5 双极型晶体管及相.ppt

当集电极和基极间的反向偏压增加时，基区的宽度将会减少，导致基区中的少数载流子浓度梯度增加，亦即使得扩散电流增加，因此IC也会增加。下图显示出IC随着VEC的增加而增加，这种电流变化称为厄雷效应，或称为基区宽度调制效应，将集电极电流往左方延伸，与VEC轴相交，可得到交点，称为厄雷电压。 双极型晶体管的频率响应与开关特性 频率响应 前面讨论的是晶体管的静态特性(直流特性)， 没有涉及其交流特性，也就是当一小信号 重叠在直流值上的情况。小信号意指交流 电压和电流的峰值小于直流的电压、电流 值。 高频等效电路：图(a)是以共射组态晶体管 所构成的放大器电路，在固定的直流输入 电压VEB下，将会有直流基极电流IB和直流 集电极电流IC流过晶体管，这些电流代表图 (b)中的工作点，由供应电压VCC以及负载电 阻RL所决定出的负载线，将以一1/RL的斜 率与VCE轴相交于VCC。 双极型晶体管的频率响应与开关特性 当一小信号附加在输入电压上时，基极电流iB将会随时间变动，而成一 时间函数，如右图所示。基极电流的变动使得输出电流iC跟着变动， 而iC的变动是iB变动的β0倍，因此晶体管放大器将输入信号放大了。 下图(a)是此放大器的低频等效电路，在更高 频率的状况下，必须在等效电路中加上适当 的电容。与正向偏压的p-n结类似，在正向偏 压的射基结中，会有一势垒电容CEB和一扩 散电容Cd，而在反向偏压的集基结中只存在 势垒电容CCB，如图(b)所示。 要改善频率响应，必须缩短少数载流子穿越基区所需的时间，所以高频晶体管都设计成短基区宽度。由于在硅材料中电子的扩散系数是空穴的三倍，所有的高频硅晶体管都是n-p-n的形式(基区中的少数载流子是电子)．另一个降低基区渡越时间的方法是利用有内建电场的缓变掺杂基区， 掺杂浓度变化(基区靠近发射极端掺杂浓度高，靠近集电极端掺杂浓度低)产生的内建电场将有助于载流子往集电极移动，因而缩短基区渡越时间。 双极型晶体管的频率响应与开关特性 在数字电路中晶体管的主要作用是当作开关。可以利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流由关(off)的状态成为开(on)的状态(反之亦然)。关是高电压低电流的状态，开是低电压高电流的状态。 图(a)是一个基本的开关电路，其中射基电压瞬间由 负值变为正值。图(b)是晶体管的输出电流，起初因 为射基结与集基结都是反向偏压，集电极电流非常 低，但射基电压由负变正后，集电极电流沿着负载 线，经过放大区最后到达高电流状态的饱和区，此 时射基结与集基结都变为正向偏压。因此晶体管在 关的状态下，亦即工作于截止模式时，发射极与集 电极间不导通；而在开的状态下，亦即工作在饱和 模式时，发射极与集电极间导通．因此晶体管可近 似于一理想的开关。 双极型晶体管的频率响应与开关特性 开关暂态过程 开关时间是指晶体管状态从关变 为开或从开变为关所需的时间， 图(a)显示一输入电流脉冲在t＝0 时加在射基端点上，晶体管导通 在t＝t2时，电流瞬间转换到零， 晶体管关闭。集电极电流的暂态 行为可由储存在基区申的超量少 数载流子电荷QB(t)来决定，图(b) 是QB(t)与时间的关系图。在导通 的过程中，基区储存电荷将由零 增加到QB(t2)；在关闭的过程中， 基区储存电荷由QB(t2)减少到零。 双极型晶体管及相关器件 本章内容 ? 双极型晶体管的工作原理 ? 双极型晶体管的静态特性 ? 双极型晶体管的频率响应与开关特性 ? 异质结双极型晶体管 ? 可控硅器件及相关功 双极型晶体管的工作原理 双极型晶体管(bipolar transistor)的结构 双极型晶体管是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路 、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p-n结所组成，其结构可为p-n-p或n-p-n的形式。 如图为一p-n-p双极型晶体管 的透视图，其制造过程是以p型半 导体为衬底，利用热扩散的原理 在p型衬底上形成一n型区域，再 在此n型区域上以热扩散形成一高 浓度的p＋型区域，接着以金属覆 盖p＋、n以及下方的p型区域形成 欧姆接触。 双极晶体管工作原理 图(a)为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的 区域，形成两个p-n结。浓度最高的p＋区域称为发射区(emitter，以E表示)； 中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的 宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区 (collector，用C表示)。 图(b)为p-n-p双极型晶体管的电 路符号，图中亦显示各电流成分和电 压极性，箭头和“十”、“一”符号