【文章內(nèi)容簡介】 與工藝 雙極型晶體管及相關器件 25 根據(jù)射基結與集基結上偏壓的不同 ， 雙極型晶體管有四種工作模式 。下圖顯示了一 pnp晶體管的四種工作模式與 VEB、 VCB的關系 ， 每一種工作模式的少數(shù)載流子分布也顯示在圖中 。 如在 放大模式 下 ， 射基結是正向偏壓 ， 集基結是反向偏壓 。 在 飽和模式 下 ， 晶體管中的兩個結都是正向偏壓 ， 導致兩個結的耗盡區(qū)中少數(shù)載流子分布并非為零 ，因此在 x=W處的邊界條件變?yōu)? 工作模式 圖 4 . 7四 種 晶 體 管 工 作 模 式 下 得 結 極 性 與 少 數(shù) 載 流 子 分 布0 0WEBBCCE EBCEBC0WWW00 pnpnpn pn pn pnpn pnnnnpnp放 大 飽 和反 轉(zhuǎn)截 止?? ?? CBVEBV??????? kTqVpWp CBnn ex p)( 0雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 26 在 截止模式 下 ， 晶體管的兩個結皆為反向偏壓 ， 邊界條件變?yōu)閜n(0)=pn(W)=0， 截止模式下的晶體管可視為開關斷路 (或是關閉 )。 在 反轉(zhuǎn)模式 下 ， 射基結是反向偏壓 ， 集基結是正向偏壓；在反轉(zhuǎn)模式下晶體管的集電極用作發(fā)射極 ，而發(fā)射極用作集電極 ， 相當于晶體管被倒過來用 ， 但是在反轉(zhuǎn)模式下的電流增益通常較放大模式小 ， 這是因為集電區(qū)摻雜濃度較基區(qū)濃度小 ， 造成低的 “ 發(fā)射效率 ” 所致 。 圖 4 . 7四 種 晶 體 管 工 作 模 式 下 得 結 極 性 與 少 數(shù) 載 流 子 分 布0 0WEBBCCE EBCEBC0WWW00 pnpnpn pn pn pnpn pnnnnpnp放 大 飽 和反 轉(zhuǎn)截 止?? ?? CBVEBV 在飽和模式下 ， 極小的電壓就產(chǎn)生了極大的輸出電流 ， 晶體管處于導通狀態(tài) ， 類似于開關短路 （ 亦即導通 ） 的狀態(tài) 。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 27 上二式各結的偏壓視晶體管的工作模式可為正或負 。 其中系數(shù) ?1 ?1?21和 ?22可各由以下各式分別得出 。 其他模式的電流 、 電壓關系皆可以用類似放大模式下的步驟得出 ， 但要適當?shù)馗倪吔鐥l件 ， 各模式下電流的一般表示式可寫為 ?????? ?????????????? ???????? 1e x p1e x p1211 kTqVakTqVaI CBEBE?????? ?????????????? ???????? 1e x p1e x p2221 kTqVakTqVaI CBEBC)( 011EEOEnpLnDWpDqAa ??Wpq A Da np 012 ?Wpq A Da np 021 ? )( 022CCOCnpLnDWpDqAa ??雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 28 圖 (a)是一個共基組態(tài)下的 pnp晶體管 ， 圖(b)則為其輸出電流 電壓特性的測量結果并標示出不同工作模式的區(qū)域 。 集電極與發(fā)射極電流幾乎相同 (?0≈1)并幾乎與 VBC不相關 ， 非常符合理想晶體管的行為 。 共基組態(tài)晶體管的基極為輸入端與輸出端所共用 ， 其電流 電壓特性仍可用下式描述 ， 其中 VEB和 VBC分別是輸入與輸出電壓 ， 而 IE和 IC分別為輸入與輸出電流 。 ?????? ?????????????? ???????? 1e x p1e x p 1211 kTqVakTqVaI CBEBE?????? ?????????????? ???????? 1e x p1e x p 2221 kTqVakTqVaI CBEBC共基組態(tài)晶體管的電流 電壓特性 （ b ） 其 輸 出 電 流 － 電 壓 特 性圖 4 . 8EBC?pnpE C? ?? ?BI II( a ) p n p 晶 體 管 的 共 基 狀 態(tài)EBV CBV8642005? 1020CBOI CB OBV0BCV12345 mAI E 6?飽 和截 止放 大（b ）其輸出電流－電壓特性圖 4 . 8E B C?p n pE C? ?? ?BICIEI(a)pnp晶體 管的共基狀態(tài)EBV CBV8642005? 10 20CB OICB OBV0CBV12345mAI E 6?飽和截止放大雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 29 若要將集電極電流降為零 ，必須加一電壓在集基結上 ， 使其正向偏壓 (飽和模式 )， 對硅材料而言 ， 約需加 1V左右 ， 如圖 (b)所示 ， 正向偏壓造成 x=W處的空穴濃度大增 ， 與 x=0處相等 [圖 (b)中的水平線 ]， 此時在 x=W處的空穴梯度也就是集電極電流將會降為零 。 即使 VBC降到零伏 ， 空穴依然被集電極所吸引 ， 因此集電極電流仍維持一固定值 。 圖 (a)中的空穴分布也顯示出這種情形 ， x=W處的空穴梯度在從 VBC＞ 0變?yōu)?VBC=0后 ， 只改變了少許 ， 使得集電極電流在整個放大模式范圍下幾乎相同 。 BW)( xPn)0(nP0?BCV0?BCVW00nP( a ) 放大模式 0?BCV 0?BCVBW)( xPnW00nP0?CI0?CI( b ) 飽和模式中兩結皆為正向偏壓圖 4 . 9 p n p 晶體管基極中的少數(shù)載流子分布雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 30 其中 β0為 共射電流增益 ， 是 IC對 IB的微分且 下圖是一個共射組態(tài)下的 pnp晶體管 ， 將式 IB=IEIC代入 共射組態(tài)晶體管的電流 電壓特性 可得出共射組態(tài)下的集電極電流 C B OEC III ＋0??C B OCBC IIII ??? )(0?00011 ????????C B OBCIII000 1 ???????BCII＝定義 01 ??? C B OC E O II此電流是當 IB=0時 ， 集電極與發(fā)射極間的漏電流 。 因此 C E OBC III ?? 0?EBC?pnpEC????BICIEI(a)pnp晶 體管的共射組態(tài)EECVBCVB8642010 20CB OBV飽和截止（b ）其輸出電流－電壓特性CE OIAIB?25?0?CBV0Ic/ m A1015205圖4 . 1 0雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 31 因為 ?0一般非常接近于 1， 使得 β0遠大于 1， 所以基極電流的微小變化將造成集電極電流的劇烈變化 。 下圖是不同的基極電流下 ， 輸出電流 電壓特性的測量結果 。 可見當 IB=0時 ， 集電極和發(fā)射極間還存在一不為零的ICEO。 在一共射組態(tài)的理想晶體管中 ，當 IB固定且 VEC0時 ， 集電極電流與VEC不相關 。 當假設中性的基極區(qū)域(W)為定值時 ， 上述特性始終成立 。然而延伸到基極中的空間電荷區(qū)域會隨著集電極和基極的電壓改變 ，使得基區(qū)的寬度是集基偏壓的函數(shù) ，因此集電極電流將與 VEC相關 ． EBC?pnpEC????BICIEI(a)pnp晶 體管的共射組態(tài)EECVBCVB8642010 20CB OBV飽和截止（b ）其輸出電流－電壓特性CE OIAIB?25?0?CBV0Ic/ m A1015205圖4 . 1 0雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 32 當集電極和基極間的反向偏壓增加時 ， 基區(qū)的寬度將會減少 ，導致基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度梯度增加 ， 亦即使得擴散電流增加 ，因此 IC也會增加 。 下圖顯示出 IC隨著 VEC的增加而增加 ， 這種電流變化稱為厄雷效應 ， 或稱為 基區(qū)寬度調(diào)制效應 ， 將集電極電流往左方延伸 ， 與 VEC軸相交 ， 可得到交點 ， 稱為 厄雷電壓 。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 C I EC V 0 A V B I 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 33 例 3：已知在一理想晶體管中 ， 各電流成分為： IEp=3mA、 IEn=、ICp=、 ICn=。 求出共射電流增益 β0， 并以 β0和 ICBO表示 ICEO，并求出 ICEO的值 。 解： 發(fā)射效率為 3npp ＝＋＝＋＝ EEEIII?基區(qū)輸運系數(shù)為 pp ???ECT II?共基電流增益為 ???T??? ＝因此可得 9 9 3 9 9 3 0 ＝－＝?C B OC B OC E O III )1()11( 000 ????? ???AAI CE O 46 )( ?? ??????所以 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 34 前面討論的是晶體管的靜態(tài)特性 (直流特性 )，沒有涉及其交流特性 ， 也就是當一小信號重疊在直流值上的情況 。 小信號意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓 、 電流值 。 頻率響應 高頻等效電路 ：圖 (a)是以共射組態(tài)晶體管所構成的放大器電路 ， 在固定的直流輸入電壓 VEB下 ， 將會有直流基極電流 IB和直流集電極電流 IC流過晶體管 ， 這些電流代表圖(b)中的工作點 ， 由供應電壓 VCC以及負載電阻 RL所決定出的負載線 ， 將以一 1/RL的斜率與 VCE軸相交于 VCC。 ?pnp( a ) 連 接 成 共 射 組 態(tài) 的 雙 極 晶 體 管ciEiBiEBV CCVEBV~ 0246810I c / m A 5101505101520 AI B ?25?工 作 點Bi Bi~BICIcici~ 負 載 線輸 出 電 流（ b ） 晶 體 管 電 路 的 小 信 號 工 作 狀 態(tài)圖 4 . 1 2CCV VVEC /?pnp( a ) 連接成共射組態(tài)的雙極晶體管ciEiBiEBV CCVEBV~0246810Ic/ m A5 10 1505101520AIB?25?工作點BitBi~BICIcici~t負載線輸出電流（b ）晶體管電路的小信號工作狀態(tài)圖4 . 1 2CCVVVEC/雙極型晶體管的頻率響應與開關特性 現(xiàn)代半導體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關器件 35 下圖 (a)是此放大器的低頻等效電路 ， 在更高頻率的狀況下 ， 必須在等效電路中加上適當?shù)碾娙?。 與正向偏壓的 pn結類似 ， 在正向偏壓的射基結中 ， 會有一勢壘電容 CEB和一擴散電容 Cd， 而在反向偏壓的集基結中只存在勢壘電容 CCB， 如圖 (b)所示 。 當一小信號附加在輸入電壓上時 ， 基極電流 iB將會隨時間變動 ， 而成為一時間函數(shù) ， 如右圖所示