【正文】 ci~t負(fù)載線輸出電流（b）晶體管電路的小信號(hào)工作狀態(tài)圖4 . 1 2CCVVVEC/雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開關(guān)特性 ?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(diǎn)Bi Bi~BICIcici~ 負(fù) 載 線輸 出 電 流（ b ） 晶 體 管 電 路 的 小 信 號(hào) 工 作 狀 態(tài)圖 4 . 1 2CCV VVEC /RL 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 35 下圖 (a)是此放大器的 低頻等效電路 。 小信號(hào)意指 交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓 、 電流值 。 求出共射電流增益 β0， 并以 β0和 ICBO表示 ICEO，并求出 ICEO的值 。 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(yīng) ，或稱為 基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng) ， 將集電極電流往左方延伸 ， 與 VEC軸相交 ， 可得到交點(diǎn) ， 稱為 厄雷電壓 VA。 EBC?pnpEC????BICIEI(a)pnp晶體管的共射組態(tài)EECVBCVB8642010 20C B OBV飽和截止（b）其輸出電流－電壓特性CEOIAIB?25?0?CBV0Ic/ m A1015205圖4 . 1 0雙極型晶體管的靜態(tài)特性 000 1 ???????BCII＝C E OBC III ?? 0?放大 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 32 但實(shí)際上 ， 基極中的空間電荷區(qū)會(huì)隨著 VEC改變 ， 使得基區(qū)的中性區(qū)域?qū)挾?(W)是 VEC的函數(shù) ， 因此 IC將與 VEC相關(guān) 。 可見當(dāng) IB=0時(shí) ， 集電極和發(fā)射極間還存在一 不為零的 ICEO。 因此 C E OBC III ?? 0?EBC?pnpEC????BICIEI(a)pnp晶體管的共射組態(tài)EECVBCVB8642010 20C B OBV飽和截止（b）其輸出電流－電壓特性CEOIAIB?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(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 31 因?yàn)??0≈1且 ?0＜ 1， 使得 β01， 所以IB的微小變化將造成 IC的劇烈變化 。 圖 (a)中的空穴分布也顯示出這種情形 ，x=W處在從 VBC＞ 0變?yōu)?VBC=0后 ， 空穴梯度只改變少許 ， 使得集電極電流在整個(gè)放大模式范圍下幾乎相同 。 ?????? ?????????????? ???????? 1e xp1e xp 1211 kTqVakTqVaI CBEBE?????? ?????????????? ???????? 1e xp1e xp 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 20CBOICBOBV0CBV12345mAI 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(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 29 若要使 IC=0， 必須使集基結(jié)上正向偏壓 ， 進(jìn)入 飽和模式 ，對(duì)于硅 ， 需加正向偏壓 VCB= VBC ≈1V。 放大區(qū)集電極與發(fā)射極電流幾乎相同 (?0≈1)， 并幾乎與 VBC不相關(guān) ， 即使 VBC=0 V， 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 。 其中系數(shù) ?1 ?1?21和 ?22可各由以下各式分別得出 。 圖 4 . 7四 種 晶 體 管 工 作 模 式 下 得 結(jié) 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(dǎo)通狀態(tài) ， 類似于開關(guān)短路 （ 亦即 導(dǎo)通 ） 的狀態(tài) 。 在 反轉(zhuǎn)模式 下 ， 射基結(jié)是反向偏壓 ， 集基結(jié)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(dāng)于晶體管被倒過來用 。 如在 放大模式 下 ， 射基結(jié)是正向偏壓 ， 集基結(jié)是反向偏壓 。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 25 根據(jù)射基結(jié)與集基結(jié)上偏壓的不同 ， 雙極型晶體管有四種工作模式 。 解： 在基極區(qū)域中 在發(fā)射極區(qū)域中 cmcmDL pPp 37 101010 ?? ???? ?323172920 )( ?? ????? cmcmNnpBincmDL EEE 410 ??? ?32i ??? cmNnEEO雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 23 因?yàn)?W/Lp=1， 各電流成分為 共基電流增益 ?0為 AAeI Ep 2419 ?????????? ???????AI Cp 4107 1 3 ???AAeI En 802 5 419)1(10 ????????????? 8440 ???????? ???EnEpCpIII?雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 24 在 W/Lp1的情況下 ， 由 可將發(fā)射效率簡(jiǎn)化為 )e xp(0p kTqVW pqA DI EBnpE ?和 ?????? ?? 1)e xp(kTqVLnqA DI EBEEOEEnEnoEOEEOnnEnEpEpLWpNDDLnDWpDWpDIIIpEE0p0p11???????EEBLWNNDDpE11???或 其中 NB=ni2/pn0是基區(qū)的摻雜濃度 ， NE=ni2/nEO是發(fā)射區(qū)的摻雜濃度 。 理想晶體管的 IB=IEIC， 即 所以 ， 晶體管 三端點(diǎn)的電流主要是由基極中的少子分布來決定 ， 一旦獲得了各電流成分 ， 即可由 其中 2221 1)e xp ( akTqVaI EBC ??????? ??Wpq A Da np 021 ? )(022CCOCnpLnDWpDqAa ??)(1)e xp ()( 22122111 aakTqVaaI EBB ???????? ???得出共基電流增益 npppEEEEEIIIII＋??? ppECT II??和 T??? ＝0雙極型晶體管的靜態(tài)特性 發(fā)射區(qū) )( ?P 基區(qū) )( n 集電區(qū) )( PEI CIBBIEnI CnI} CPI} EPI}BI空穴電流和空穴流電子電流電子流圖4 . 5現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 22 例 2：一個(gè)理想的 p+np晶體管 ， 其發(fā)射區(qū) 、 基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度分別為 1019cm 1017cm3和 5 1015cm3， 而壽命分別為 108s、 107s和 106s， 假設(shè)有效橫截面面積 A為 ， 且射基結(jié)正向偏壓在 ， 試求晶體管的共基電流增益 。 各端點(diǎn)的電流可由以上各方程式得出 。在 x=0處 ， 由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴電流 IEp與少數(shù)載流子濃度分布的梯度成正比 ， 因此當(dāng) W/Lp1時(shí) ，空穴電流 IEp可以由式 放大模式下理想晶體管的電流 ： 同理 ， 在 t＝ W處由集電極所收集到的空穴電流為 表示為 ????????????? WxWxVx EB －＝－）（ 1)0(p1kTqe xpp)(p n0nn)e xp (ddpq 00npp kTqVWpqA DxDAIEBnpxE ??????????－＝)e xp (ddpq 0npp kTqVW pqA DxDAI EBnpWxC ??????????－＝雙極型晶體管的靜態(tài)特性 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū)?P Pn)0(nP)( xP nBQnoPW cx)( xn ccon0Ex?EOn)( xN E圖 4 . 6 放大模式下p n p 晶體管中各區(qū)域得少數(shù)載流子分布發(fā)射區(qū) )( ?P 基區(qū) )( n 集電區(qū) )( PEI CIBBIEnI CnI} CPI} EPI}BI空穴電流和空穴流電子電流電子流圖4 . 5當(dāng) W/Lp1時(shí)， IEp= ICp。在圖中 ， 發(fā)射區(qū)與集電區(qū)中性區(qū)域的邊界條件為 二 、 發(fā)射極和集電極區(qū)域 ： )e xp()(n kTqVnxx EBEOEE ??? 0)e xp()(n ???? kTVqnxx CBCOCC其中 nEO和 nCO分別為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中熱平衡狀態(tài)下的電子濃度 。 可見 ， 由線性少數(shù)載流子分布的合理假設(shè) ， 可簡(jiǎn)化電流 電壓特性的推導(dǎo)過程 。此近似是合理的 ， 因?yàn)樵诰w管的設(shè)計(jì)中 ， 基極區(qū)域的寬度遠(yuǎn)小于少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度 。 將邊界條件代入 得 )(e xp)(e xp)( 21ppnn LxCLxCpxp ?????????????????????????????? ?????????)s i n h ()s i n h (1)s i n h ()s i n h (1e x p)( 0n0nnPPPPEBLWLxpLWLxWkTqVpxp ）（發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū)?P Pn)0(nP)( xPnBQnoPW cx)( xnccon0Ex?EOn)( xNE圖 4 . 6 放大模式下p n p 晶體管中各區(qū)域得少數(shù)載流子分布雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理 天津工業(yè)大學(xué) 雙極型晶體管及相關(guān)器件 17 當(dāng) x1時(shí) ， sinh(x)將會(huì)近似于 x。 第一個(gè)邊界條件式表示在正向偏壓的狀態(tài)下 ， 射基結(jié)的耗盡區(qū)邊緣 (x=0)的少數(shù)載流子濃度是熱平衡狀態(tài)下的值乘上exp(qVEB/kT)。 上式的一般解為 一 、 基區(qū)區(qū)域： 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū)?P PnEW BW CW?? ?AD NN? ?xxE輸出BIEI CIEBV BCV(a)0 W(b)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNEx? Cx(d)圖4 . 4發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū)?P PnEW BW CW?? ?AD NN? ?xxE輸出BIEI CIEBV BCV(a)0 W(b)(c)CEVECEVEFEEBVBCVBNEx? Cx(d)圖4 . 40022?????????pnnnp τ－pp－dxpdD)(e xp)(e xp)( 21ppnn LxCLxCpxp ????其中 為空