【正文】 05101520AIB?25?工作點(diǎn)BitBi~BICIcici~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/( a ) 基本晶體管等效電路EBV~E ECBEBm Vg~( b ) 基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容EBV~E ECBEBm Vg~CBCdCEBCEBgEBV~E ECBEBm Vg~CBCdCEBCEBgECgC CrBr B( c ) 基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)圖 4 . 1 3( a ) 基本晶體管等效電路EBV~E ECBEBm Vg~( b ) 基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容EBV~E ECBEBm Vg~CBCdCEBCEBgEBV~E ECBEBm Vg~CBCdCEBCEBgECgC CrBr B( c ) 基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)圖 4 . 1 3雙極型晶體管的頻率響應(yīng)與開(kāi)關(guān)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 36 其中 ( a ) 基本晶體管等效電路EBV~E ECBEBmVg~( b ) 基本等效電路加上勢(shì)壘和擴(kuò)散電容EBV~E ECBEBmVg~CBCdCEBCEBgEBV~E ECBEBmVg~CBCdCEBCEBgECgCCrBrB( c ) 基本等效電路加上電阻和電導(dǎo)圖 4 . 1 3稱(chēng)為跨導(dǎo) (transconductance) EBCm vig~~?稱(chēng)為輸入電導(dǎo) (input conductance)。 當(dāng)一小信號(hào)附加在輸入電壓上時(shí) ， 基極電流 iB將會(huì)隨時(shí)間變動(dòng) ， 而成為一時(shí)間函數(shù) ， 如右圖所示 。 ?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 /?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(diǎn)BitBi~BICIcici~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(kāi)關(guān)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 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 ， 在更高頻率的狀況下 ， 必須在等效電路中加上適當(dāng)?shù)碾娙?。 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(chēng)為厄雷效應(yīng) ， 或稱(chēng)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(chēng)為 厄雷電壓 。 當(dāng)假設(shè)中性的基極區(qū)域(W)為定值時(shí) ， 上述特性始終成立 。 可見(jiàn)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 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(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 31 因?yàn)??0一般非常接近于 1， 使得 β0遠(yuǎn)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 。 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(gè)放大模式范圍下幾乎相同 。 ?????? ?????????????? ???????? 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(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 29 若要將集電極電流降為零 ，必須加一電壓在集基結(jié)上 ， 使其正向偏壓 (飽和模式 )， 對(duì)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(shí)在 x=W處的空穴梯度也就是集電極電流將會(huì)降為零 。 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) ， 非常符合理想晶體管的行為 。 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(lèi)似于開(kāi)關(guān)短路 （ 亦即導(dǎo)通 ） 的狀態(tài) 。 在 飽和模式 下 ， 晶體管中的兩個(gè)結(jié)都是正向偏壓 ， 導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)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(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??????? kTqVpWp CBnn ex p)( 0雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 26 在 截止模式 下 ， 晶體管的兩個(gè)結(jié)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(kāi)關(guān)斷路 (或是關(guān)閉 )。下圖顯示了一 pnp晶體管的四種工作模式與 VEB、 VCB的關(guān)系 ， 每一種工作模式的少數(shù)載流子分布也顯示在圖中 。 可見(jiàn) ，欲改善 ?， 必須減少 NB/NE， 也就是發(fā)射區(qū)的摻雜濃度必須遠(yuǎn)大于基區(qū) ， 這也是發(fā)射區(qū)用 p＋ 重?fù)诫s的原因 。 其他晶體管的參數(shù)為 DE=1cm2/s、 Dp=10cm2/s、 DC=2cm2/s、W＝ 。 發(fā)射極電流為 IEp與 IEn的和 ， 即 ?????? ?????????? ???1)e x p (A kTqVL nq A DdxdnqDI EBEEOExxEEEnECCOCxxCCCn Lnq A DdxdnqDAIC????????? ???1211 1)e x p( akTqVaI EBE ??????? ??)( 011EEOEnpLnDWpDqAa ??Wpq A Da np 012 ?其中 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 21 集電極電流是 ICp與 ICn的和 ， 即 可見(jiàn) ?12= ?21。 而 IEn是由基區(qū)流向發(fā)射區(qū)的電子流形成的 ， ICn是由集電區(qū)流向基區(qū)的電子流形成的 ， 分別為 其中 DE和 DC分別為電子在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的擴(kuò)散系數(shù) 。 設(shè)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度分別遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長(zhǎng)度 LE和 LC， 將邊界條件代入 )(e x p)(e x p)( 21EEpp LxCLxCnxn ????得到 EEEEBEOEOE xxLxxkTqVnnx ????????? ??? ,ex p1)ex p ()(n ）（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)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 19 只要知道少數(shù)載流子分布 ， 即可計(jì)算出晶體管中的各項(xiàng)電流成分 。 ????????????? WxpWxkTqVpxp EB －＝－）（ 1)0(1e x p)( n0nn?????????????????????????? ?????????)si n h ()si n h (1)si n h ()si 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)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 18 雙極型晶體管及相關(guān)器件 和 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)中的少數(shù)載流子分布可以用類(lèi)似上述基區(qū)情況的方法求得 。 如圖 。 所以當(dāng) W/Lp1時(shí) ， 可簡(jiǎn)化為 即：少數(shù)載流子分布趨近于一直線 。 第二個(gè)邊界條件表示在反向偏壓的狀態(tài)下 ， 集基結(jié)耗盡區(qū)邊緣 (x=W)的少數(shù)載流子濃度為零 。 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 16 其中 pn0是熱平衡狀態(tài)下基區(qū)中的少數(shù)載流子濃度 ， 可由 pn0=ni2/NB決定 ，NB表示基區(qū)中均勻的施主濃度 。 各區(qū)域中的載流子分布 雙極型晶體管的靜態(tài)特性 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 雙極型晶體管及相關(guān)器件 15 圖 (c)顯示結(jié)上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布 ， 在中性區(qū)域中的少數(shù)載流子分布可由無(wú)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程式表示： 其中 Dp和 τp分別表示少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)和壽