晶体管的直流效应.ppt

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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,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、

2、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。晶体管的基本形式可分为PNP型和NPN型两种。,N型硅,N+,P型硅,（a）平面型,双极型晶体管,基本结构的2种型号,内部有电子和空穴两种载流子参与导电的晶体管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,基极B,发射极E,NPN型晶体管的

3、结构示意图,基区浓度小、很薄。,发射区浓度大，发射电子。,集电区尺寸大，收集电子，浓度低。,PNP型晶体管的结构示意图,按半导体材料的不同分为锗管和硅管，硅晶体管多为NPN型，锗晶体管多为PNP型。,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

4、-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。,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

5、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

6、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)。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

7、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=InE+IpE 通过集电结也有两股电

8、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,电流放大原理,EB,RB,EC,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流I

9、BE，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,IB=IBE-ICBOIBE,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,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

10、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。,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

11、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）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,

12、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）

13、。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，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

14、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I

15、E的规律增大。若IE取不同的数值，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

16、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

17、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。,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中的少子（电子）及集电区中的少子（空穴）都向结区扩散少子电

18、流体内复合中心和界面态复合中心多子电流,锗晶体管的反向电流：反向扩散电流（少子电流）硅晶体管的反向电流：势垒区的产生电流（因为势垒区的产生电流是由势垒区中的复合中心提供的）多子电流,XmC：集电结势垒区宽度,：晶体管的发射效率,IEB0,集电极开路（IC=0）时，发射极-基极的反向电流,锗晶体管 硅晶体管的IEB0完全与ICB0类似,I：晶体管反向工作时的发射效率,XmE:发射结势垒区宽度,注意 晶体管的反向扩散电流和势垒区的产生电流是很小的。引起反向电流过大的原因往往是表面漏电流太大。因此，在生产过程中，搞好表面清洁处理及工艺规范是减小反向电流的关键。,ICE0,基极开路（IB=0）时，集电

19、极-发射极之间反向电流,：共射极电流放大系数 说明 要减小ICE0，必须减小ICB0。电流放大系数不要追求过高（因为ICE0太大，会影响晶体管工作的稳定性）,3.4 晶体管的击穿电压,晶体管的击穿电压是晶体管的 另一个重要参数 晶体管承受电压的上限 击穿电压有 BVEB0 BVCB0 BVCE0,BVEB0和BVCB0,BVEB0：集电极开路时，发射极与基极间的击穿电压，由发射结的雪崩击穿电压决定。对于平面管，由于发射结由两次扩散形成，在表面处结两边杂质浓度最高，因而雪崩击穿电压在结侧面最低，BVEB0由基区扩散层表面杂质浓度NBs决定，所以BVEB0只有几伏。,硬击穿（图中曲线甲）：BVCB

20、0：集电结的雪崩击穿电压VB 软击穿（图中曲线乙）：BVCB0比VB低,BVCB0：发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压，一般为集电结的雪崩击穿电压。,BVCE0,BVCE0 基极开路时，集电极与发射极 之间的击穿电压。BVCE0与BVCB0之间满足以下关系,n：常数 集电结低掺杂区为N型时，硅管n=4，锗管n=3 集电结低掺杂区为P型时，硅管n=2，锗管n=6 因为大于1，所以，BVCE0 BVCB0。,BVCE0测试的电路图,测试时经常可以看到如图所示的负阻击穿现象。（当VC达到BVCE0时发生击穿，击穿后电流上升，电压却反而降低。）,谷值电压VSUS维持电压,发射结电流集边效应,当电流

21、流过基区时，将产生平行于结面的横向压降，使发射结偏压从边缘到中心逐渐减小，从而导致发射极电流从边缘到中心逐渐减小。,3.5 晶体管的基极电阻,在直流运用中，对晶体管基本上没有影响。在交流运用中，基极电阻将产生电压反馈，因而影响晶体管的功率特性和频率特性。因此，在晶体管设计时，要尽可能减小基极电阻。,基极电阻的危害,晶体管基极电流IB的方向平行于结平面，是一股横向多子电流，如图所示。基区存在一定的电阻（基极电阻），用rb表示。,基极电阻的特点和计算方法,特点 流过基极电阻的电流是不均匀的，产生的压降也是不均匀的。计算方法 一般用平均电压法或平均功率法来计算。,典型图形,基极电阻主要取决于晶体管的

22、图形、尺寸和基区方块电阻。下面分别讨论两种典型图形的基极电阻。梳状晶体管的基极电阻 圆形晶体管的基极电阻,梳状晶体管的相关参数,具有一条发射极、两条基极的梳状晶体管单元。发射极条长le，条宽se，基区宽度Wb，基极金属电极条宽sb，基极与发射极间距离seb。基极电阻由四部分组成：r b1 发射区下面的电阻 r b2 发射极与基极间的电阻 r b3 基极金属电极下面部分的电阻 Rcon 基极金属电极与半导体的欧姆接触电阻,各部分电阻表达式,Rc 金属与半导体欧姆接触系数,梳状晶体管的基极电阻,每一个单元的基极电阻,具有n条发射极的梳状晶体管的基极电阻,减小基极电阻的途径,在不影响晶体管发射效率的情况下，尽可能提高基区杂质浓度，减小方块电阻RB；尽可能减小宽长比；发射极条尽可能多，即n大；做好欧姆接触，减小欧姆电阻Rcon。,圆形晶体管的相关参数,如图，圆形晶体管的管芯结构。r1发射结半径，r2基极半径。基极电阻包括三部分 r b1 发射极下面部分的基极电阻 r b2 发射极外部的基极电阻 Rcon 基极欧姆接触电阻,圆形晶体管的管芯结构示意图,各部分电阻表达式,AMb 基极面积,圆形晶体管基极电阻,