尼曼-半导体物理与器件第十二章市公开课一等奖省赛课获奖课件.pptx

第十二章双极晶体管

高等半导体物理与器件

第十二章双极晶体管第1页

第十二章双极晶体管1主要内容双极晶体管工作原理少子分布低频共基极电流增益非理想效应等效电路模型频率上限大信号开关小结第2页

第十二章双极晶体管2晶体管基本工作原理：在器件两个端点之间施加电压，从而控制第三端电流。最基本三种晶体管：双极晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管。双极晶体管：在此器件中包含电子和空穴两种极性不一样载流子运动。双极晶体管中有2个pn结，结电压正负情况能够有各种组合，造成器件有不一样工作模式。是一个电压控制电流源。两种等效电路模型，适合用于不一样情况。第3页

第十二章双极晶体管312.1双极晶体管工作原理三个掺杂不一样扩散区、两个pn结三端分别为发射极（E）、基极（B）、集电极（C）相对于少子扩散长度，基区宽度很小发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低pn结结论将直接应用于双极晶体管研究双极晶体管不是对称器件，包含掺杂浓度和几何形状第4页

4(a)npn型(b)pnp型双极晶体管简化结构图及电路符号(a)集成电路中常规npn型双极晶体管(b)氧化物隔离npn型双极晶体管截面图第十二章双极晶体管第5页

第十二章双极晶体管5（1）基本工作原理均匀掺杂npn型双极晶体管理想化掺杂浓度分布图(a)npn型双极晶体管工作在正向有源区偏置情况(b)工作于正向有源区，npn型双极晶体管中少子分布(c)零偏和正向有源区时，npn型双极晶体管能带图图中显示了正向有源模式下电子从n型发射区注入（所以称为发射区）和电子在集电区被搜集（所以称为集电区）截面图B-E结正偏，B-C结反偏（正向有源模式）-共基B-E结正偏：电子从发射区越过发射结注入到基区；B-C结反偏：理想情况下B-C结边界处，少子电子浓度为零。图(b)中电子浓度梯度标明：发射区注入电子会越过基区扩散到B-C结空间电荷区，那里电场会把电子扫到集电区。为了使尽可能多电子抵达集电区，而不是和基区多子空穴复合；与少子电子扩散长度相比，基区宽度必须很小。当基区宽度很小时，少子电子浓度是B-E结电压和B-C结电压函数。两个结距离很近——互作用pn结。npn型双极晶体管横截面图第6页

6（2）晶体管电流简化表示式短基区第十二章双极晶体管理想情况下，基区少子电子浓度是基区宽度线性函数，表明没有复合发生。电子扩散过基区，后被B-C结空间电荷区电场扫入集电区。第7页

7集电极电流：扩散电流晶体管基本工作原理：器件一端电流由加到另外两端电压控制集电极电流基极和发射极间电压第十二章双极晶体管第8页

8发射极电流：α称为共基极电流增益。该增益尽可能靠近1。总发射极电流为：一部分电流是发射区注入基区电子电流，即iC。另一部分电流是正偏B-E结电流，即iE2。第十二章双极晶体管第9页

9基极电流：β为共发射极电流增益，其值远大于1（数量级为100或更大）。总基极电流为：一部分电流iBa是B-E结电流，即iE2。另一部分是基区空穴复合电流，记为即iBb。直接依赖于基区中少子电子数量。第十二章双极晶体管第10页

第十二章双极晶体管10（3）工作模式①B-E反偏，B-C反偏：截止。②B-E正偏，B-C反偏：正向有源区。③B-E正偏，B-C正偏：饱和。④B-E反偏，B-C正偏：反向有源区。共射第11页

11双极晶体管和其它元件相连，可实现电压、电流放大。正向有源区，电压增益，电压放大器共射第十二章双极晶体管（4）双极晶体管放大电路第12页

第十二章双极晶体管1212.2少子分布双极晶体管电流是由少子扩散决定。第13页

13（1）正向有源模式：B-E结正偏，B-C结反偏均匀掺杂npn双极晶体管。单独考虑每个区域时，将起点移到空间电荷区边界，采取正坐标值。中性集电区长度比集电区内少子扩散长度大得多。中性发射区有限长，假设x′=xE处表面复合速率无限大，即此处过剩少子浓度为零。第十二章双极晶体管第14页

14①基区稳态下，过剩少子电子浓度可经过双极输运方程得到。中性区，电场为零，无过剩载流子产生，稳态下输运方程通解表示为B-E结正偏边界条件：B-C结反偏经过线性近似得：第十二章双极晶体管第15页

15②发射区一样，使用稳态下过剩少子双极输运方程通解表示为B-E结正偏边界条件：x′=xE处，表面复合速度无限大经过线性近似得：第十二章双极晶体管第16页

16③集电区稳态下过剩少子输运方程通解表示为集电区无限长边界条件：B-C结反偏集电区过剩少子浓度：第十二章双极晶体管第17页

17第十二章双极晶体管第18页

第十二章双极晶体管18（2）其它工作模式（a）截止：B-E结，B-C结均反偏，空间电荷区边界少子浓度均为零。（b）饱和：B-E结，B-C结均正偏，空间电荷区边界存在过剩少