第三章 雙極結(jié)型晶體管

第三章雙極結(jié)型晶體管一名詞概念術(shù)語問題發(fā)射極注射效率：發(fā)射極注射效率定義為即發(fā)射極注入到基極的電子電流在總的發(fā)射極電流中所占的比例.基區(qū)輸運因子：基區(qū)輸運因子定義為即發(fā)射極注入到基極的電子電流中能夠到達集電極的電子電流所占的比例。共基極直流電流增益：共基極直流電流增益為的意義是發(fā)射極注入到基極的電子電流中能夠到達集電極的電子電流在總的發(fā)射極電流中所占的比例。顯然

共發(fā)射極電流增益:

（有時也表示成）叫做共發(fā)射極直流電流增益。共基極截止頻率

:

BJT的交流共基極電流增益下降到的低頻共基極電流增益的0.707時的信號頻率.共發(fā)射極截止頻率

:BJT的交流共發(fā)射極電流增益下降到的低頻共發(fā)射極電流增益的0.707時的信號頻率

.增益

帶寬乘積

:BJT的交流共發(fā)射極電流增益的模量下降到1時的頻率。*BJT的四種工作模式及工作條件答：四種工作模式是(1)正向有源模式：(2)反向有源模式：(3)飽和模式：(4)截止模式：

*畫出能帶圖簡述BJT放大作用答：能帶圖見圖3-6。BJT放大作用：由于發(fā)射結(jié)正偏，勢壘降低，電子將從發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入，空穴將從基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入?；鶇^(qū)出現(xiàn)過量電子，發(fā)射區(qū)出現(xiàn)過量空穴。過量載流子濃度取決于發(fā)射結(jié)偏壓的大小和摻雜濃度。當基區(qū)寬度很?。ㄟh遠小于電子的擴散長度）時，從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子除少部分被復合掉外，其余大部分能到達集電結(jié)耗盡區(qū)邊緣。集電結(jié)處于反向偏壓，集電結(jié)勢壘增加了。來到集電結(jié)的電子被電場掃入集電區(qū)，成為集電極電流。這個注入電子電流遠大于反偏集電結(jié)所提供的反向飽和電流，是集電極電流的主要部分。如果在集電極回路中接入適當?shù)呢撦d就可以實現(xiàn)信號放大.

*寫出BJT的少子邊界條件并畫出少子分布示意圖答：正向有源工作模式：基區(qū)少子滿足的邊界條件為反向有源工作模式：相應的邊界條件為

飽和工作模式：相應的邊界條件為截止工作模式：相應的邊界條件為此外，

四種工作模式及相應的少子分布示于圖3-14中。Vc0正向有源飽和截止反向有源圖3-14晶體管四種不同工作模式對應的少數(shù)載流子分布*電流增益隨集電極電流的變化。答：圖為電流增益隨集電極電流變化的曲線。當集電極電流大于10mA時，開始平直，然后隨著電流的進一步增加而減小。高電流時增益的下降是由于注入的少數(shù)載流子密度(電子)變得和基區(qū)中的多數(shù)載流子（空穴）可比擬，這使得在發(fā)射結(jié)電流中由基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入的那一部分空穴電流增加，致使發(fā)射極效率降低和的下落。這是大注入情況，這一節(jié)中所求得的公式不再能夠應用。在集電極電流小于10mA時，隨集電極電流減小而減小。這是由于在小工作電流區(qū)基區(qū)復合電流大同時基區(qū)表面復合電流也顯得突出。10-910-110-710-510-310210110010-1hFE圖3-13電流增益對集電結(jié)電流的依賴關(guān)系*電流集聚效應：基極電流是多數(shù)載流子電流，它的流動方向垂直于由發(fā)射極注入的少數(shù)載流子電流。如圖3-17所示，這種基極電流在無源和有源的基區(qū)都要產(chǎn)生橫向的電位降。電位降減少了加在發(fā)射結(jié)上的正向偏壓。在靠近接觸的邊緣處正偏壓比有源區(qū)中心處的大。結(jié)果是，少數(shù)載流子的注入從基區(qū)邊緣起隨著向內(nèi)的深度而下降。非均勻載流子的注入使得沿著發(fā)射結(jié)出現(xiàn)非均勻的電流分布。造成在靠近邊緣處有更高的電流密度，這種現(xiàn)象稱為電流集聚效應。*基區(qū)寬度調(diào)變效應：根據(jù)式（3-12），在共發(fā)射極電路中，在時，對于給定的基極電流，集電極電流應當與無關(guān)。曲線斜率應為零。但卻隨的增加而增加。這種現(xiàn)象叫做晶體管的基區(qū)寬度調(diào)變效應，也稱為Early效應。*科爾克（Kirk）效應

在平面型外延晶體管中，外延層的摻雜濃度低于基區(qū)摻雜濃度。因而，集電結(jié)耗盡層大部分向外延層內(nèi)擴展，由于耗盡層含有正電荷的固定離子。當發(fā)射極電流增加時，大量注入電子抵達集電結(jié)，中和了這些荷正電的離子，形成一中性區(qū)。從而，使集電結(jié)的位置離開發(fā)射結(jié)更遠。當發(fā)射極電流很高時，有效基區(qū)寬度變寬即移到，在的區(qū)域之內(nèi)，電場很小，電子通過擴散機制輸運。結(jié)果使變得很大，引起下降。這種效應稱為科爾克效應。*畫出空間電荷示意圖和能帶圖解釋穿通擊穿現(xiàn)象若在發(fā)生雪崩擊穿之前集電結(jié)的空間電荷層到達了發(fā)射結(jié)，則晶體管穿通。一個晶體管的空間電荷及能帶分布示于圖(3-28)中。在這種條件下，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)被連接成好象一個連續(xù)的空間電荷區(qū)，使發(fā)射結(jié)處的勢壘被穿通時的集電結(jié)電壓降低了。結(jié)果是，使得大的發(fā)射極電流得以在晶體管當中流過并發(fā)生擊穿。這種現(xiàn)象叫做基區(qū)穿通。二重要推導導出NPN緩變基區(qū)晶體管:1）.基區(qū)的緩變雜質(zhì)分布引入的自建電場：2）.基區(qū)內(nèi)電子分布：3）.電流：4）.基區(qū)輸運因子：（3-55）（3-56）解:1）.由2）.由和并利用愛因斯坦關(guān)系得到下列方程：將式（2）的兩邊乘以并對從到積分，得到在大多數(shù)實際的平面晶體管中，基區(qū)復合是可以忽略的，因此在（3）式中取為常數(shù)。對于正向有源模式，把邊界條件代入（3）式，得到基區(qū)內(nèi)電子分布有及

(1)（2）（3）（4）3）.在處利用，并用，，得到＝求得4）.把整個基區(qū)復合電流取為這樣，根據(jù)基區(qū)輸運因子的定義便得到式中采用了以下近似：對于y

1，有。把式（4）代入式（6）并使用，便得到（5）（7）2．利用和之間的關(guān)系證明：式中證明：

3．根據(jù)基區(qū)電荷控制方程導出：解：在（2-107）式中，用代替（0），用代替，并用代替，便得到正常有源模式的基區(qū)電荷控制方程

在穩(wěn)態(tài)條件下，依賴于時間的項取為零?；鶚O電流可表示為（3-63）其中：把使晶體管進入飽和的基極電流表示成，當進入飽和時，總電荷為，電荷控制方程變?yōu)槭街袨檫^量的電荷存貯量，為與去除相關(guān)的時間常數(shù)。當突然把基極電流從改變到時過量電荷開始減少，但有源電荷在和之間保持不變。于是在這段時間內(nèi)可以令（1）以及（2）于是有：或

（3）（3）式即貯存電荷所滿足的微分方程。在時，令方程（1）中的時間依賴項為零，并利用（2）式得到過量電荷為：這是方程（3）的初始條件。方程（3）的解為：在時，全部過量少數(shù)載流子被去除掉，。因此求得4．導出基區(qū)穿通電壓基區(qū)穿通時取BC結(jié)空間電荷區(qū)向基區(qū)擴展的寬度近似為冶金結(jié)寬度

，忽略BE結(jié)在零偏和正偏時的SCR寬度，則

（4）

（5）（6）（見習題2.5）擊穿時，則

科爾克（Kirk）效應在平面型外延晶體管中，外延層的摻雜濃度低于基區(qū)摻雜濃度。因而，集電結(jié)耗盡層大部分向外延層內(nèi)擴展，由于耗盡層含有正電荷的固定離子。當發(fā)射極電流增加時，大量注入電子抵達集電結(jié)，中和了這些荷正電的離子，形成一中性區(qū)。從而，使集電結(jié)的位置離開發(fā)射結(jié)更遠。當發(fā)射極電流很高時，有效基區(qū)寬度變寬即移到，在的區(qū)域之內(nèi)，電場很小，電子通過擴散機制輸運。結(jié)果使變得很大，引起下降。這種效應稱為科爾克效應。三重要圖表

圖3.3、3.6、3.7、3.13、3.14、3.23、3.28.四重要習題

3–6．證明在有源區(qū)晶體管發(fā)射極電流–電壓特性可用下式表示其中為集電極開路時發(fā)射結(jié)反向飽和電流(即時的發(fā)射極電流)。提示：首先由EM方程導出解；由EM方程

令(2)式,則代入(1)式且令及,得:同樣令(1)式(1)(2)(3)得:

（4）把(3)式代入代入(1)式,在正向有源模式下且計及發(fā)射結(jié)SCR復