半導(dǎo)體器件物理第三章

1、第三章第三章雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管第三章第三章雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管 發(fā)展歷史發(fā)展歷史: : 1947.12.231947.12.23日第一只點接觸晶體管誕生日第一只點接觸晶體管誕生- -Bell Lab.(BardeenBell Lab.(Bardeen、ShockleyShockley、Brattain)Brattain)19491949年提出年提出PNPN結(jié)和雙極結(jié)型晶體管理論結(jié)和雙極結(jié)型晶體管理論- -Bell Lab.(Shockley)Bell Lab.(Shockley)19511951年制造出第一只鍺結(jié)型晶體管年制造出第一只鍺結(jié)型晶體管- -Bell Lab.(Sh

2、ockley) Bell Lab.(Shockley) 1951956 6年制造出第一只硅結(jié)型晶體管年制造出第一只硅結(jié)型晶體管- -美得洲儀器公司（美得洲儀器公司（TITI） 19561956年年BardeenBardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain獲諾貝爾獎獲諾貝爾獎19561956年中國制造出第一只鍺結(jié)型晶體管年中國制造出第一只鍺結(jié)型晶體管- -（吉林大學(xué)（吉林大學(xué) 高鼎三）高鼎三）19701970年硅平面工藝成熟，雙極結(jié)型晶體管大批量生產(chǎn)年硅平面工藝成熟，雙極結(jié)型晶體管大批量生產(chǎn)3.13.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)晶體管的種類很多

3、，按使用的要求，一般分為晶體管的種類很多，按使用的要求，一般分為低頻管低頻管和和高高頻管頻管，小功率管小功率管和和大功率管大功率管，高反壓管高反壓管和和開關(guān)管開關(guān)管等等。等等。 但從基本結(jié)構(gòu)來看，它們都由兩個十分靠近的，分別但從基本結(jié)構(gòu)來看，它們都由兩個十分靠近的，分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的P-NP-N結(jié)組成。結(jié)組成。 兩個兩個P-NP-N結(jié)將晶體管劃分為三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和結(jié)將晶體管劃分為三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。由三個區(qū)引出的電極分別稱為發(fā)射極、基極和集集電區(qū)。由三個區(qū)引出的電極分別稱為發(fā)射極、基極和集電極，用符號電極，用符號E E、B B、C C（e e、b b、

4、c c）表示。）表示。 晶體管的基本形式可分為晶體管的基本形式可分為PNPPNP型和型和NPNNPN型兩種。型兩種。 3.13.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu) E E C C 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 基區(qū) N N p （a） C B 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) 基區(qū) p p N （c） B C （b） B E （d） B E 圖 3-2 （a）理想的一維NPN雙極結(jié)晶體管， （b）圖（a）的電路符號 （c）理想的一維PNP雙極結(jié)晶體管， （d）圖（c）的電路符號 合金管是早期發(fā)展起來的晶體管。其結(jié)構(gòu)是在合金管是早期發(fā)展起來的晶體管。其結(jié)構(gòu)是在N型型鍺片上，一邊放受主雜質(zhì)銦鎵球，另一邊放銦球，加熱鍺片上

5、，一邊放受主雜質(zhì)銦鎵球，另一邊放銦球，加熱形成液態(tài)合金后，再慢慢冷卻。冷卻時，鍺在銦中的溶形成液態(tài)合金后，再慢慢冷卻。冷卻時，鍺在銦中的溶解度降低，析出的鍺將在晶片上再結(jié)晶。再結(jié)晶區(qū)中含解度降低，析出的鍺將在晶片上再結(jié)晶。再結(jié)晶區(qū)中含大量的銦鎵而形成大量的銦鎵而形成P型半導(dǎo)體，從而形成型半導(dǎo)體，從而形成PNP結(jié)構(gòu)，如結(jié)構(gòu)，如圖所示。圖中圖所示。圖中Wb為基區(qū)寬度，為基區(qū)寬度，Xje和和Xjc分別為發(fā)射結(jié)和分別為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的結(jié)深。集電結(jié)的結(jié)深。 合金結(jié)的雜質(zhì)分布特點是：三個區(qū)的雜質(zhì)分布近似合金結(jié)的雜質(zhì)分布特點是：三個區(qū)的雜質(zhì)分布近似為均勻分布，基區(qū)的雜質(zhì)濃度最低，且兩個為均勻分布，基區(qū)的雜質(zhì)

6、濃度最低，且兩個P-N結(jié)都是結(jié)都是突變結(jié)。突變結(jié)。 合金結(jié)的主要缺點是基區(qū)較寬，一般只能做到合金結(jié)的主要缺點是基區(qū)較寬，一般只能做到10微微米左右。因此頻率特性較差，只能用于低頻區(qū)。米左右。因此頻率特性較差，只能用于低頻區(qū)。 平面晶體管的發(fā)平面晶體管的發(fā)射區(qū)和基區(qū)是用雜質(zhì)射區(qū)和基區(qū)是用雜質(zhì)擴(kuò)散的方法制造得到擴(kuò)散的方法制造得到的，所以在平面管的的，所以在平面管的三層結(jié)構(gòu)即三個區(qū)域三層結(jié)構(gòu)即三個區(qū)域的雜質(zhì)分布是不均勻的雜質(zhì)分布是不均勻的。的。 其雜質(zhì)分布可根其雜質(zhì)分布可根據(jù)擴(kuò)散工藝推算出來，據(jù)擴(kuò)散工藝推算出來，如圖所示。如圖所示。3.13.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)芯片是通過以下步

7、驟制造出來的芯片是通過以下步驟制造出來的1)襯底制備襯底制備 襯底為低阻襯底為低阻N型硅，電阻率在型硅，電阻率在 左右，沿（左右，沿（111）面切成厚約）面切成厚約 的圓片，研磨拋光到表面光亮如鏡。的圓片，研磨拋光到表面光亮如鏡。2)外延外延 外延層為外延層為N N型，按電參數(shù)要求確定其電阻率及厚度。型，按電參數(shù)要求確定其電阻率及厚度。 3)一次氧化一次氧化 高溫生長的氧化層用來阻擋硼、磷等雜質(zhì)向硅中擴(kuò)散，同時也起表面鈍高溫生長的氧化層用來阻擋硼、磷等雜質(zhì)向硅中擴(kuò)散，同時也起表面鈍化作用。化作用。4)光刻硼擴(kuò)散窗口光刻硼擴(kuò)散窗口 cm001. 0m4003.13.1雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)雙極結(jié)型

8、晶體管的結(jié)構(gòu)5)硼擴(kuò)散和二次氧化硼擴(kuò)散和二次氧化 硼擴(kuò)散后在外延層上形成硼擴(kuò)散后在外延層上形成P型區(qū)，熱生長的氧化層用來阻擋磷向硅中型區(qū)，熱生長的氧化層用來阻擋磷向硅中擴(kuò)散，并起鈍化作用。擴(kuò)散，并起鈍化作用。6)光刻磷擴(kuò)散窗口光刻磷擴(kuò)散窗口 7)磷擴(kuò)散和三次氧化磷擴(kuò)散和三次氧化 磷擴(kuò)散后在磷擴(kuò)散后在P P型區(qū)磷雜質(zhì)補償硼而形成型區(qū)磷雜質(zhì)補償硼而形成N N+ +區(qū)，熱氧化層用作金屬與硅區(qū)，熱氧化層用作金屬與硅片間電絕緣介質(zhì)。片間電絕緣介質(zhì)。 8)光刻發(fā)射極和基極接觸孔光刻發(fā)射極和基極接觸孔9)蒸發(fā)鋁蒸發(fā)鋁 10) 在鋁上光刻出電極圖形在鋁上光刻出電極圖形 晶體管的基區(qū)雜質(zhì)分布有兩種形式：晶體管的

9、基區(qū)雜質(zhì)分布有兩種形式：均勻分布（如合金管），稱為均勻基區(qū)晶體管。均均勻分布（如合金管），稱為均勻基區(qū)晶體管。均勻基區(qū)晶體管中，載流子在基區(qū)內(nèi)的傳輸主要靠擴(kuò)散勻基區(qū)晶體管中，載流子在基區(qū)內(nèi)的傳輸主要靠擴(kuò)散進(jìn)行，故又稱為擴(kuò)散型晶體管。進(jìn)行，故又稱為擴(kuò)散型晶體管?；鶇^(qū)雜質(zhì)是緩變的（如平面管），稱為緩變基區(qū)晶基區(qū)雜質(zhì)是緩變的（如平面管），稱為緩變基區(qū)晶體管。這類晶體管的基區(qū)存在自建電場，載流子在基體管。這類晶體管的基區(qū)存在自建電場，載流子在基區(qū)內(nèi)除了擴(kuò)散運動外，還存在漂移運動，而且往往以區(qū)內(nèi)除了擴(kuò)散運動外，還存在漂移運動，而且往往以漂移運動為主。所以又稱為漂移型晶體管。漂移運動為主。所以又稱為漂移型

10、晶體管。3.3.2 2基本工作原理基本工作原理3.3.2 2基本工作原理基本工作原理 雙極晶體管有四種工作模式，相應(yīng)地稱為四個工作區(qū)。令，雙極晶體管有四種工作模式，相應(yīng)地稱為四個工作區(qū)。令， ， 分別為基極分別為基極對發(fā)射極和基對發(fā)射極和基 極對集電極的電壓。則四種工作模式是：極對集電極的電壓。則四種工作模式是： EBBEEVVVVCBBCCVVVV（1 1） 正向有源模式：正向有源模式： 0 0， 0 0；（2 2） 反向有源模式：反向有源模式： 0 0， 0 0；（3 3） 飽和模式：飽和模式： 0 0， 0 0；（4 4） 截止模式：截止模式： 0 0， 0 0。EVCVEVEVEVCV

11、CVCV工作模式和少子分布工作模式和少子分布(1)(1)正向有源工作模式：正向有源工作模式： 0， 0 基區(qū)少子滿足的邊界條件為 ，(2)(2)反向有源工作模式：反向有源工作模式： 0 相應(yīng)的邊界條件為: ,(3)(3)飽和工作模式：飽和工作模式： 0 0， 0 0 相應(yīng)的邊界條件為: ,(4) 截止工作模式截止工作模式: 0 0， 0 0 相應(yīng)的邊界條件為: 前面指出，雙極晶體管有四種工作模式，取決于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置狀況。EVCV TEVVppenn00 0BpxnEVCV 00 pnTCVVpBpenxn0EVCV TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0EVCV 00Bppx

12、nnNPN晶體管作為放大應(yīng)用時，少數(shù)載流子濃度分布示意圖晶體管作為放大應(yīng)用時，少數(shù)載流子濃度分布示意圖 發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)將向基區(qū)注入非平衡少子。，發(fā)射區(qū)將向基區(qū)注入非平衡少子。注入的少子在基區(qū)邊界積累，并向基區(qū)體內(nèi)擴(kuò)散。邊注入的少子在基區(qū)邊界積累，并向基區(qū)體內(nèi)擴(kuò)散。邊擴(kuò)散，邊復(fù)合，最后形成一穩(wěn)定分布，記作擴(kuò)散，邊復(fù)合，最后形成一穩(wěn)定分布，記作nB(x)。同。同樣，基區(qū)也向發(fā)射區(qū)注入空穴，并形成一定的分布，樣，基區(qū)也向發(fā)射區(qū)注入空穴，并形成一定的分布，記作記作pE(x)。 集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏，集電結(jié)勢壘區(qū)對載流子起抽取作用。，集電結(jié)勢壘區(qū)對載流子起抽取作用。當(dāng)反向偏壓足夠高時，在基

13、區(qū)一邊，凡是能夠擴(kuò)散到當(dāng)反向偏壓足夠高時，在基區(qū)一邊，凡是能夠擴(kuò)散到集電結(jié)勢壘區(qū)集電結(jié)勢壘區(qū)XmC的電子，都被勢壘區(qū)電場拉向集電的電子，都被勢壘區(qū)電場拉向集電區(qū)。因此，勢壘區(qū)邊界區(qū)。因此，勢壘區(qū)邊界X3處少子濃度下降為零；同樣，處少子濃度下降為零；同樣，在集電區(qū)一邊，凡是能夠擴(kuò)散到在集電區(qū)一邊，凡是能夠擴(kuò)散到XmC的空穴，也被電的空穴，也被電場拉向基區(qū)，在場拉向基區(qū)，在X4處少子濃度也下降為零，其少子濃處少子濃度也下降為零，其少子濃度分布為度分布為pC(x)。3.43.4愛拜耳斯愛拜耳斯- -莫爾方程莫爾方程四種工作模式及相應(yīng)的少子分布四種工作模式及相應(yīng)的少子分布 此外此外， 0EEEpxpT

14、EVVEEEePWP0 0CCpp0正向有源飽 和截 止反向有源圖圖3-14 晶體管四種不同工作模式對應(yīng)的少數(shù)載流子分布晶體管四種不同工作模式對應(yīng)的少數(shù)載流子分布/()0CTVVCCCP xP e3.23.2基本工作原理基本工作原理 共基極連接晶體管的放大作用共基極連接晶體管的放大作用 晶體管共基極放大電路圖3 - 6 （ a）NPN 3.23.2基本工作原理基本工作原理 共基極連接晶體管的放大作用共基極連接晶體管的放大作用 BEqV BCqV E B C （b） 圖圖3-6 3-6 （b b）NPNNPN晶體管共基極能帶圖晶體管共基極能帶圖 當(dāng)晶體管作為放大運用時當(dāng)晶體管作為放大運用時發(fā)射結(jié)

15、加正向偏壓發(fā)射結(jié)加正向偏壓VE集電結(jié)加反向偏壓集電結(jié)加反向偏壓VC3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流分量電流分量 3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流分量電流分量 是從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子流。是從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)中的電子流。是到達(dá)集電結(jié)的電子流。是到達(dá)集電結(jié)的電子流。 是基區(qū)注入電子通過基區(qū)時復(fù)合所引起的復(fù)合電流是基區(qū)注入電子通過基區(qū)時復(fù)合所引起的復(fù)合電流是從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流是從基區(qū)注入到發(fā)射區(qū)的空穴電流是發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流。是發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流。是集電結(jié)反向電流，它包括集電結(jié)反向飽和電流和集電結(jié)空間電荷區(qū)是集電結(jié)反向電流，它包括集電結(jié)反向飽和電

16、流和集電結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流。 nEInCInCnEIIpEIrgI0CI3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流分量電流分量 rgpEnEEIIII0CnCnErgpEBIIIIII0CnCCIII0BCEIII（3-1） （3-2） （3-3） （3-4） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流增益 為描述晶體管的增益特性引進(jìn)以下物理量 發(fā)射極注射效率 （3-5） （3-7） 基區(qū)輸運因子 共基極直流電流增益 nEnEEnEpErgIIrIIIITnCTnEIIEccIII0（3-6） 3.23.2基本工作原理基本工作原理 電流增益 顯然 （3-8） （3-10） 利用（3-

17、3）式，（3-7）式可以改寫成 考慮到集電結(jié)正反兩種偏壓條件 的完全表達(dá)式為 TrgpEnEnCIIII0CECIII（3-9） CI01CTVVCECIIIe 減小基區(qū)體內(nèi)復(fù)合電流是提高減小基區(qū)體內(nèi)復(fù)合電流是提高 T T的有效途徑，主要措的有效途徑，主要措施是減薄基區(qū)寬度施是減薄基區(qū)寬度WWB B，使基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子在基區(qū)，使基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子在基區(qū)的擴(kuò)散長度的擴(kuò)散長度L LnBnB，即，即WWB B遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于L LnBnB。 所以，在晶體管生產(chǎn)中，必須嚴(yán)格控制基區(qū)寬度，所以，在晶體管生產(chǎn)中，必須嚴(yán)格控制基區(qū)寬度，從而得到合適的電流放大系數(shù)。若基區(qū)太寬，甚至比從而得到合適的電流放大系數(shù)。

18、若基區(qū)太寬，甚至比基區(qū)少子擴(kuò)散長度大得多，則晶體管相當(dāng)于兩個背靠基區(qū)少子擴(kuò)散長度大得多，則晶體管相當(dāng)于兩個背靠背的二極管。發(fā)射結(jié)相當(dāng)于一只正向偏壓二極管，集背的二極管。發(fā)射結(jié)相當(dāng)于一只正向偏壓二極管，集電結(jié)相當(dāng)于一只反向偏壓二極管，互不相干。這樣，電結(jié)相當(dāng)于一只反向偏壓二極管，互不相干。這樣，晶體管就失去放大電流、電壓的能力。晶體管就失去放大電流、電壓的能力。 3.23.2基本工作原理基本工作原理 式中定義式中定義 共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法 0CBCCIIII0011CEBFECBCIIhIII1FEh100CCEII晶體管的放大作用晶體管的放大作用 晶體管在共射極運用時，晶體管在共射極運用時

19、，IC=hFEIB。由于。由于h hFEFE遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于1，輸入端電流，輸入端電流IB的微小變化，將引的微小變化，將引起輸出端電流起輸出端電流IC較大的變化，因此具有放大電較大的變化，因此具有放大電流的能力。流的能力。 在共基極運用時，在共基極運用時，IC=IE。由于。由于接近于接近于1，當(dāng)輸入端電流當(dāng)輸入端電流IE變化變化IE時，引起輸出端電流時，引起輸出端電流IC的變化量的變化量IC小于等于小于等于IE。所以起不到電。所以起不到電流放大作用。但是可以進(jìn)行電壓和功率的放大。流放大作用。但是可以進(jìn)行電壓和功率的放大。晶體管具有放大能力，必須具有下面條件晶體管具有放大能力，必須具有下面條件 （1

20、）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度比基區(qū)雜質(zhì)濃度高得多，）發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度比基區(qū)雜質(zhì)濃度高得多， 即即NE遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于NB，以保證發(fā)射效率，以保證發(fā)射效率1；（2）基區(qū)寬度）基區(qū)寬度WB遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于LnB， 保證基區(qū)輸運系數(shù)保證基區(qū)輸運系數(shù)T1；（3）發(fā)射結(jié)必須正偏，使）發(fā)射結(jié)必須正偏，使re很?。缓苄?； 集電結(jié)反偏，使集電結(jié)反偏，使rc很大，很大，rc遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于re。晶體管的特性曲線晶體管的特性曲線 晶體管的特性曲線形象地表示出晶體管晶體管的特性曲線形象地表示出晶體管各電極電流與電壓間的關(guān)系，反映晶體管內(nèi)各電極電流與電壓間的關(guān)系，反映晶體管內(nèi)部所發(fā)生的物理過程，以及晶體管各直流參部所發(fā)生的物理過程，以及晶體管

21、各直流參數(shù)的優(yōu)劣。數(shù)的優(yōu)劣。 所以，在生產(chǎn)過程中常用特性曲線來判所以，在生產(chǎn)過程中常用特性曲線來判斷晶體管的質(zhì)量好壞。斷晶體管的質(zhì)量好壞。 晶體管的接法不同，其特性曲線也各不晶體管的接法不同，其特性曲線也各不相同。相同。共基極輸入特性曲線共基極輸入特性曲線 輸出電壓輸出電壓VCB一一定時，輸入電流與定時，輸入電流與輸入電壓的關(guān)系曲輸入電壓的關(guān)系曲線，即線，即IEVBE關(guān)系關(guān)系曲線曲線 由于發(fā)射結(jié)正向偏置，所以，由于發(fā)射結(jié)正向偏置，所以，IEVBE輸入特性輸入特性實際上就是正向?qū)嶋H上就是正向P-N結(jié)的特性，因而結(jié)的特性，因而IE隨隨VBE指數(shù)增大。指數(shù)增大。 但它與單獨但它與單獨P-N結(jié)間存在差

22、別，這是由于集電結(jié)結(jié)間存在差別，這是由于集電結(jié)反向偏置反向偏置VCB影響的結(jié)果。若影響的結(jié)果。若VCB增大，則集電結(jié)的增大，則集電結(jié)的勢壘變寬，勢壘區(qū)向基區(qū)擴(kuò)展，這樣就使有效基區(qū)寬勢壘變寬，勢壘區(qū)向基區(qū)擴(kuò)展，這樣就使有效基區(qū)寬度隨度隨VCB增加而減?。ㄟ@種現(xiàn)象稱為基區(qū)寬變效應(yīng)）。增加而減小（這種現(xiàn)象稱為基區(qū)寬變效應(yīng)）。由于由于WB減小，使少子在基區(qū)的濃度梯度增加，從而減小，使少子在基區(qū)的濃度梯度增加，從而引起發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流引起發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入的電子電流InE增加，因而發(fā)增加，因而發(fā)射極電流射極電流IE就增大。就增大。 所以，所以，輸入特性曲線隨輸入特性曲線隨VCB增大而左移增大而左

23、移。共射極輸入特性曲線共射極輸入特性曲線 在輸出電壓在輸出電壓VCE一定時，輸一定時，輸入端電流入端電流IB與輸與輸入端電壓入端電壓VBE的的關(guān)系曲線，即關(guān)系曲線，即IBVBE曲線。曲線。 由于發(fā)射結(jié)正偏，如將輸出端短路，由于發(fā)射結(jié)正偏，如將輸出端短路，VCE=0時，就相當(dāng)于將發(fā)射結(jié)與集電結(jié)兩個正向時，就相當(dāng)于將發(fā)射結(jié)與集電結(jié)兩個正向P-N結(jié)結(jié)并聯(lián)。并聯(lián)。 所以，輸入特性曲線與正向所以，輸入特性曲線與正向P-N結(jié)伏安特性結(jié)伏安特性相似。相似。 當(dāng)集電結(jié)處于反偏時，由于基區(qū)寬度減小，當(dāng)集電結(jié)處于反偏時，由于基區(qū)寬度減小，基區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合損失減少，基區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合損失減少，IB也就減少。所也就

24、減少。所以，特性曲線隨以，特性曲線隨VCE的增加而右移。的增加而右移。 而且，當(dāng)而且，當(dāng)VBE=0時，時，IpE和和IVR都等于零，故都等于零，故IB=-ICBO。因而在。因而在VBE=0處，特性曲線下移至處，特性曲線下移至ICBO。共基極輸出特性曲線共基極輸出特性曲線輸出端電流隨輸出端電流隨輸出電壓變化輸出電壓變化的關(guān)系曲線，的關(guān)系曲線，即即ICVCB關(guān)系關(guān)系曲線。曲線。 當(dāng)當(dāng)IE =0，即發(fā)射結(jié)不發(fā)射載流子時，輸出電流，即發(fā)射結(jié)不發(fā)射載流子時，輸出電流IC=ICBO，這時的輸出特性就是集電結(jié)的反向特性，這時的輸出特性就是集電結(jié)的反向特性，即圖中最靠近水平坐標(biāo)而且基本上平行于坐標(biāo)軸的即圖中最

25、靠近水平坐標(biāo)而且基本上平行于坐標(biāo)軸的曲線。曲線。 當(dāng)當(dāng)IE0時，隨著時，隨著IE的增加，的增加，IC按按IE的規(guī)律增大。的規(guī)律增大。若若IE取不同的數(shù)值，就得到一組基本上互相平行的取不同的數(shù)值，就得到一組基本上互相平行的ICVCB關(guān)系曲線，這就是共基極輸出特性曲線。關(guān)系曲線，這就是共基極輸出特性曲線。共射極輸出特性曲線共射極輸出特性曲線ICVCE關(guān)系曲線關(guān)系曲線 當(dāng)當(dāng)IB=0（基極開路）時，（基極開路）時，IC=ICEO。這是因為共射。這是因為共射極電路的輸出電壓為極電路的輸出電壓為VCE，這個電壓雖然主要降落在，這個電壓雖然主要降落在集電結(jié)上，使集電結(jié)反偏，但也有一小部分電壓降落集電結(jié)上，使

26、集電結(jié)反偏，但也有一小部分電壓降落在發(fā)射結(jié)上，使發(fā)射結(jié)正偏。因此共射極電路中，當(dāng)在發(fā)射結(jié)上，使發(fā)射結(jié)正偏。因此共射極電路中，當(dāng)IB=0時，時，IE并不為零，這部分發(fā)射極電流輸運到集電并不為零，這部分發(fā)射極電流輸運到集電極上，使輸出電流極上，使輸出電流ICE0比比ICB0大，這就是圖中下面的第大，這就是圖中下面的第一條曲線。一條曲線。 當(dāng)當(dāng)IB0時，隨著時，隨著IB的增加，的增加，IC就按就按IB的規(guī)律增加。的規(guī)律增加。IB取不同的數(shù)值，取不同的數(shù)值，IBVCE關(guān)系就得到一組曲線。關(guān)系就得到一組曲線。3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸流傳輸3.33.3理想雙極結(jié)型

27、晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸3.3.13.3.1電流傳輸電流傳輸 理想晶體管的主要假設(shè)及其意義：理想晶體管的主要假設(shè)及其意義： （1）各區(qū)雜質(zhì)都是均勻分布的，因此中性區(qū)不存在內(nèi)建電場；）各區(qū)雜質(zhì)都是均勻分布的，因此中性區(qū)不存在內(nèi)建電場；（2）結(jié)是理想的平面結(jié)，載流子作一維運動；）結(jié)是理想的平面結(jié)，載流子作一維運動；（3）橫向尺寸遠(yuǎn)大于基區(qū)寬度，并且不考慮邊緣效應(yīng)，所以載流）橫向尺寸遠(yuǎn)大于基區(qū)寬度，并且不考慮邊緣效應(yīng)，所以載流 子運動是一維的；子運動是一維的；（4）基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度；）基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度；（5）中性區(qū)的電導(dǎo)率足夠高，串聯(lián)電阻可以忽略，偏壓加在

28、結(jié)空間電荷區(qū)上；）中性區(qū)的電導(dǎo)率足夠高，串聯(lián)電阻可以忽略，偏壓加在結(jié)空間電荷區(qū)上；（6）發(fā)射結(jié)面積和集電結(jié)面積相等；）發(fā)射結(jié)面積和集電結(jié)面積相等；（7）小注入，等等）小注入，等等 晶體管中載流子濃度分布及傳輸晶體管中載流子濃度分布及傳輸 設(shè)發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的雜質(zhì)皆為均勻分布，設(shè)發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的雜質(zhì)皆為均勻分布，分別用分別用NE、NB、NC表示，且表示，且NE遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于 NB大于大于NC。3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸3.3.13.3.1電流傳輸電流傳輸 adNN x EW 0 Bx Cx 圖 3-10 各區(qū)均勻摻雜NPN晶體管的雜質(zhì)分布 E

29、x 圖圖3-103-10是理想雙極結(jié)型晶體管雜質(zhì)分布和耗盡區(qū)示意圖以及所采用的坐標(biāo)。是理想雙極結(jié)型晶體管雜質(zhì)分布和耗盡區(qū)示意圖以及所采用的坐標(biāo)。3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸一、電流傳輸一、電流傳輸 中性基區(qū)（中性基區(qū)（0 0 ）少子電子分布及其電流）少子電子分布及其電流： 邊界條件為：邊界條件為： xBx0022npppnnndxndD TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0 nBnBVVpppLxLxxennxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh10（3-16） （3-17） （3-18） 3.33.3

30、理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸電子電流電子電流 （3-16） （3-19） （3-20） 0 xpnnEdxxdnqADI1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI）（ BxxpnnCdxxdnqADI0111sinh()CTETnpVVVVBBnnnD nxqAecthexLLL 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸二、發(fā)射區(qū)少子空穴分布及其電流：二、發(fā)射區(qū)少子空穴分布及其電流： 邊邊界條條件： （3-21） （3-23a） TEVVEEEepWp00EEEpxp pEEEpEEVVEEE

31、LWxLxxeppxpTEsinhsinh1003.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸 若若 ，（，（3-233-23a a）式可以寫作：式可以寫作： （3-23b） （3-24） ExpEL EVVEEExxeppxpTE1100空穴電流為：空穴電流為：12TEVVEdEipEexNnqAD 0011ETEVVEEEEEWxpxppexW1ETEOVVpEEpEEPIWqADex 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸三、集電區(qū)少子空穴分布及其電流、集電區(qū)少子空穴分布及其電流 邊邊界條條件： （3-23） （3-26） TC

32、VVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp100 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/1CpcCTx xLVVipCdCpCnqADeeNL（3-25） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式一、少數(shù)載流子分布一、少數(shù)載流子分布 在在 的情的情況況下，（下，（3-273-27a a）式式簡簡化化 nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinhsinhsinh1000（3-27a） nBLx BVVppxxenxnTE10（3-2

33、7b） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式圖圖3-11 3-11 正向有源模式下晶體管各區(qū)少數(shù)載流子分布正向有源模式下晶體管各區(qū)少數(shù)載流子分布 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸二、電流分量二、電流分量 基區(qū)電子電流基區(qū)電子電流： （3-28） 10TEVVnBnpnnEeLxcthLnqADI1csc0TEVVnBnpnnCeLxhLnqADI（3-29） nBTLxhsec若若 BxnL12TEVVBainnEexNnqADI22211nBTLx（3-30） （3-31）

34、 （3-32） 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸空穴電流空穴電流 （3-24） （3-33） 正偏壓發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流：正偏壓發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流： （3-34） 12TEVVEdEipEpEexNnqADI20CipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL /202ETVViErgqAnWIe 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸（3-35） （3-36） rgnCnEpEBIIIIITEVVBeI2220(1)22ETETVVVVnBPEEidEEaniD xDWqAneeNxN Ln 3.33.3

35、理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸晶體管的輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線 圖圖3-12 3-12 NPN NPN 晶體管的靜態(tài)電流晶體管的靜態(tài)電流電壓特性電壓特性 3.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸三、共發(fā)發(fā)射極電極電流增益 CBFEIIh1CrgCnCnECpEFEIIIIIIIh1（3-37） TEVVinEBanBnEdEpEBaFEenDWxNLxDxNDxNh20221223.33.3理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸理想雙極結(jié)型晶體管中的電流傳輸四、共發(fā)發(fā)射極電極電流增益與與工作電電流的關(guān)關(guān)系 圖3-13 電流增益對集電

36、結(jié)電流的依賴關(guān)系 10-9 10-1 10-7 10-5 10-3 102 101 100 10-1 hFE AIC 3.113.11擊穿電壓擊穿電壓功率晶體管的二次擊穿和安全工作區(qū)功率晶體管的二次擊穿和安全工作區(qū) 二次擊穿是功率晶體管早期失效二次擊穿是功率晶體管早期失效或損壞的重要原因，它已成為影響功或損壞的重要原因，它已成為影響功率晶體管安全可靠使用的重要因素。率晶體管安全可靠使用的重要因素。 自從自從1957年發(fā)現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象以年發(fā)現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象以來，二次擊穿一直受到極大的重視。來，二次擊穿一直受到極大的重視。晶體管二次擊穿的實驗曲線晶體管二次擊穿的實驗曲線 擊穿曲線上可用擊穿曲線上可用

37、A、B、C、D四點將其分為四四點將其分為四個區(qū)域。個區(qū)域。 當(dāng)電壓當(dāng)電壓VCE增加到集電結(jié)的雪崩擊穿電壓時，增加到集電結(jié)的雪崩擊穿電壓時，首先在首先在A點發(fā)生雪崩擊穿；點發(fā)生雪崩擊穿； 雪崩擊穿后，集電極電流雪崩擊穿后，集電極電流IC隨電壓增加很快隨電壓增加很快上升。當(dāng)電流增加到上升。當(dāng)電流增加到B點，并在點，并在B點經(jīng)過短暫的點經(jīng)過短暫的停留后，晶體管將由高壓狀態(tài)躍變到低壓大電停留后，晶體管將由高壓狀態(tài)躍變到低壓大電流流C點，若電路無限流措施，電流將繼續(xù)增加，點，若電路無限流措施，電流將繼續(xù)增加，進(jìn)入低壓大電流區(qū)域進(jìn)入低壓大電流區(qū)域CD段，直至最后燒毀。段，直至最后燒毀。二次擊穿二次擊穿 器

38、件承受的電壓突然降低，電流繼器件承受的電壓突然降低，電流繼續(xù)增大，器件由高壓小電流狀態(tài)突然躍入續(xù)增大，器件由高壓小電流狀態(tài)突然躍入低壓大電流狀態(tài)的一種現(xiàn)象。低壓大電流狀態(tài)的一種現(xiàn)象。 二次擊穿對晶體管具有一定的毀壞作用。二次擊穿對晶體管具有一定的毀壞作用。 在二次擊穿狀態(tài)下停留一定時間后，會使器在二次擊穿狀態(tài)下停留一定時間后，會使器件特性惡化或失效。件特性惡化或失效。 若外加限流電阻，并適當(dāng)減小使用功率，對若外加限流電阻，并適當(dāng)減小使用功率，對于二次擊穿耐量高的晶體管，可以得到可逆的二于二次擊穿耐量高的晶體管，可以得到可逆的二次擊穿特性，利用此特性可以制成二次擊穿振蕩次擊穿特性，利用此特性可以

39、制成二次擊穿振蕩器。器。 二次擊穿耐量低的晶體管，經(jīng)多次二次擊穿二次擊穿耐量低的晶體管，經(jīng)多次二次擊穿后必然失效。后必然失效。二次擊穿的機理二次擊穿的機理熱型（熱不穩(wěn)定型）熱型（熱不穩(wěn)定型）：二次擊穿是局部溫度升高：二次擊穿是局部溫度升高和電流集中往復(fù)循環(huán)的結(jié)果。和電流集中往復(fù)循環(huán)的結(jié)果。 而循環(huán)和溫度升高都需要一定的時間，因此熱而循環(huán)和溫度升高都需要一定的時間，因此熱型二次擊穿的觸發(fā)時間較長。（慢速型）型二次擊穿的觸發(fā)時間較長。（慢速型） 電流型（雪崩注入型）電流型（雪崩注入型）：由雪崩注入引起：由雪崩注入引起 雪崩擊穿即刻發(fā)生，所以此種擊穿的特點是器雪崩擊穿即刻發(fā)生，所以此種擊穿的特點是器

40、件由高壓小電流狀態(tài)向低壓大電流狀態(tài)過渡十分件由高壓小電流狀態(tài)向低壓大電流狀態(tài)過渡十分迅速，所需延遲時間很短，因此電流型二次擊穿迅速，所需延遲時間很短，因此電流型二次擊穿是快速型的二次擊穿。是快速型的二次擊穿。晶體管的安全工作區(qū)（晶體管的安全工作區(qū)（SOA） 晶體管能安全可靠地工作，并具有較長晶體管能安全可靠地工作，并具有較長壽命的工作范圍。壽命的工作范圍。 由最大集電極電流由最大集電極電流ICM，極限電壓，極限電壓BVCE0，最大功耗線和二次擊穿臨界線最大功耗線和二次擊穿臨界線PsB所限定的所限定的區(qū)域。區(qū)域。功率晶體管直流安全工作區(qū)功率晶體管直流安全工作區(qū) 最大功耗線（圖中實線）最大功耗線（

41、圖中實線） 由最大耗散功率由最大耗散功率PCm、熱阻、最高結(jié)溫和環(huán)境、熱阻、最高結(jié)溫和環(huán)境溫度決定。溫度決定。 功耗線右邊（功耗線右邊（區(qū)）為功率耗散過荷區(qū)。功區(qū)）為功率耗散過荷區(qū)。功率過大，將產(chǎn)生大量熱量，造成引線熔斷和鎳率過大，將產(chǎn)生大量熱量，造成引線熔斷和鎳鉻電阻燒毀等。鉻電阻燒毀等。 二次擊穿臨界線（圖中虛線）二次擊穿臨界線（圖中虛線） 由實驗測定，它隨改善二次擊穿特性措施的由實驗測定，它隨改善二次擊穿特性措施的實施而逐漸靠近最大功耗線。實施而逐漸靠近最大功耗線。 區(qū)域區(qū)域為熱型二次擊穿區(qū)。工作在此區(qū)內(nèi)，為熱型二次擊穿區(qū)。工作在此區(qū)內(nèi)，晶體管將產(chǎn)生過熱點，最終導(dǎo)致材料局部熔化，晶體管將

42、產(chǎn)生過熱點，最終導(dǎo)致材料局部熔化，結(jié)間產(chǎn)生熔融孔而永久失效。結(jié)間產(chǎn)生熔融孔而永久失效。 區(qū)為雪崩注入二次擊穿區(qū)，若外電路無限流措施，同樣會造成晶體管永久失效。 區(qū)為雪崩擊穿區(qū)。在、兩區(qū)內(nèi)，若采取限流措施，均不會造成晶體管永久失效， 區(qū)為電流過荷區(qū)，電流過荷區(qū)將會使、特征頻率等參數(shù)嚴(yán)重下降，晶體管性能惡化。 晶體管的安全工作區(qū)晶體管的安全工作區(qū)（圖中陰影部分）（圖中陰影部分） 安全工作區(qū)的大小與電路工作狀態(tài)安全工作區(qū)的大小與電路工作狀態(tài)有關(guān)。有關(guān)。 從設(shè)計和制造的角度考慮，盡量擴(kuò)從設(shè)計和制造的角度考慮，盡量擴(kuò)大晶體管的安全工作區(qū)仍是高頻功率大晶體管的安全工作區(qū)仍是高頻功率管的重要任務(wù)。管的重要任

43、務(wù)。 如何擴(kuò)大安全工作區(qū)如何擴(kuò)大安全工作區(qū) 首先，努力做到使安全工作區(qū)由最大集電極首先，努力做到使安全工作區(qū)由最大集電極電流電流ICM，最高集電極電壓，最高集電極電壓BVCE0和最大功耗線和最大功耗線所限定。所限定。 （改善器件的二次擊穿特性，將二次擊穿臨（改善器件的二次擊穿特性，將二次擊穿臨界線移到最大功耗線之外，至少也要移到最大界線移到最大功耗線之外，至少也要移到最大功耗線上。）功耗線上。） 其次，通過選擇合適的材料和正確的設(shè)計。其次，通過選擇合適的材料和正確的設(shè)計。 （提高器件的耐壓；增大器件的最大電流；（提高器件的耐壓；增大器件的最大電流；降低熱阻，提高晶體管的耗散功率）降低熱阻，提高

44、晶體管的耗散功率） 晶體管中最高電壓的根本限制與在晶體管中最高電壓的根本限制與在P-N結(jié)二極管中的相同，即雪崩擊穿結(jié)二極管中的相同，即雪崩擊穿或齊納擊穿。但是，擊穿電壓不僅依賴于所涉及的或齊納擊穿。但是，擊穿電壓不僅依賴于所涉及的P-N結(jié)的性質(zhì)，它還依賴結(jié)的性質(zhì)，它還依賴于外部的電路結(jié)構(gòu)。于外部的電路結(jié)構(gòu)。一、共基極連接一、共基極連接 在發(fā)射極開路的情況下，晶體管集電極和基極兩端之間容許的最高反向偏壓在發(fā)射極開路的情況下，晶體管集電極和基極兩端之間容許的最高反向偏壓 : 經(jīng)驗公式（對于共基極電路）：經(jīng)驗公式（對于共基極電路）：圖圖3-273-27中，在中，在 處處 突然增加突然增加.從集電極電

45、流與發(fā)射極電流之間的關(guān)系來看，包含從集電極電流與發(fā)射極電流之間的關(guān)系來看，包含雪崩效應(yīng)的有效電流增益增大雪崩效應(yīng)的有效電流增益增大M M倍，即倍，即0CBBVnCBOCBBVVM110CBBVCIMa*（3-99） （3-100） 3.113.11擊穿電壓擊穿電壓當(dāng)當(dāng)M M接近無窮時滿足擊穿條件。接近無窮時滿足擊穿條件。 圖圖3-27 共發(fā)射極和共基極電路的擊穿電壓共發(fā)射極和共基極電路的擊穿電壓3.113.11擊穿電壓擊穿電壓二、共發(fā)射極連接二、共發(fā)射極連接由于由于 ，因此，包含雪崩效應(yīng)的共發(fā)射極電流增益為，因此，包含雪崩效應(yīng)的共發(fā)射極電流增益為當(dāng)達(dá)到的條件當(dāng)達(dá)到的條件 時，新的電流增益變?yōu)闊o

46、窮，即發(fā)生擊穿。時，新的電流增益變?yōu)闊o窮，即發(fā)生擊穿。 由于由于 非常接近于非常接近于1 1，當(dāng)，當(dāng) 不要比不要比1 1大很多時就能滿足共發(fā)射極擊穿條件。大很多時就能滿足共發(fā)射極擊穿條件。 基極開路情況下的擊穿電壓用基極開路情況下的擊穿電壓用 表示。令（表示。令（3-993-99）式中的）式中的 并使并使 等于等于 ，可以解得，可以解得硅的硅的 數(shù)值在數(shù)值在2到到4之間，在之間，在 值較大時，共發(fā)射極擊穿電壓值較大時，共發(fā)射極擊穿電壓 可比共基極擊穿可比共基極擊穿電壓低很多。電壓低很多。)1 (hFE*FEhMMhFE1*1*（3-101） 1MM0CEBV0CECBBVVM10CEBVnFECBOnCBOCEOhBVBVBV11（3-102） nFEh0CEBV3.113.11擊穿電壓擊穿電壓共發(fā)射極的擊穿特性也示于圖3-27中 圖3-28 晶體