半导体器件原理第三章.1课题.ppt

* 第三章 双极结型晶体管 双极型晶体管的结构示意图和电路符号： N N N P P P E E E E B B B B C C C C 加在各PN 结上的电压为： PNP 管： NPN管： 根据两个结上电压的正负，晶体管可有 4 种工作状态： E 结 ＋ ＋ － － 工　作　状　态 放大状态，用于模拟电路 饱和状态，用于数字电路 截止状态，用于数字电路 倒向放大状态 C 结 － ＋ － ＋ 晶体管在 4 种工作状态下的少子分布图： 放大状态： 饱和状态： 截止状态： 倒向放大状态： NPN 晶体管在平衡状态下的能带图： EC EF EV N N P NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图： 放大状态： 饱和状态： 截止状态： 倒向放大状态： （1） 基区必须很薄，即WB LB ； § 3-1 均匀基区晶体管的放大系数 1、晶体管的放大作用 均匀基区晶体管：基区掺杂为均匀分布。少子在基区中主要作扩散运动，又称为 扩散晶体管。 缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，少子在基区中主要作漂移运动，又称为 漂移晶体管。 要使晶体管区别于两个二极管的串联而具有放大作用，晶体管在结构上必须满足两个基本条件： （2） 发射区的杂质总量远大于基区，当WE 与WB 接近时，即要求 NE NB 。 晶体管放大电路有两种基本类型，即 共基极接法 与 共发射极接法 。 先讨论共基极接法（以PNP 管为例）： B E C B P N P NE NB NC IE IB IC V P区 N区 0 为了理解晶体管中的电流变化情况，先复习一下 PN 结中的电流： 忽略势垒区产生复合电流， 处于放大状态的晶体管内部的各电流成分如下图所示： 从 IE 到 IC ，发生了两部分亏损： InE 与 In r 。 要减小 InE ，就应使NE NB ； 要减小In r ，就应使WB LB 。 定义：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IE 之比，称为共基极直流短路电流放大系数，记为α，即： 共发射极接法： 定义：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IB 之比，称为共发射极直流短路电流放大系数，记为β，即： E C B N P IE IB IC P E 根据 ，及 的关系，可得β与α之间有如下关系： 对于一般的晶体管，α= 0.950～0.995，β = 20～200 。 2、基区输运系数β* 定义：基区中到达集电结的少子电流 IpC 与从发射结注入基区的少子电流 IpE 之比， 称为 基区输运系数，记为β*，即： 由于空穴在基区的复合，使 JpC JpE 。 由于 WB LB ，根据薄基区二极管的近似结果（§1-3 ，第 5 小节） ，可得: 以下用 pB 代表基区非平衡少子浓度 △pn 。 这里必须采用薄基区二极管的精确结果 ，即: pB(0) pB(x) x 0 WB 近似式，忽略基区复合 精确式，考虑基区复合 再利用近似公式： ( x 很小时），得： 根据基区输运系数的定义，得： 静态下的空穴电荷控制方程为： 以下再利用电荷控制法来求β* 。 另一方面，由薄基区二极管的 近似 公式： 从上式可解出： ，代入 Jpr 中，得： B E C 0 WB JpE JpC 上式中， 即代表了少子在基区中的复合引起的电流亏损所占的比例。要减少亏损，应使WB↓，LB↑。 β＊的典型值：WB =1μm，LB =10 μm ，β＊= 0. 9950 。