半导体器件物理 教学课件 ppt 作者 顾晓清 王广发 三

1、第 3 章,晶体管的直流特性,3.1 概述 3.2 平面晶体管的电流放大系数 及影响电流放大系数的因素 3.3 晶体管的反向电流 3.4 晶体管的击穿电压 3.5 晶体管的基极电阻 3.6 习题, 晶体管的基本结构 平面晶体管的电流放大系数 晶体管的直流特性 晶体管的反向电流,晶体管（半导体三极管）是由两个P-N结构成的三端器件。由于两个P-N结靠得很近，其具有放大电信号的能力，因此在电子电路中获得了比半导体二极管更广泛的应用。（半导体二极管由一个P-N结构成，利用P-N结的单向导电性，二极管在整流、检波等方面获得了广泛应用。）本章将在P-N结理论的基础上，讨论晶体管的基本结构、放大作用以及其他一些特性，如反向电流、击穿电压、基极电阻等。,3.1 概述,晶体管的种类很多，按使用的要求，一般分为低频管和高频管，小功率管和大功率管，高反压管和开关管等等。 但从基本结构来看，它们都由两个十分靠近的，分别称为发射结和集电结的P-N结组成。 两个P-N结将晶体管划分为三个区：发射区、基区和集电区。由三个区引出的电极分别称为发射极、基极和集电极，用符号E、B、C（e、b、c）表示。 晶体管的基本形

2、式可分为PNP型和NPN型两种。,合金管,合金管是早期发展起来的晶体管。其结构是在N型锗片上，一边放受主杂质铟镓球，另一边放铟球，加热形成液态合金后，再慢慢冷却。冷却时，锗在铟中的溶解度降低，析出的锗将在晶片上再结晶。再结晶区中含大量的铟镓而形成P型半导体，从而形成PNP结构，如图所示。图中Wb为基区宽度，Xje和Xjc分别为发射结和集电结的结深。 合金结的杂质分布特点是：三个区的杂质分布近似为均匀分布，基区的杂质浓度最低，且两个P-N结都是突变结。 合金结的主要缺点是基区较宽，一般只能做到10微米左右。因此频率特性较差，只能用于低频区。,平面管,在高浓度的N+衬底上，生长一层N型的外延层，再在外延层上用硼扩散制作P区，后在P区上用磷扩散形成一个N+区。 其结构是一个NPN型的三层式结构，上面的N+区是发射区，中间的P区是基区，底下的N区是集电区。,P57,平面晶体管的发射区和基区是用杂质扩散的方法制造得到的，所以在平面管的三层结构即三个区域的杂质分布是不均匀的。 其杂质分布可根据扩散工艺推算出来，如图所示。,P57,晶体管的基区杂质分布有两种形式： 均匀分布（如合金管），称为均匀基区

3、晶体管。均匀基区晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散进行，故又称为扩散型晶体管。 基区杂质是缓变的（如平面管），称为缓变基区晶体管。这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区内除了扩散运动外，还存在漂移运动，而且往往以漂移运动为主。所以又称为漂移型晶体管。,小结,晶体管中载流子浓度分布及传输,设发射区、基区和集电区的杂质皆为均匀分布，分别用NE、NB、NC表示，且NE远大于 NB大于NC。,We 发射区宽度 Wb 基区宽度 Wc 集电区宽度 Xme 发射结势垒 宽度 Xmc 集电结势垒 宽度,VDE 发射结的接触电势差 VDC 集电结的接触电势差 由于平衡时费米能级处处相等，因而基区相对于发射区和集电区分别上移qVDE和qVDC。,当晶体管作为放大运用时 发射结加正向偏压VE 集电结加反向偏压VC,发射结势垒由原来的qVDE下降为q(VDE-VE) 集电结势垒由qVDC升高到q(VDC+VC),NPN晶体管作为放大应用时，少数载流子浓度分布示意图,发射结正偏，发射区将向基区注入非平衡少子。注入的少子在基区边界积累，并向基区体内扩散。边扩散，便复合，最后形成一稳定分布，记作nB(x)

4、。同样，基区也向发射区注入空穴，并形成一定的分布，记作pE(x)。 集电结反偏，集电结势垒区对载流子起抽取作用。当反向偏压足够高时，在基区一边，凡是能够扩散到集电结势垒区XmC的电子，都被势垒区电场拉向集电区。因此，势垒区边界X3处少子浓度下降为零；同样，在集电区一边，凡是能够扩散到XmC的空穴，也被电场拉向基区，在X4处少子浓度也下降为零，其少子浓度分布为pC(x)。,晶体管中的载流子传输示意图,因发射结正偏，大量电子从发射区注入到基区，形成电子电流InE。如基区很薄，大部分电子都能通过扩散到达集电结边界，并被集电极收集，形成集电极电子电流InC。由于通过基区的电子是非平衡载流子，因此在基区中，电子将一边扩散，一边和基区中的空穴复合，形成体复合电流IVR。显然，体复合电流是垂直于电子电流流动方向的多数载流子电流。同时，基区也向发射区注入空穴，形成发射结的反注入空穴电流IpE。这股空穴电流在发射区内边扩散边复合，经过扩散长度LpE后基本复合消失，转换成电子电流。另外，在集电结处还有一股反向饱和电流ICB0。,综上所述可知，通过发射结有两股电流，即InE和IPe，所以， 发射极电流 IE

5、=InE+IpE 通过集电结也有两股电流InC和ICB0， 集电结电流 IC=InC+ICB0 通过基极有三股电流，即IpE、IVR和ICB0，因而 基极电流 IB=IpE+IVR-ICB0 根据电流的连续性，应有 IE=IB+IC,对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。 电子从发射极出发，通过发射区到达发射结，由发射结发射到基区，再由基区运到集电结边界，然后由集电结收集，流过集电区到达集电极，成为集电极电流。 电子电流在传输过程中有两次损失： 在发射区，与从基区注入过来的空穴复合损失； 在基区体内的复合损失。因此， InCInEIE,晶体管内部载流子的传输过程,直流电流放大系数,电流放大系数表示放大电流的能力 电路接法不同，放大系数也不同,共基极直流电流放大系数, 集电极输出电流与发射极输入电流之比,基区输运系数 *,晶体管的发射效率,注入基区的电子电流 与发射极电流的比值,到达集电结的电子电流 与进入基区的电子电流之比,如电子在基区输运过程中复合损失很少，则InCInE，*1。,减小基区体内复合电流IVR是提高*的有效途径，而减小IVR的主要措施是减薄基区宽度WB，使基区宽度远小于

6、少子在基区的扩散长度LnB，即WB远小于LnB。 所以，在晶体管生产中，必须严格控制基区宽度，从而得到合适的电流放大系数。若基区太宽，甚至比基区少子扩散长度大得多，则晶体管相当于两个背靠背的二极管。发射结相当于一只正向偏压二极管，集电结相当于一只反向偏压二极管，互不相干。这样，晶体管就失去放大电流、电压的能力。,练习,简述晶体管的结构、基本形式和基区杂质分布的形式。 提高发射效率和基区输运系数的方法是什么？,共发射极直流电流放大系数,因为IE=IB+IC,当=20时，由上式可以算得=0.95；=200时，=0.995。所以，一般晶体管的很接近于1。,晶体管的放大作用,晶体管在共射极运用时，IC=IB。由于远大于1，输入端电流IB的微小变化，将引起输出端电流IC较大的变化，因此具有放大电流的能力。 在共基极运用时，IC=IE。由于接近于1，当输入端电流IE变化IE时，引起输出端电流IC的变化量IC小于等于IE。所以起不到电流放大作用。但是可以进行电压和功率的放大。,晶体管具有放大能力，必须具有下面条件,（1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多， 即NE远大于NB，以保证发射效率1； （2

7、）基区宽度WB远小于LnB， 保证基区输运系数*1； （3）发射结必须正偏，使re很小； 集电结反偏，使rc很大，rc远大于re。,晶体管的特性曲线,晶体管的特性曲线形象地表示出晶体管各电极电流与电压间的关系，反映晶体管内部所发生的物理过程，以及晶体管各直流参数的优劣。 所以，在生产过程中常用特性曲线来判断晶体管的质量好坏。 晶体管的接法不同，其特性曲线也各不相同。,共基极输入特性曲线,输出电压VCB一定时，输入电流与输入电压的关系曲线，即IEVBE关系曲线。,由于发射结正向偏置，所以，IEVBE输入特性实际上就是正向P-N结的特性，因而IE随VBE指数增大。 但它与单独P-N结间存在差别，这是由于集电结反向偏置VCB影响的结果。若VCB增大，则集电结的势垒变宽，势垒区向基区扩展，这样就使有效基区宽度随VCB增加而减小（这种现象称为基区宽变效应）。由于WB减小，使少子在基区的浓度梯度增加，从而引起发射区向基区注入的电子电流InE增加，因而发射极电流IE就增大。 所以，输入特性曲线随VCB增大而左移。,共射极输入特性曲线,在输出电压VCE一定时，输入端电流IB与输入端电压VBE的关系曲线

8、，即IBVBE曲线。,综上所述可知，通过发射结有两股电流，即InE和IPe，所以， 发射极电流 IE=InE+IpE 通过集电结也有两股电流InC和ICB0， 集电结电流 IC=InC+ICB0 通过基极有三股电流，即IpE、IVR和ICB0，因而 基极电流 IB=IpE+IVR-ICB0 根据电流的连续性，应有 IE=IB+IC,由于发射结正偏，如将输出端短路，VCE=0时，就相当于将发射结与集电结两个正向P-N结并联。 所以，输入特性曲线与正向P-N结伏安特性相似。 当集电结处于反偏时，由于基区宽度减小，基区内载流子的复合损失减少，IB也就减少。所以，特性曲线随VCE的增加而右移。 而且，当VBE=0时，IpE和IVR都等于零，故IB=-ICBO。因而在VBE=0处，特性曲线下移至ICBO。,共基极输出特性曲线,输出端电流随输出电压变化的关系曲线，即ICVCB关系曲线。,当IE =0，即发射结不发射载流子时，输出电流IC=ICBO，这时的输出特性就是集电结的反向特性，即图中最靠近水平坐标而且基本上平行于坐标轴的曲线。 当IE0时，随着IE的增加，IC按IE的规律增大。若IE取不同的

9、数值，就得到一组基本上互相平行的ICVCB关系曲线，这就是共基极输出特性曲线。,共射极输出特性曲线,ICVCE关系曲线,当IB=0（基极开路）时，IC=ICEO。这是因为共射极电路的输出电压为VCE，这个电压虽然主要降落在集电结上，使集电结反偏，但也有一小部分电压降落在发射结上，使发射结正偏。因此共射极电路中，当IB=0时，IE并不为零，这部分发射极电流输运到集电极上，使输出电流ICE0比ICB0大，这就是图中下面的第一条曲线。 当IB0时，随着IB的增加，IC就按IB的规律增加。IB取不同的数值，IBVCE关系就得到一组曲线。,3. 平面晶体管的电流放大系数及影响电流放大系数的因素,平面晶体管的自建电场,基区中某一处的自建电场的大小与该处的杂质浓度梯度成正比，与该处的杂质浓度成反比。,平面晶体管的电流密度 （略）,平面晶体管的发射效率,Re 发射区方块电阻； Rb 基区方块电阻 方块电阻：正方形片状材料的一边到对边所测得的欧姆电阻，可由四探针直接测得。 b,平面晶体管的基区输运系数,平面晶体管的电流放大系数,影响电流放大系数的因素,（1）发射结势垒复合对电流放大系数的影响 当考虑发射结势垒复合电流Irg以后，发射极电 流就由三部分组成，Ie=Ine+Ipe+Irg。显然，Irg的存在会导致发射效率的降低，注入较小时此现象尤为显著。可以通过适当减小基区杂质浓度和基区宽度的方法来减小Irg的影响。 （2）基区表面复合对电流放大系数的影响 当考虑基区表面复合电流Isb时，会导致基区输运系数的降低。,练习,P73 2，3,3.3 晶体管的反向电流,晶体管的反向电流是晶体管的重要参数之一，它包括ICB0，IEB0和ICE0 。 反向电流过大的危害： 降低成品率 （反向电流不受输入电流控制，对放大作用无贡献，而且消耗电源功率使晶体管发热，影响晶体管工作的稳定性，甚至烧毁 ） 所以，希望反向电流越小越好 。,ICB0,当发射极开路（IE=0）时， 集电极-基极的反向电流,反向电流少子电流多子电流 集电结加反偏势垒区两边的少子密度平衡时的少子密度基区

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