输出短路电流放大系数1.考虑集电结零偏，即输出短路电流放大系数考虑集电结零偏，即输出短路电流放大系数(电流放大系数是集电结偏置电压的函电流放大系数是集电结偏置电压的函数数)；2.要求：要求：明确电流放大系数与结构参数的关系；明确电流放大系数与结构参数的关系；3.集电结反偏时的情况后续讨
22、论。集电结反偏时的情况后续讨论。正偏正偏零偏零偏pnnWb nEnCEnEEnCoIIIIII25一、发射效率一、发射效率 wbLnb th(wb/Lnb)wb/Lnb 1be1pebbe1peEnebBpbRR1Lw1LNqwNq1 =1/1W b be e方块电阻方块电阻单单位面积下，位面积下，从平行于表面二侧呈现的从平行于表面二侧呈现的电阻电阻电阻电阻 )Lw(thLnDLpD1nbbpepbnbnbnepe1peEnbbBpe1pepbnbbnepeLNwN1LnDwpD1 pe/nbpb/ne-1W26#方块电阻物理意义方块电阻物理意义1be1pebbe1peEnebBpbRR1Lw
23、1LNqwNq1 b be eLL=L/LW 27二、基区输运系数二、基区输运系数*nbbLWhsec2nb2bL2w1 nEVBII1 wb102、Wb/Lnb 282.5 2.5 缓变基区晶体管直流放大系数缓变基区晶体管直流放大系数一、一、缓变基区晶体管特征缓变基区晶体管特征基区自建电场、发射区自建电场基区自建电场、发射区自建电场 减速场减速场(可略可略)x(b)x(e )x(b-加速基区少子渡越加速基区少子渡越-IVB Jnc；)x(e-阻止少子扩散，阻止少子扩散，JpE o o 缓变基区晶体管直流放大系数缓变基区晶体管直流放大系数高高2.作用作用n+p+nn+XN1.特征特征-自建电场
24、自建电场293.3.基区自建电场基区自建电场-基区基区净空穴流净空穴流dx)x(dN)x(N1qKT)x(BBb xbWBBe)0(N)x(N bbwqKT)x()w(N)o(NLnbBB 4.4.发射区自建电场发射区自建电场-dx)x(dN)x(N1qKT)x(EEe 减速场减速场(可略可略)x(b)x(e 电场因子电场因子设：设：)x(b 0dxxdpqDxpqjbpbbbpbp NB(x)x(e 30 二、发射效率二、发射效率 JnE:dx)x(dnqD)x()x(nq)x(Jbnbbbnbnb )x(n)x(Ndxd)x(N1qD)x(JbBBnbnb )1e(dx)x(NnqD)0(
25、JJKTEqVBbwo2inbnbnE )x(JnbJpE:dx)x(dpqD)x()x(pq)x(Jepeeepepe wE Lpe,Jpe(x)=JpE=C)1e(dx)x(NnqD)x(JJKTEqVEoew2ipepePE )x(p)x(Ndxd)x(N1qD)x(JeEEpepe wb102；2.2.减小基区宽度减小基区宽度wb；3.3.提高基区电场因子；提高基区电场因子；4.4.提高基区少子寿命和迁移率。提高基区少子寿命和迁移率。34作业nb2bbDw 2e11 试证明：缓变基区晶体管载流子的基区渡越时间试证明：缓变基区晶体管载流子的基区渡越时间其中：其中：352.6 晶体管直流放
26、大特性分析晶体管直流放大特性分析 集电结内自建电场减弱；集电结处少子集电结内自建电场减弱；集电结处少子浓度提高，浓度提高，Jnc减小，减小，Jc减小。减小。EBC一、晶体管特性曲线一、晶体管特性曲线 1.共基极共基极:ICBOIC=0IE+ICBO饱和区饱和区截止区截止区放大区放大区正偏正偏JnCJpC|VCB|WbJnEJEXmCnb(0)=C362.共射极共射极:VCEVBE 时时 IC下降，机理与前同下降，机理与前同IC=0IB+I+ICEOICEOCEBVBEVCEVBE导通电压导通电压IB=IpE +IVB-ICBO VCEWbIVBIBxmcVBE导通电压导通电压VCE=0:二只并
27、联二极管二只并联二极管37输出特性曲线二个特征输出特性曲线二个特征:1.IE与与IB较小或较大时，较小或较大时，0 0和和0 0较小，而且较小，而且IC越大或越小越大或越小0 0和和0 0越小越小;2.2.随随VCB或或VCE的增大，输出电流的增大，输出电流IC略有增大，反映出略有增大，反映出0 0和和0 0增大。增大。3.电流放大系数与电流关系：电流放大系数与电流关系：ICVCE38Early(厄利厄利)电压电压二、基区宽变效应二、基区宽变效应(Early效应效应)-)-曲线倾斜机理曲线倾斜机理VCB 或或 VCE Xmc Wb 0 0、0 0 VCB 或或VCE Xmc Wb 0 0、0
28、0 定义：定义：晶体管有效基区宽度随集电结偏置电压变化而变化的现象，称为晶体管基区宽度效应，晶体管有效基区宽度随集电结偏置电压变化而变化的现象，称为晶体管基区宽度效应，又称又称Early(厄利厄利)效应。效应。机理分析机理分析wb1wb212nb2bbeoooLwRR1 dnb(x)/dx JnEIVB Jnc39三、发射结空间电荷区复合三、发射结空间电荷区复合-小电流放大系数低的机理小电流放大系数低的机理 载流子在发射结空间电荷区内的复合是小电流时放大系数小的主要原因。载流子在发射结空间电荷区内的复合是小电流时放大系数小的主要原因。IE=InE+IpE+IER IER1nEERnEPEERP
29、EnEnEEnEIIII1IIIIII kT2/EqVimeERe2nAqxI KT2/EqVnEEReII 小电流小电流(低低V VE E)时，势垒区复合电流所占比例大，随电时，势垒区复合电流所占比例大，随电流流(V(VE E)增大，复合电流影响逐渐减小增大，复合电流影响逐渐减小,0 0、0 0增大增大40四、大注入效应四、大注入效应-大电流电流放大系数下降的机理大电流电流放大系数下降的机理大注入：大注入：发射区注入基区的非平衡少子浓度发射区注入基区的非平衡少子浓度n nb b(x)(x)接近甚至超过基区多子浓度的现象。接近甚至超过基区多子浓度的现象。大注入效应：大注入效应：大注入下，晶体管
30、内产生三种物理现象，即三个效应，分别称为大注入下，晶体管内产生三种物理现象，即三个效应，分别称为 1.1.基区电导调制效应；基区电导调制效应；2.2.有效基区扩展效应；有效基区扩展效应；3.3.发射结电流集边效应。发射结电流集边效应。它们都将造成晶体管电流放大系数的下降。这里将它们统称为大注入效应。它们都将造成晶体管电流放大系数的下降。这里将它们统称为大注入效应。大注入效应通常发生在工作电流密度高的功率晶体管中。大注入效应通常发生在工作电流密度高的功率晶体管中。411.1.基区电导调制效应基区电导调制效应 基区多子浓度：基区多子浓度：pb(x)=NB(x)+nb(x)pb(x)=1/b=qpb
31、 Pb(x)=qpb NB(x)+nb(x)b b o o 1be1oewEnebwobBpb1nEpE)RR1(dx)x(Ndx)x(n)x(N1)JJ1(定义：定义：基区电导随注入基区少子浓度增大而增大基区电导随注入基区少子浓度增大而增大(电阻率减小电阻率减小)的现象。的现象。设：设：Wb=C422.2.有效基区扩展效应有效基区扩展效应 定义：定义：大电流密度下，晶体管大电流密度下，晶体管有效基区宽度有效基区宽度随注入基区电流随注入基区电流(载流子载流子)密度的增大而密度的增大而展宽展宽，这种现象称为晶体管，这种现象称为晶体管有有效基区扩展效应效基区扩展效应，又称，又称kirk效应效应。n
32、c=JnC/qVSLxmC s0CBnNdx)x(d s0CCnNdx)x(d (集电区侧集电区侧)(基区侧基区侧)设：设：VCB=C，即：电场曲线下所围面积不变，即：电场曲线下所围面积不变 1oewEne)bwbw(obBpb1nEpEdx)x(Ndx)x(n)x(N1)JJ1(2nb2bbLww1 o o 基区少子分布斜率下降基区少子分布斜率下降|(x)|大注入效应、基大注入效应、基区扩展效应同时区扩展效应同时发生发生43基区扩展效应基区扩展效应nc=JnC/qVSLxmC s0CBnNdx)x(d s0CCnNdx)x(d (集电区侧集电区侧)(基区侧基区侧)；EBCNPNN+WbJnc
33、-+电场曲线下所围面积不变电场曲线下所围面积不变=VCB443.发射结电流集边效应发射结电流集边效应 定义：定义：发射结电流密度从发射结（横向）中心到发射结边缘逐发射结电流密度从发射结（横向）中心到发射结边缘逐渐增大的现象。渐增大的现象。基区横向压降：基区横向压降：基极电流在基区体电阻上产生的从基极电流在基区体电阻上产生的从发射结中心到边缘逐渐增大的压降发射结中心到边缘逐渐增大的压降-用用V(x)V(x)表示表示。发发射区横向等电位。射区横向等电位。KT)x(qVEKT)x(V)o(EVqEe)0(JeC)x(J 影响影响：1.1.发射结有效面积减小发射结有效面积减小;2.2.中心区域结面产生
34、反向电流及存在势垒电容；中心区域结面产生反向电流及存在势垒电容；3.3.导致基区电导调制效应或基区扩展效应在发射结边缘发生，造成电流放大系导致基区电导调制效应或基区扩展效应在发射结边缘发生，造成电流放大系数下降。数下降。机理：机理：45发射结电流根部集中效应发射结电流根部集中效应 发射结电流沿发射区金属电极条纵向流向外电极引线；发射结电流沿发射区金属电极条纵向流向外电极引线；金属电极层较薄，电阻不可忽略，发射极电流在金属电极层产生金属电极层较薄，电阻不可忽略，发射极电流在金属电极层产生纵向压降；纵向压降；纵向压降造成外引线端侧发射区电位低于另一端；纵向压降造成外引线端侧发射区电位低于另一端；基
35、区在纵向等电位；基区在纵向等电位；引起发射结正偏向引线端逐渐升高，电流密度逐渐增大。引起发射结正偏向引线端逐渐升高，电流密度逐渐增大。定义：定义：发射结电流密度在纵向沿发射区向外电极引线处逐渐升发射结电流密度在纵向沿发射区向外电极引线处逐渐升高的现象。高的现象。结果：结果：根部集中效应和电流集边效应根部集中效应和电流集边效应使使发射结电流密度发射结电流密度在在引线端在在引线端发射结的二个弯角处最高，发射结的二个弯角处最高，首先发生前二个效应，电流放大系数下降首先发生前二个效应，电流放大系数下降。46三个效应关系三个效应关系基区电导调制效应基区电导调制效应和和基区扩展效应基区扩展效应是电流放大系
36、数下降的是电流放大系数下降的物理原因物理原因；电流集边效应电流集边效应与与根部集中效应根部集中效应使使电导调制效应电导调制效应和和基区扩展效应基区扩展效应首先在首先在发射结边缘发生发射结边缘发生；基区电导调制效应基区电导调制效应和和基区扩展效应基区扩展效应一般一般同时存在同时存在。大注入效应的控制：大注入效应的控制：1.限定限定控制电导调制效应和基区扩展效应所允许的控制电导调制效应和基区扩展效应所允许的最大电流密度最大电流密度。取二个效应中最大电流。取二个效应中最大电流密度的较小者作为控制大注入效应临界电流密度。密度的较小者作为控制大注入效应临界电流密度。2.为为控制电流集边效应控制电流集边效
37、应，规定，规定发射区有效宽度发射区有效宽度。考虑发射极。考虑发射极根部集中效应根部集中效应，规定了发射区，规定了发射区的的有效长度有效长度。发射区。发射区有效宽度有效宽度和和有效长度有效长度分别是以它们的分别是以它们的横向横向或或纵向压降纵向压降等于等于KTq时的时的值来确定。值来确定。47五、大注入效应控制五、大注入效应控制1.基区电导调制效应：基区电导调制效应：bBnbCMEMWNqD2JJ2.基区扩展效应基区扩展效应CSLCMNqJ3.发射区有效条宽发射区有效条宽4.发射区有效条长发射区有效条长qkTIdnS3effLMEMM *线电流密度线电流密度 线性放大：线性放大：I00.05mA
38、/m;一般放大：一般放大：I0=0.050.15mA/m 21EpbeffJRqkT18.22S 48大注入自建电场大注入自建电场定义：定义：基区基区非平衡多子扩散非平衡多子扩散形成引起电场，称为形成引起电场，称为大注大注入自建电场入自建电场。大注入自建电场大注入自建电场对渡越基区的对渡越基区的少子产生加速作用少子产生加速作用，但，但该作用效果该作用效果被基区扩展效应所屏蔽被基区扩展效应所屏蔽；缓变基区缓变基区晶体管，基区晶体管，基区自建电场自建电场是基区掺杂和非平衡是基区掺杂和非平衡载流子引起的载流子引起的电场迭加；电场迭加；注入基区的注入基区的非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度远高于掺杂浓度
39、时，基远高于掺杂浓度时，基区区自建电场自建电场将主要将主要由非平衡载流子决定由非平衡载流子决定。在这样条件。在这样条件下，下，缓变基区晶体管与均匀基区晶体管基区自建电场缓变基区晶体管与均匀基区晶体管基区自建电场趋于相同，它们的特性也趋于一致趋于相同，它们的特性也趋于一致。(x)49作业作业:1.试解释发射效率、基区输运系数的物理意义；试解释发射效率、基区输运系数的物理意义；2.试简述放大状态晶体管内部载流子的输运过程；试简述放大状态晶体管内部载流子的输运过程；3.试简述晶体管电流放大系数与其结构参数的关系；试简述晶体管电流放大系数与其结构参数的关系；4.试解释晶体管电流放大系数与工作电流间的曲
40、线。试解释晶体管电流放大系数与工作电流间的曲线。5.对对npn晶体管，若晶体管，若WbLnb,WELpE 试写出：试写出：IE=?IC=?502.7 晶体管频率特性晶体管频率特性一、晶体管一、晶体管交流电流放大系数与工作频率关系交流电流放大系数与工作频率关系 0/20/2二、频率特性表征参数二、频率特性表征参数 共基极交流输出短路电流放大系数：共基极交流输出短路电流放大系数：0cbaV eici共基极截止频率共基极截止频率-f f：共射极交流输出短路电流放大系数：共射极交流输出短路电流放大系数：0ceaV bici共射极截止频率共射极截止频率-f：|=|=0/2特征频率特征频率-fT：共射极状
41、态下，：共射极状态下，|=|=时的工作频率。时的工作频率。最高振荡频率最高振荡频率-fmax：共射状态下使最佳功率增益等于时的工作频率。：共射状态下使最佳功率增益等于时的工作频率。|=|=0/251发射界交流电压下降，信号迟后；发射结交流电压下降，信号仍迟后。发射界交流电压下降，信号迟后；发射结交流电压下降，信号仍迟后。三、晶体管交流载流子输运三、晶体管交流载流子输运 要点：要点：直流载流子输运；直流载流子输运；1.势垒电容势垒电容CT；2.扩散电容扩散电容CD；3.势垒区宽度；势垒区宽度；以发射结交流信号上升为例：以发射结交流信号上升为例：4.交流信号叠加在直流信号交流信号叠加在直流信号上；
42、上；5.势垒区变窄；势垒区变窄；5.边界少子浓度提高。边界少子浓度提高。iCTeiCDeeipee=reCTee1=reCDeeiCDebeb=reCDebd=xmc/2vs IVRC C=rCSCTcEBCrCS52#充电时常数分析：充电时常数分析：共基极共基极reCTeCTCrCSCDeeCDebreCTeCTCrCSCDeeCDeb共射极共射极ee=re（CTe+CTc）b=reCDeb=wb2/(Dnb)e=reCTe；c c=rCSCTc；d=xmc/2vs53四、四、晶体管交流输出短路电流放大系数晶体管交流输出短路电流放大系数 直流：直流：InE=IE IpE;InC=InE Iv
43、BTeCDeeCpeeneiiiii 交流：交流：DebCVBneCiiii nc工作频率越高，电容对电流分流越大，电流放工作频率越高，电容对电流分流越大，电流放大系数越小。大系数越小。i ie e CDeeCDebCTeCTce1=reCDeee eb=reCDebe=reCTeC C=rCSCTcd=xmc/2vs输出交流电流幅度减小输出交流电流幅度减小输出电流相位输出电流相位滞后滞后输出交流电流变成输出交流电流变成复数复数 iiiiInC直流：直流：I IE EIpEInEIVBi ie e CTeiCDeeipeii ine ne CDebiVBii inc nci ic c CTci
44、交流：交流：54)f/f(j1o 1cdbe)(2f ee=re（CTe+CTc）1Tccssmcnb2bTcTee1cdbeeTCr2Vx DWCCr2)(2f 21TCbT21ceTbTmaxCr8fC)Lfr(8ff b=reCDeb=wb2/(Dnb)基区基区扩散电容充放电时间扩散电容充放电时间=基区基区少子基区渡越时间少子基区渡越时间。e=reCTec c=rCSCTcd=xmc/2vs一级近似：一级近似：fjf1)ff(j100b0 1cdbee0)(2f 55五、五、频率特性与器件结构关系频率特性与器件结构关系 1TcoCCSLmcnb2bTcoecTeoeTCwv2xDw)CA
45、AC(qjKT2f ceTAAf re=KT/(qAeje)CTe=AeCTe0 CTc=AcCTc0rcs=cwc/Ac 1Tccssmcnb2bTcTee1cdbeeTCr2Vx DWCCr2)(2f 562.8 2.8 晶体管开关特性晶体管开关特性输入电压可使晶体管处于：输入电压可使晶体管处于：1.截止截止-关态关态 （基极零偏，或二个结都反偏）（基极零偏，或二个结都反偏）2.放大放大 临界饱和临界饱和 饱和饱和一、开关特性一、开关特性-开态开态饱和开关饱和开关非饱和开关非饱和开关功耗大功耗大临界饱和临界饱和:Vce=Vbe饱饱 和和:VceVbe57二、饱和开关特性分析二、饱和开关特性
46、分析ton=td+tr toff=ts+tf BBEBi1BRVVVI BBEB2BRVVI LCECCSRVVI 58二、开关机理分析二、开关机理分析#载流子消失途径：载流子消失途径：-复合复合 -抽取抽取开关时间成因：开关时间成因：载流子再分布过程所需要的时间载流子再分布过程所需要的时间592.2.9 异质结晶体管异质结晶体管1.电流增益高，电流增益高，可比可比Si同质结晶体管高同质结晶体管高104；2.特征频率特征频率fT和最高振荡频率和最高振荡频率fmax高，可以是高，可以是Si同质结晶体管的几倍同质结晶体管的几倍-十余倍；十余倍；3.线性性度高；噪声小；大电流特性好。线性性度高；噪声
47、小；大电流特性好。异质结晶体管（异质结晶体管（HBTHeterojunction Bipolar Transistor）：）：-发射结采用异质结或发射结和集电结都是异质结的晶体管。发射结采用异质结或发射结和集电结都是异质结的晶体管。-基区禁带宽度小于发射区禁带宽度，或同时小于发射区和基区禁带宽度小于发射区禁带宽度，或同时小于发射区和 集电区禁带宽度的晶体管。集电区禁带宽度的晶体管。优优 势：势：主要得益于异质发射结注入电流比。主要得益于异质发射结注入电流比。机机 理：理：60一、能带结构：一、能带结构：EBC2.双异质结晶体管双异质结晶体管EBC1.单异质结晶体管单异质结晶体管61一、异质发射
48、结电流注入比一、异质发射结电流注入比 同质发射结同质发射结电流注入比电流注入比 bBpeeEnbPEnEwNwNII weLpe，wbLnb 异质发射结异质发射结电流注入比电流注入比 KTEexpwNwNIIgbBpeeEnbPEnE weLpe，wbNE，异质发射结发射效率仍可以高于同质结。异质发射结发射效率仍可以高于同质结。62三、异质结晶体管特性三、异质结晶体管特性1.共射极输出短路电流放大系数共射极输出短路电流放大系数maxPEnEVBpEVBnEVBpEnCIIIIIIIII KTEexpwNwNIIgbBpeeEnbpEnEmax 结结 论：论：1.电流放大系数电流放大系数(发射效
49、率发射效率)远高于同质结晶体管；远高于同质结晶体管；2.利用该特征可以突破同质结晶体管的结构参数极限对晶体利用该特征可以突破同质结晶体管的结构参数极限对晶体 管特性造成的制约，提高晶体管的频率特性和其它性能。管特性造成的制约，提高晶体管的频率特性和其它性能。如：如：NB可以大于可以大于NE-fmax提高提高；基区宽度可以进一步减小基区宽度可以进一步减小-fT提高提高。制约同质结晶体管因素：制约同质结晶体管因素：1.发射效率发射效率-NE/NB102;2.fmax-NB尽量高尽量高(1018),Wb不能太窄。不能太窄。二着至使二着至使()与与fT不高。不高。bBpeeEnbpEnEmaxwNwN
50、II 同质结晶体管：同质结晶体管：gE=250mv，注入比和注入比和发射效率发射效率可以比同质发射结高可以比同质发射结高104倍以上。倍以上。63异质结晶体管基区高掺杂，即使基区非常窄，仍然可以异质结晶体管基区高掺杂，即使基区非常窄，仍然可以大大减小基区电阻；所以最高振荡频率大大减小基区电阻；所以最高振荡频率f fmaxmax将明显增大。将明显增大。2.最高振荡频率最高振荡频率21TCbTmaxCr8ff NB rb fmax641TcoCCSLmcnb2bTcoecTeoeTCwv2xDw)CAAC(qjKT2f 2.2.特征频率特征频率 发射区掺杂浓度可以降低，减小了发射结势垒电容；发射区
