半導體物理與材料4

1、 最早的雙極晶體管是最早的雙極晶體管是1948年發(fā)明的年發(fā)明的,用用Ge制成制成,是點接觸結(jié)是點接觸結(jié)構(gòu)構(gòu).隨后發(fā)現(xiàn)硅用擴散結(jié)的技術從工業(yè)角度有更大的優(yōu)點隨后發(fā)現(xiàn)硅用擴散結(jié)的技術從工業(yè)角度有更大的優(yōu)點.最具吸最具吸引力的是引力的是SiO2可以在硅晶片上生長可以在硅晶片上生長,這不僅可以提供對于摻雜原這不僅可以提供對于摻雜原子的勢壘子的勢壘,而且可以提供近乎完美的絕緣層而且可以提供近乎完美的絕緣層. 硅片技術在硅片技術在1959年幾乎同時由年幾乎同時由Texas Instruments和和Fairchild Lab.兩家公司開發(fā)出兩家公司開發(fā)出,今天已經(jīng)廣泛應用于分離的和集今天已經(jīng)廣泛應用于分離

2、的和集成電路成電路BJT的制造的制造. 單體的單體的BJT的尺寸從低亞微米的尺寸從低亞微米VLSI到高壓到高壓600V以上的功以上的功率開關結(jié)構(gòu)都有率開關結(jié)構(gòu)都有.近幾年來的主要進步有多晶硅發(fā)射近幾年來的主要進步有多晶硅發(fā)射,異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)BJT(用用GaAlAs/GaAs,Si/SiGe).最近的最近的SiGe器件的電流增益頻率器件的電流增益頻率可以達到可以達到100GHz. 在本章中在本章中: 主要介紹具有雙擴散雜質(zhì)分布的垂直主要介紹具有雙擴散雜質(zhì)分布的垂直NPN BJT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu); BJT的直流特性以及大電流效應引起的功能衰退和擊穿的直流特性以及大電流效應引起的功能衰退和擊穿電壓電壓; 然后

3、是小信號以及電容然后是小信號以及電容; 最后是開關行為和溫度效應最后是開關行為和溫度效應. 在重摻雜在重摻雜(N+)的基片上有一的基片上有一層適中摻雜的層適中摻雜的N型型Si.圖圖(a)是是矩形掩模板矩形掩模板(rectangular mask)面面,通過這個面積進行通過這個面積進行連續(xù)兩次擴散連續(xù)兩次擴散.Boron(硼硼)(P型雜質(zhì)型雜質(zhì))在在1000高溫下通過高溫下通過最大的矩形擴散進去形成一最大的矩形擴散進去形成一個個P+N結(jié)結(jié).這種制作次序就形這種制作次序就形成了兩個成了兩個N型區(qū)型區(qū)(上下上下)中間中間夾著夾著P型區(qū)的三明治結(jié)構(gòu)型區(qū)的三明治結(jié)構(gòu).現(xiàn)現(xiàn)在就有兩個交迭的在就有兩個交迭的

4、PN結(jié)共用結(jié)共用一個一個P型區(qū)型區(qū),因此有兩個空間因此有兩個空間電荷區(qū)電荷區(qū)(耗盡層耗盡層). (a)(b)SiO2MetalSCLEBCBJT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): (a)俯視圖俯視圖(mask);(b)截面圖截面圖,空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)和和SiO2是陰影是陰影.發(fā)射極是發(fā)射極是N型型,基極是基極是P型型,集電極是集電極是NBECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPN型型PNP集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極BCEPNP型型基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu):BECIBIEICNPN型三極管型三極管BECIBIEICPNP型三極管型三極管表示符號表示符號:BEC基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 各區(qū)特點各區(qū)特點

5、:NNPBEC基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電極集電極 兩個兩個PN結(jié)結(jié):NNP(b)SiO2MetalSCLEBC15102110NjebXN(x)NPNjcbXepiX截面圖及對應的雜質(zhì)分布截面圖及對應的雜質(zhì)分布 x截面圖及濃度分布截面圖及濃度分布:0 jebXjcbXepiX1510 x2110WbWepiWbWeWepi0 jebXjcbXepiXEBCNDENABNepiBJT的雜質(zhì)分布的雜質(zhì)分布,以硅表面開始作為以硅表面開始作為x軸軸 BJT雜質(zhì)分布的簡化圖雜質(zhì)分布的簡化圖 濃度分布濃度分布:N(x) 一般假設一般假設BJT是正常偏壓下進行的是正常偏壓下進行的,即即e-b結(jié)是正向偏壓結(jié)

6、是正向偏壓,而而c-b結(jié)是反結(jié)是反向偏壓向偏壓.這就是為什么這就是為什么e-b結(jié)的結(jié)的SCL比比c-b結(jié)的結(jié)的SCL窄得多的第一個原因窄得多的第一個原因.第二個原因就是集電極區(qū)與基極和發(fā)射極區(qū)相比摻雜要低第二個原因就是集電極區(qū)與基極和發(fā)射極區(qū)相比摻雜要低.偏壓常常是偏壓常常是按照下圖設置的按照下圖設置的,這是這是共發(fā)射極設置共發(fā)射極設置.正向偏壓正向偏壓VBE通常通過一個電阻通常通過一個電阻.還還有另外一個負載電阻有另外一個負載電阻RL接在集電極和幾伏的集電極電壓接在集電極和幾伏的集電極電壓VCC之間之間.因為因為VBE只有只有0.7伏伏,幾伏的電源電壓幾伏的電源電壓VCC就可以就可以保證保證

7、c-b結(jié)是反向偏置的結(jié)是反向偏置的.BCEBECECBVVV共發(fā)射極的共發(fā)射極的BJTBJT的偏壓設置簡化圖的偏壓設置簡化圖 RLVCC幾伏幾伏0.7伏伏偏壓設置偏壓設置: 下圖是電子和空穴在基極下圖是電子和空穴在基極,集電極和發(fā)射極區(qū)的分布集電極和發(fā)射極區(qū)的分布.正向偏壓在正向偏壓在e-b耗盡層邊耗盡層邊界產(chǎn)生注入電子和空穴濃度界產(chǎn)生注入電子和空穴濃度,根據(jù)注入定理根據(jù)注入定理2.74和和2.75式有式有(用下標用下標b描述描述P型型基極區(qū)基極區(qū),ne描述描述N型發(fā)射極區(qū)以示區(qū)別型發(fā)射極區(qū)以示區(qū)別N型集電極區(qū)型集電極區(qū)):)/exp()(0tBCbbbVVnWn0()0bbbn Wnp(x)

8、n(x)pne(0)nb(0)ncNepiWeWbx正常偏壓正常偏壓BJT的電子和空穴分布的電子和空穴分布,SCL是陰影是陰影 )/exp()0(0tbebbVVnn)/exp()0(0tBEneneVVpppne0nb0nb(wb)ENBPCN在集電極邊到基極邊在集電極邊到基極邊, ,用注用注入定理入定理, ,有有: : 注意在正常偏壓下注意在正常偏壓下VCB是正是正的的,而而VBC是負的是負的,因而因而: 載流子傳輸過程載流子傳輸過程: BECNNPEBRBVCCIEIBEBECNNPEBRBECIEICBOIC=ICE+ICBO ICEIBEICE三個電流三個電流: IB=IBE-ICB

9、O IBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBE 由于在基極和發(fā)射極區(qū)的擴散引起的電流可由第三章中推導的窄基二由于在基極和發(fā)射極區(qū)的擴散引起的電流可由第三章中推導的窄基二極管的公式確定極管的公式確定,面積為發(fā)射極的面積為發(fā)射極的AE,垂直的垂直的x尺寸很小尺寸很小,小于小于1微米微米,因此因此可以假設在這個時刻可以假設在這個時刻,載流子的擴散長度比區(qū)的厚度大得多載流子的擴散長度比區(qū)的厚度大得多,因此有因此有: (0)()(0),0bbbbbdnnn WndxW0(0)(0),neneneedppppdxW(0)/(0)/nCEnbEnbbbpEEpe

10、EpeneednIqA DdxqA D nWdpIqA DdxqA D pW 其中其中Dnb表示基極的電子擴散系數(shù)表示基極的電子擴散系數(shù),Dpe表示發(fā)射極的空穴擴散系數(shù)表示發(fā)射極的空穴擴散系數(shù).VBE為為0.7伏伏Vt,這樣就可以在計算空穴濃度梯度時忽略這樣就可以在計算空穴濃度梯度時忽略pne0項項.其中，集電極電流是由于其中，集電極電流是由于EB結(jié)正偏擴散電流結(jié)正偏擴散電流引起的，引起的，CB結(jié)反偏，結(jié)反偏，忽略反向電流忽略反向電流：EB結(jié)正偏，基極電流就是空穴的擴散電流引結(jié)正偏，基極電流就是空穴的擴散電流引起的：起的： 電子在基極的擴散要掃過高電場的電子在基極的擴散要掃過高電場的b-c S

11、CL,然后流向然后流向N型型區(qū)的集電極接觸點區(qū)的集電極接觸點,成為低電場漂移電流成為低電場漂移電流.注意盡管注意盡管InC是負是負的的(圖圖4-6中電子從左往右中電子從左往右),集電極電流通常定義為正的集電極電流通常定義為正的,從從電源電源Vcc流向集電極的末端，忽略流向集電極的末端，忽略CB結(jié)的反向電流，因此結(jié)的反向電流，因此集電極電流集電極電流為為: IC=-InC 空穴注入到發(fā)射極是圖空穴注入到發(fā)射極是圖4-6中從右往左中從右往左,因此在發(fā)射極的末端因此在發(fā)射極的末端得到一個負的電流得到一個負的電流.在在N型發(fā)射極電流變成多子型發(fā)射極電流變成多子(低場低場)漂移電漂移電流流,且簡單地加到

12、空穴電流上且簡單地加到空穴電流上.總的總的發(fā)射極電流發(fā)射極電流為為: pEnCEIII發(fā)射極電流是集電極電流和注入發(fā)射極的空穴電流發(fā)射極電流是集電極電流和注入發(fā)射極的空穴電流IpE之和之和.這個電流從這個電流從P型基極區(qū)注入型基極區(qū)注入,而且必須來自發(fā)射極兩邊的基極而且必須來自發(fā)射極兩邊的基極接觸點接觸點,如圖所示如圖所示.因此因此基極電流基極電流為為: enepepEBWpqADII/ )0(這是正的這是正的, ,就是流向基極末端的電流就是流向基極末端的電流. . BJT最重要的參數(shù)最重要的參數(shù),即通常的發(fā)射極電流增益即通常的發(fā)射極電流增益,定義為定義為 集電極與基極電流之比集電極與基極電流

13、之比: / )0(/ )0(/enepebbnbBCWpqADWnqADII代入載流子濃度的注入定理代入載流子濃度的注入定理,得得:/00bnepeebnbWpDWnD重新組合重新組合,并應用質(zhì)量作用定理并應用質(zhì)量作用定理: DEineABibNnpNnn/;/2020其中其中NAB是基極的受主摻雜水平是基極的受主摻雜水平,NDE是發(fā)射極施主摻雜水平是發(fā)射極施主摻雜水平,得得: /,nbDEepeABbDEABDNWDNWN PN NN因此電流具有很高的增益。因此電流具有很高的增益。 放大倍數(shù)放大倍數(shù): 典型數(shù)據(jù)典型數(shù)據(jù): 用上述經(jīng)典公式計算電流增益用上述經(jīng)典公式計算電流增益.發(fā)射極摻雜發(fā)射極

14、摻雜 ,基極摻雜基極摻雜 ,發(fā)射極發(fā)射極和基極厚度為和基極厚度為:We=Wb=1.0微米微米.對發(fā)射極對發(fā)射極,由圖由圖2.11得空穴遷移率為得空穴遷移率為p50cm2/Vs;從從Einstein關系關系Dpe=Vtp=1.25cm2/s.對基極對基極,空穴遷移率為空穴遷移率為n800cm2/Vs(外推法外推法);從從Einstein關系關系Dnb=Vtp=20cm2/Vs.則由則由4.16式式得得:17102010但是但是,在第二章中在第二章中,對于摻雜超過對于摻雜超過 ,能帶變窄會實際上降低能帶變窄會實際上降低(對少數(shù)載流子對少數(shù)載流子傳輸計算有效的摻雜水平傳輸計算有效的摻雜水平.圖圖4-

15、8是是BJT發(fā)射極的實際摻雜和有效摻雜水平發(fā)射極的實際摻雜和有效摻雜水平.從圖中可以清楚看出從圖中可以清楚看出,實際上有效的摻雜有效的摻雜限制在不超過實際上有效的摻雜有效的摻雜限制在不超過 ,因此因此更為有用的更精確的增益計算公式為更為有用的更精確的增益計算公式為: )/)(/)(/(beABDeffpenbWWNNDD在室溫下在室溫下,NDeff .上面例子中上面例子中,被因子減為最終的被因子減為最終的160. 1810191041.6 101810BJT的基極一般都做在發(fā)射極邊緣附近的基極一般都做在發(fā)射極邊緣附近,因此基極電流在晶體管內(nèi)從接觸因此基極電流在晶體管內(nèi)從接觸電極流向發(fā)射極中央電

16、極流向發(fā)射極中央,到發(fā)射極正下方時到發(fā)射極正下方時,作平行于結(jié)面的橫向流動作平行于結(jié)面的橫向流動,當基當基極電流流過基區(qū)時會產(chǎn)生一個平行于發(fā)射結(jié)的橫向電壓降，這個電壓降將極電流流過基區(qū)時會產(chǎn)生一個平行于發(fā)射結(jié)的橫向電壓降，這個電壓降將降低發(fā)射結(jié)的勢壘降低發(fā)射結(jié)的勢壘.為了提高晶體管的電流增益為了提高晶體管的電流增益,基區(qū)的寬度必須很窄基區(qū)的寬度必須很窄,但是但是這又使基區(qū)的電阻相當高這又使基區(qū)的電阻相當高,這是不希望有的這是不希望有的.基極電阻基極電阻: 基極電阻及電流示意圖基極電阻及電流示意圖,右下邊的圖表示基極電流右下邊的圖表示基極電流ib的水平分量如何在的水平分量如何在y方向變化方向變化

17、 基極電阻一般用基極電阻一般用rbb表示表示,一般用下面的方法確定一般用下面的方法確定.設電流橫向流動的長度為設電流橫向流動的長度為L,垂直于基極的垂直于基極的z方向的寬度為方向的寬度為B,則發(fā)射極的面積為則發(fā)射極的面積為LB,基區(qū)的厚度為基區(qū)的厚度為Wb,在摻雜在摻雜水平為水平為NAB時時,基區(qū)的電阻率為基區(qū)的電阻率為: )/(1ABpbNq那么基極的電阻為那么基極的電阻為:BWLRbbb/但是但是, ,由于有兩個對稱的基極接觸電極由于有兩個對稱的基極接觸電極, ,實際基極的電阻應該是實際基極的電阻應該是( (根據(jù)文獻根據(jù)文獻):): )12/(BWLrbbbb為了降低基極電阻為了降低基極電

18、阻,常用的方法是增加基區(qū)的摻雜濃度常用的方法是增加基區(qū)的摻雜濃度,但是過分摻雜會使晶但是過分摻雜會使晶體管的發(fā)射效率降低體管的發(fā)射效率降低,同時發(fā)射結(jié)的擊穿電壓會降低同時發(fā)射結(jié)的擊穿電壓會降低.為了克服這一矛盾為了克服這一矛盾,常使常使一個晶體管的基區(qū)有兩種不同摻雜濃度一個晶體管的基區(qū)有兩種不同摻雜濃度,基極接觸電極下面為高摻雜區(qū)基極接觸電極下面為高摻雜區(qū),發(fā)射發(fā)射極下面為低摻雜區(qū)極下面為低摻雜區(qū),這樣既能保證發(fā)射極下面有較高電阻率這樣既能保證發(fā)射極下面有較高電阻率,使發(fā)射效率提高使發(fā)射效率提高,又降低了基區(qū)總的電阻，但是制作工藝復雜。又降低了基區(qū)總的電阻，但是制作工藝復雜。 飽和態(tài)勢飽和態(tài)勢

19、( (導通導通) )0()bbbn Wn0()bbbn Wn在有些在有些BJT的開關應用方面的開關應用方面(如如TTL邏輯電路邏輯電路,大電流開關等大電流開關等),VCB被要求要小被要求要小,而有大的基極電流而有大的基極電流IB,要求要求IC變得變得 很大很大,如圖如圖4-5,因而因而VCB(=VCE-VBE)就變得小就變得小于于0，此時，此時，CB結(jié)變成正偏，結(jié)變成正偏，VBC0，這就是工作的飽和態(tài)勢這就是工作的飽和態(tài)勢.相應在基極區(qū)相應在基極區(qū)的電子濃度分布如圖的電子濃度分布如圖4-10所示所示.其中的斷續(xù)線代表集電極中性區(qū)正向偏壓的其中的斷續(xù)線代表集電極中性區(qū)正向偏壓的b-c結(jié)的空穴注入

20、結(jié)的空穴注入. 根據(jù)注入定理得到根據(jù)注入定理得到BC結(jié)在結(jié)在Wb的電子濃度的電子濃度: nb(wb)Wbnb0pc(0)p(x)nb(0)e-b SCL c-b SCL飽和時基極區(qū)的電子分布飽和時基極區(qū)的電子分布,VBE和和VCB都是正向偏置都是正向偏置 )/exp()(0tBCbbbVVnWnVBC0，因此，因此:與與4.4式相反式相反，因此，因此4.6式中不式中不能忽略能忽略 方程式方程式4.6中的濃度梯度現(xiàn)在減小了中的濃度梯度現(xiàn)在減小了,得到一個較低的集電極電流得到一個較低的集電極電流(4.6-4.10)IC=-InC: 20/biABnnN)/exp()/)exp(/(/)()0(0t

21、BCtBEbbnbbbbbnbnbCVVVVWnqADWWnnqADdxdnqADI代入代入 得到得到I-V特性特性: )/exp()/)exp(/(2tBCtBEbABinbCVVVVWNnqADI一般可以用基極摻雜的積分一般可以用基極摻雜的積分bWAdxxN0)(來代替來代替NABWb.這叫做這叫做Gummel積分積分(或數(shù)或數(shù)),是是BJT的很重要的一個參數(shù)的很重要的一個參數(shù),表示每表示每單位面積中性基極區(qū)所含雜質(zhì)原子數(shù)單位面積中性基極區(qū)所含雜質(zhì)原子數(shù).還應該認識到還應該認識到,在在VBC為正時為正時,空穴將注入到空穴將注入到N型集電極區(qū)型集電極區(qū),如圖如圖4-10的斷續(xù)線這的斷續(xù)線這將

22、基極電流將基極電流IB增加一個分量增加一個分量,相應地集電極電流會有一個小的變化相應地集電極電流會有一個小的變化,凈的結(jié)果使凈的結(jié)果使電流增益電流增益IC/IB有增加有增加(IC增加增加,IB減小減小),這個修正后的增益叫做受迫增益這個修正后的增益叫做受迫增益f. I-V特性特性: I-V特性測試實驗線路（共發(fā)射極）特性測試實驗線路（共發(fā)射極）: ICmA AVVVCEVBERBIBECEBI-V特性曲線分析特性曲線分析: 輸入特性輸入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8輸出特性輸出特性 IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A1

23、00 AIC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 AIC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A(1)放大區(qū)：放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 即： IC=IB , 且 IC = IB(2) 飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 即：即：UCE UBE ， IBIC，UCE 0.3V (3) 截止區(qū)：截止區(qū)： UBE 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓， IB=0 ， IC=ICEO 0 輸出特性三個區(qū)域的特點輸出特性三個區(qū)域的特點: BJT的反向電流包括的反向電流包括:ICBO,I

24、EBO,ICEO,其中下標其中下標O代表某一代表某一電極開路電極開路.例如例如ICBO就是指發(fā)射極開路時就是指發(fā)射極開路時,集電極和基極回路的集電極和基極回路的反向電流反向電流.對于對于ICBO,為了減低它為了減低它,從工藝設計角度應該考慮減從工藝設計角度應該考慮減小集電結(jié)面積小集電結(jié)面積,提高發(fā)射效率提高發(fā)射效率,降低集電極區(qū)少子的熱平衡濃降低集電極區(qū)少子的熱平衡濃度度,即增加該區(qū)的摻雜濃度即增加該區(qū)的摻雜濃度. ICBO主要來自于集電結(jié)耗盡區(qū)的主要來自于集電結(jié)耗盡區(qū)的產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流(都是產(chǎn)生電流）都是產(chǎn)生電流）. IEBO的主要成分是發(fā)射結(jié)耗盡層的產(chǎn)生電流的主要成分是發(fā)射結(jié)耗盡層的產(chǎn)生電

25、流. ICEO= IBEO+ICBO =(1+)ICBO,比正常工作的比正常工作的要小得多要小得多.但是也可以看出但是也可以看出,雖然在共發(fā)射極電路中有較大的電流增益雖然在共發(fā)射極電路中有較大的電流增益,但是反向電流也增加了但是反向電流也增加了,即增加了即增加了BJT的噪聲的噪聲,功耗變大功耗變大. 反向電流反向電流: : BECNNPICBOICEO= IBE+ICBO IBEO IBEOICBO進入進入N區(qū)，形成區(qū)，形成IBEO。根據(jù)放大關系，根據(jù)放大關系，由于由于IBEO的存在，的存在，必有電流必有電流 IBEO。集電結(jié)反集電結(jié)反偏有偏有ICBOICEO受溫度影響受溫度影響很大，當溫度上

26、很大，當溫度上升時，升時，ICEO增加增加很快，所以很快，所以IC也也相應增加。相應增加。三極三極管的溫度特性較管的溫度特性較差差。 當發(fā)射極開路時當發(fā)射極開路時, ,共基極共基極b-cb-c結(jié)結(jié)( (反偏反偏）的擊穿電壓）的擊穿電壓BVBVCBOCBO與第三章中講到的與第三章中講到的雪崩擊穿一樣雪崩擊穿一樣, ,因此可以用因此可以用3.413.41式得到式得到: : 這是設計這是設計BJTBJT的起始點的起始點, ,根據(jù)所需要的擊穿電壓選擇集電極摻雜水平根據(jù)所需要的擊穿電壓選擇集電極摻雜水平N Nepiepi和和厚度厚度W Wepiepi. . 還有一個擊穿電壓，當以共發(fā)射極方式工作時還有一

27、個擊穿電壓，當以共發(fā)射極方式工作時, ,最大電壓最大電壓V VCECE的的值叫做值叫做BVBVCEOCEO, ,是基極開路時共發(fā)射極電路中是基極開路時共發(fā)射極電路中c-ec-e結(jié)的擊穿電壓結(jié)的擊穿電壓, ,要限制它比要限制它比BVBVCBOCBO稍?。ㄒ驗樯孕。ㄒ驗閑 e區(qū)摻雜濃度高）區(qū)摻雜濃度高）. . ()CECBOIMII 兩個擊穿電壓兩個擊穿電壓: : )2/(2epibrCBOqNEBV通過基極和集電極空間電荷區(qū)的電流的雪崩倍增因子由通過基極和集電極空間電荷區(qū)的電流的雪崩倍增因子由3.403.40式給出式給出: : )/(1/1nCBOCBBVVM此時若外加電壓此時若外加電壓V VC

28、ECE使集電結(jié)發(fā)生使集電結(jié)發(fā)生雪崩雪崩擊穿擊穿, ,那么那么I ICBOCBO和和IIE E都要乘以都要乘以倍增倍增因因子子, ,根據(jù)發(fā)射極電流根據(jù)發(fā)射極電流I IE E得到現(xiàn)在的集電極電流為得到現(xiàn)在的集電極電流為: : 其中其中是共基極電流增益，是共基極電流增益， =IC/IE因為因為的典型值為的典型值為0.99,很明顯從很明顯從4.41式式,VCB要比要比BVCBO小很多小很多,剛剛倍增時倍增時M=1.01,集電極電流集電極電流IC就無限大就無限大.因此最大反向偏壓可以因此最大反向偏壓可以由由M=1 （ 4.41式乘以式乘以）來限制來限制,因此因此 1)/(1/nCBOCBbVV讓讓,VC

29、B=BVCEO（擊穿）（擊穿）得到得到:nCBOCEOBVBV/1)1 (nCBOCEOBVBV/1/對典型的值對典型的值=100,對硅對硅n=2-6,因此共發(fā)射極擊穿電壓因此共發(fā)射極擊穿電壓BVCEO比比共基極擊穿電壓共基極擊穿電壓BVCBO小得多小得多,十分之一十分之一. 當基極開路時當基極開路時,IB=0,IC=-IE,4.42式變?yōu)槭阶優(yōu)? /(1)CCBOIMIM 在小信號在小信號(信號電壓小于信號電壓小于Vt)時時BJT的等效電路如圖的等效電路如圖4-23,混合混合型電型電路模型，各個參數(shù)將陸續(xù)得到：路模型，各個參數(shù)將陸續(xù)得到：4.6.1小信號等效電路小信號等效電路(Small-s

30、ignal AC equivalent circuit)B rbb Vbe Cjc CE r Cje Cdiff gmVbe goutRLBJT的小信號等效電路的小信號等效電路,在輸入和輸出負載分別有一個電流源在輸入和輸出負載分別有一個電流源 低頻情形低頻情形: 從前面對基極電阻的討論從前面對基極電阻的討論,很清楚電路中在基極末端應該串聯(lián)很清楚電路中在基極末端應該串聯(lián)這個電阻這個電阻rbb.小信號跨導小信號跨導(定義為小信號輸出電流和輸入電壓之定義為小信號輸出電流和輸入電壓之比比ic/vbe,或根據(jù)增加的直流量或根據(jù)增加的直流量dIC/dVBE)可以直接從集電極電流得可以直接從集電極電流得到（

31、從到（從4.30式）式）:)/exp(tBECSCVVII)/exp()/(tBEtCSBECmVVVIdVdIg代入代入4,47式式,得得:tCmVIg/這是這是BJT很重要的一個特性很重要的一個特性.它告訴我們通過它告訴我們通過增加正向偏壓（增加正向偏壓（輸入電壓）輸入電壓）就可以得到大的跨導（就可以得到大的跨導（transconductivity)（大的輸大的輸出電流改變出電流改變）.這就是為什么這就是為什么BJT能夠驅(qū)動大的電容負載而且能夠驅(qū)動大的電容負載而且在數(shù)字電路中維持高速在數(shù)字電路中維持高速.Example: 如集電極電流為如集電極電流為IC=1mA,溫度為溫度為17,跨導跨導

32、gm=40mA/V. 小信號輸出電導是圖小信號輸出電導是圖4-22中中IC與與VCE曲線（輸出特性）的斜率曲線（輸出特性）的斜率:)/exp()/exp(2tBCtBEinbVVVVnqADK用上面用上面Early電壓的定義電壓的定義,上式可以寫為上式可以寫為:CECoutdVdIg)/(ACECoutVVIg從方程從方程4.30(I-V特性）特性）,可以寫出可以寫出:bCGKI/其中其中K是一個常數(shù)是一個常數(shù).那么那么4.50式就可以寫為式就可以寫為:CEbbCoutdVdGdGdIgGummel積分Gb=NABWb，b-c結(jié)耗盡層單位面積的電容可以寫為結(jié)耗盡層單位面積的電容可以寫為 (VB

33、E不變不變).對方程對方程4.52微分并結(jié)合微分并結(jié)合4.51,得到得到:CjcoutbI CgqGCBBjcdVdQC/,/BbBbCEBEBCbCBbCEQqG dQqdG VVVqdGdVqdGdV/jcbCEACqGVVExample: 集電極電流集電極電流IC=1mA,溫度為溫度為7,hfe=100,則則r=100/(110-3/0.025)=2.5k.小信號電阻小信號電阻r(圖圖4-23)定義為定義為IB-VBE特性曲線的斜率的倒數(shù)特性曲線的斜率的倒數(shù)（參看（參看4.48式）式）: femBECCBBEBhgdVdIdIdIdVdIr/1mfeghr/其中引入了交流電流增益（放大倍

34、數(shù)）其中引入了交流電流增益（放大倍數(shù)）/feCBhdIdI高頻情形高頻情形因為因為BJT有兩個結(jié)有兩個結(jié),每一個都有它的耗盡層每一個都有它的耗盡層,因此有因此有兩個耗盡兩個耗盡層電容層電容,如圖如圖4-23所示所示.e-b耗盡層電容耗盡層電容Cje在發(fā)射極和基極末端在發(fā)射極和基極末端之間之間.c-b耗盡層電容耗盡層電容Cjc在集電極和基極末端之間在集電極和基極末端之間.MJCbicBCjcjcMJEbieBEjejeVVCCVVCC)/1/()/1/(00其中其中Cje0,Cjc0是是0偏壓時的電容值偏壓時的電容值;Vbie,Vbic是是每個結(jié)的自建勢壘是是每個結(jié)的自建勢壘.對于對于e-b結(jié)結(jié)

35、MJE1/3,因為雜質(zhì)分布與深度的關系如圖因為雜質(zhì)分布與深度的關系如圖4-3,在正向偏壓下在正向偏壓下,大致可以大致可以看成線看成線性緩變結(jié)性緩變結(jié).MJC1/2,因為在正向偏壓下因為在正向偏壓下,集電極的摻雜是定值集電極的摻雜是定值,結(jié)大致可以看成結(jié)大致可以看成P+N突變突變結(jié)結(jié). 擴散電容與第三章中討論的窄基二極管相似擴散電容與第三章中討論的窄基二極管相似: BEnbdiffdVdQC 其中其中Qnb是分布在基區(qū)的電子電量是分布在基區(qū)的電子電量,上式可以寫為上式可以寫為:mCnbBECCnbdiffgIQdVdIdIdQC)/(bbEnbWnqAQ)0(21bbnECWnDqAI/ )0(

36、其中忽略了基極電阻其中忽略了基極電阻rbb上的電壓降上的電壓降.但是必須包含在全電路歐姆但是必須包含在全電路歐姆定理中定理中.象在第三章的窄基二極管象在第三章的窄基二極管,電子電荷與電子電流大致相等電子電荷與電子電流大致相等.比值是電荷與電流之比：比值是電荷與電流之比：bbmnbmdifftgDWgC)2/(2其中其中:nbbbDWt2/2叫做叫做基區(qū)渡越時間基區(qū)渡越時間,也就是電子擴散基區(qū)寬度也就是電子擴散基區(qū)寬度Wb的時間的時間.得：得： 這里忽略了這里忽略了c-b空間電荷層的自由電子電荷空間電荷層的自由電子電荷Qc。這。這個電荷等于個電荷等于ssclsclvwt2/總的正向延遲時間通常叫

37、做總的正向延遲時間通常叫做tf,它是它是tbb,tscl與少子電荷注入到發(fā)射與少子電荷注入到發(fā)射極的時間極的時間te之和之和,因此有因此有: sclcEwnqAssclCcsclvwIQt/fmdifftgC其中忽略了其中忽略了te,有有:sclbbfttt其中其中wscl是耗盡層厚度是耗盡層厚度.假設電子以飽和漂移速度假設電子以飽和漂移速度vs運動運動,響應的響應的延遲時間為延遲時間為:實際上更為嚴格的分析給出實際上更為嚴格的分析給出:從圖從圖4-23可以得到（可以得到（4.48式）式）: bemcvgi 其中其中Z是是r,Cdiff,Cje和和Cjc的的合成合成.Cjc的出現(xiàn)是因為正考慮的

38、出現(xiàn)是因為正考慮短路短路輸出輸出情況情況;所以所以Cjc的右邊是接地的的右邊是接地的,因此與因此與Cdiff,Cje平行平行.電流增電流增益因此為益因此為:)1/(/)(rCjrgZgiihtmmbcfe輸入電流為輸入電流為: : Zvibeb/diffjcjetCCCC把前面得到的把前面得到的femhgr/代入得代入得: :)1/()(rCjhhtfefe（三個并聯(lián)）（三個并聯(lián)）hfe()隨頻率變化的曲線如圖隨頻率變化的曲線如圖4-24所示所示,當頻率減小到當頻率減小到 hfe 的的時的頻率叫做截止頻率時的頻率叫做截止頻率,即：即： )2/(1rCftc超過這個頻率超過這個頻率,增益將快速下降增益將快速下降.下降趨勢與頻率軸的交點下降趨勢與頻率軸的交點,此時此時