第三章第三章双极晶体管双极晶体管静态特性静态特性电流电压特性电流电压特性电流增益电流增益输出特性输出特性本章主要内容本章主要内容--双极型晶体管双极型晶体管((22))双极晶体管的应用双极晶体管的应用高频应用高频应用开关应用开关应用功率特性功率特性一、静态特性一、静态特性基本工作原理，以硅基本工作原理，以硅nn--pp--nn晶体管为例晶体管为例1.基本工作原理和电流基本工作原理和电流--电压特性电压特性((33))双极型nn--pp--nn晶体管示意图和理想化的一维晶体管晶体管示意图和理想化的一维晶体管正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置电流方向是放大状态电流方向是放大状态处于热平衡状态处于热平衡状态的理想的理想nn--pp--nn晶晶有突变杂质分布的有突变杂质分布的晶体管掺杂曲线，晶体管掺杂曲线，阴影表示耗尽区。阴影表示耗尽区。发射区发射区基区基区集电区集电区nnppnnWWEEWWBBWWCCxx((44))电场分布。电场分布。热平衡时的能带图。热平衡时的能带图。xxEEVVEEFFEECC工作在放大状态下的晶体工作在放大状态下的晶体管管,,接成共基极组态接成共基极组态杂质分布和在偏置状态杂质分布和在偏置状态下的耗尽区下的耗尽区,有突变杂质有突变杂质分布分布((55))分布分布电场分布。电场分布。能带图。能带图。发射区发射区--基区结：正向偏置基区结：正向偏置发射电流。发射电流。集电极：收集从附近的结注入的载流子集电极：收集从附近的结注入的载流子。。发射极：发射或注入载流子发射极：发射或注入载流子集电区集电区--基区结：反向偏置基区结：反向偏置本来有很小的反向饱和电流。本来有很小的反向饱和电流。但是，但是，基区足够窄基区足够窄，发射区注入的电子穿过基区，扩散到集电区，发射区注入的电子穿过基区，扩散到集电区--基区结的耗尽层边缘，之后漂入集电区。基区结的耗尽层边缘，之后漂入集电区。((66))集电极：收集从附近的结注入的载流子集电极：收集从附近的结注入的载流子。。如果注入电子的大多数没有与基区内的空穴复合而能够达到集电如果注入电子的大多数没有与基区内的空穴复合而能够达到集电区，则集电区的电子电流将基本等于发射极的电子电流。区，则集电区的电子电流将基本等于发射极的电子电流。因此，从近处的发射结注入的载流子可以使得反向偏置的集电结有因此，从近处的发射结注入的载流子可以使得反向偏置的集电结有一个很大的电流一个很大的电流晶体管放大作用晶体管放大作用。。VVVVBCBC电流电流--电压特性电压特性((77))放大模式下各电流成分，电流方向。放大模式下各电流成分，电流方向。假设均匀掺杂假设均匀掺杂,理想突变结理想突变结,结面积相等结面积相等,忽略表面效应忽略表面效应..从最简单的情况着手考虑从最简单的情况着手考虑电流电流--电压特性，电压特性，考虑小注入，不考虑耗尽区产生复合过程，不考虑串联考虑小注入，不考虑耗尽区产生复合过程，不考虑串联电阻效应，所有压降加在耗尽区上，之外为电中性。电阻效应，所有压降加在耗尽区上，之外为电中性。假设发射结和集电结的电流假设发射结和集电结的电流--电压关系遵循理想二极电压关系遵循理想二极管方程。管方程。((88))电阻效应，所有压降加在耗尽区上，之外为电中性。电阻效应，所有压降加在耗尽区上，之外为电中性。对对nn--pp--nn晶体管，求晶体管，求IIEE和和IICC连续性方程和电流密度方程决定了稳态特性。连续性方程和电流密度方程决定了稳态特性。例如例如,在中性基区：在中性基区：基区内的平衡少数载基区内的平衡少数载流子浓度流子浓度少数载流子寿命少数载流子寿命可写出不同区域的连续性方程和电流密度方程可写出不同区域的连续性方程和电流密度方程.总的传导电流密度总的传导电流密度少数载流子扩散系数少数载流子扩散系数其它中性区也有类似的方程其它中性区也有类似的方程要得到电流密度要得到电流密度,,则需要先给出耗尽区边界的少子浓度则需要先给出耗尽区边界的少子浓度在发射结耗尽层边缘在发射结耗尽层边缘,,过剩载流过剩载流子浓度：子浓度：kTqV基区平衡基区平衡少子浓度少子浓度((1010))kTqV发射区平衡发射区平衡少子浓度少子浓度集电结耗尽层边缘集电结耗尽层边缘,,可写出一可写出一组类似的方程组类似的方程::kTqV((1111))kTqV集电区平衡少子浓度集电区平衡少子浓度解各中性区的连续性方程解各中性区的连续性方程(1)(1)，并应用以上各边界条件，，并应用以上各边界条件，得到各区少数载流子的分布函数得到各区少数载流子的分布函数.基区内的少子（电子）分布基区内的少子（电子）分布:发射区的空穴分布发射区的空穴分布:基区内电子基区内电子((1212))发射区的空穴分布发射区的空穴分布:集电区的空穴分布集电区的空穴分布:基区内电子基区内电子的扩散长度的扩散长度发射区和集电区发射区和集电区的扩散长度的扩散长度讨论基区内的电子分布讨论基区内的电子分布:基区很宽基区很宽此时情况与正常此时情况与正常pp--nn结相同结相同,,发射发射((1313))pp--nn极和集电极电流分别由极和集电极电流分别由x=0x=0和和x=W处的载流子密度梯度决定处的载流子密度梯度决定,,两电流之间没有偶合两电流之间没有偶合,,晶体管作晶体管作用消失用消失..1,基区很窄基区很窄基区少数载流子分布基区少数载流子分布EpEn总的发射极直流电流总的发射极直流电流与外电压的关系与外电压的关系:--xxEE00wwxxcc((1414))kTqVAqkTqVchkTqVVVBCBCkTqVqADkTqV有关有关CpCnqVqV总的集电极直流电流与总的集电极直流电流与外电压的关系外电压的关系:--xxEE00wwxxcc((1515))kTqVAqkTqVchkTqVAqBCBCBCqADkTqV有关有关以上为杂质均匀分布的理想情况，以上为杂质均匀分布的理想情况，考虑更一般的基区杂质分布考虑更一般的基区杂质分布::有这种杂质分布的晶体管称为有这种杂质分布的晶体管称为漂移漂移晶体管晶体管..基区内的受主浓度基区内的受主浓度NNBB和空穴浓和空穴浓exp[kT((1616))基区有杂质浓度梯度的晶体管掺杂剖面基区有杂质浓度梯度的晶体管掺杂剖面..kT本征能级本征能级电势电势费米能级费米能级电势电势内建电场内建电场dxdNkTdxdxdnqDnE基区电子电流密度基区电子电流密度:将将EE代入：代入：漂移与扩散平衡漂移与扩散平衡 基区多子电流密度： 基区多子电流密度： dxdn dx dN ((1717)) dx dx 考虑边界条件考虑边界条件: 结上电压结上电压 边界的电子浓度 边界的电子浓度 X=0处的电子浓度分布处的电子浓度分布 得到 得到 dx dn kTqV kTqV dx 可得到可得到x=0 x=0处的电流 处的电流: 定义基区内单位面积的杂质数定义基区内单位面积的杂质数(Gummel (Gummel数数): ((1818)) IInn 与均匀掺杂 与均匀掺杂npn npn晶体管的 晶体管的II En En 相比： 相比： (expkT qV (expkT qV Wp 集电极电流：集电极电流： 大部分电流范围，遵循指数关系。 大部分电流范围，遵循指数关系。 kTqV exp(延长线与纵轴交点，得到 延长线与纵轴交点，得到II 11 ((19 19)) 集电极电流和基极电流与发射极 集电极电流和基极电流与发射极--基极电压的关系 基极电压的关系 延长线与纵轴交点，得到 延长线与纵轴交点，得到II 11 VV 00，得到，得到II

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