第一章 半导体器件2

11结构双极型晶体管的原理结构如图2–1(a)所示。由图可见，组成晶体管的三层杂质半导体是N型—P型—N型结构，所以称为NPN管。由两个靠得很近且背靠背的PN结组成。三个中性区：发射区三个电极：发射极基区基极集电区集电极两个结：发射结——发射区与基区之间的PN结。简称e结。集电结——集电区与基区之间的PN结。简称c结。2P集电极基极发射极集电结发射结发射区集电区(a)NPNcebPNPcebb基区ec(b)N＋衬底N型外延PN＋cebSiO2绝缘层集电结基区发射区发射结集电区(c)NN图2–1(a)NPN管的示意图；(b)电路符号；(c)平面管结构剖面图3为了实现控制和放大作用，具有决定意义的一点是晶体管的三个区在结构尺寸和掺杂浓度上有很大的不同。1、基区很薄，厚度一般只有1—几um，掺杂浓度最低；2、另外两个掺杂区，虽然类型相同，但其中发射区的掺杂浓度远大于集电区。42双极型晶体管中的电流控制作用以NPN型晶体管为例。1、两个PN结均无外加电压两个PN结的载流子运动处于动态平衡状态，净电流为零。图2-2两个PN结均无外加电压52、发射结加正向电压，集电结加反向电压先看发射结的情况6结果：1)发射区向基区注入多子电子，形成发射极电流IE。2)电子在基区的扩散和复合复合形成电流IB’，相当于直流电源的正极将从P区拉走电子，或者说供应空穴，形成注入b极的电流。7再看集电结的情况8结果：3）集电极收集电子发射区发射的总电子数中被集电区收集那一部分对应电流ICN9结论：由e区发射出的电子数（对应于IE）中，只有极少部分有机会在b区与空穴复合（对应于IB’），而其中绝大部分的电子将被反向偏置的集电结的电场吸引（或收集）而到达集电区（对应于ICN）。这三者之间的关系为：CNBEIII104、晶体管各级电流之间的关系以及在电路中的接法（1）晶体管各级电流的基本关系式除了IB’、IE、ICN外，在c结反向电压作用下，b区的少子电子和C区的少子空穴还会形成漂移电流，叫做“集电极反向饱和电流”，ICBO表示。11这样就有：CBOCNCIIICBOBBIIICBCBOBCBOCBCNEII)II()II(III集电极电流为：基极电流为：发射极电流为：上述结果是必然的，满足基尔霍夫定律。对NPN型管，电流方向是：IC和IB分别流入c极和b极，而IE流出e极。如下图所示。箭头表示发射结正偏时的电流方向，从箭头可知，b区是P型半导体，e区是N型半导体。对PNP型管，电流方向是：IC和IB分别流入c极和b极，而IE流出e极。如下图所示。12结论：由e区发射出的电子数（对应于IE）中，只有极少部分有机会在b区与空穴复合（对应于IB’），而其中绝大部分的电子将被反向偏置的集电结的电场吸引（或收集）而到达集电区（对应于ICN）。这三者之间的关系为：CNBEIII3、电流控制作用及其实现条件再一个结构尺寸和掺杂浓度已定的晶体管中，在正常工作条件下，最终被c区收集的电子数在e区发射的总电子数中所占的比例是一定的。用表示这个比例。ECECNIIII/或ECNII因此有：ECNEBI)1(III定义：1IIBCNbIIc/1——表示直流13讨论：1）总是小于1，但由于晶体管结构上的保证，又非常接近于1，一般可达0.95~0.995；2）与对应的值为19~199，换言之，ICN比IB’大很多倍。结论：由于电流之间存在一定的比例关系，因此，可实现电流的控制和放大作用，改变IE可以改变ICN，只要稍稍改变IB’，就可以使ICN有很大的变化。14实现电流控制和放大作用的条件：1.“内因”：三个浓度不同的掺杂区；2.“外因”：外加直流电源的极性必须保证：1）发射结（e结）正偏。对NPN型管，UBE0，使e区向b区注入大量多子电子。对PNP型管，UBE0，使e区向b区注入大量多子空穴。2）集电结（c结）反偏。对NPN型管，UBC0，使c区能够收集来自e区的大部分多子。C结的反向偏置电压越小，这时IE中的ICN减小而IB’增大，即和减小，当UCB=0时，晶体管的电流控制和放大作用就很小了。强调一下：有兴趣的同学可以试一下，e结和c结均反偏会出现什么情况？15（2）晶体管在电路中的接法当把晶体管接入电路时，必然涉及两个回路一个是控制电流（例如IB）所在的输入回路，另一个是受控电流（例如IC）所在的输出回路，每个回路都必须有一个直流电源，使e结正偏，c结反偏，两个电源有四个端点，而晶体管只有三个电极，因此输入回路和输出回路的两个电源总有一个公共端。随着这个公共端所接电极的不同，晶体管在电路中就有三种不同的接法，分别为共基极共发射极共集电极166、共射接法下的电流传输方程式在共射极接法中，IB是自变量，IC和IE是因变量，即把IC和IE用IB表示。CBOCBCBOECI)II(III由前述可知从而得到：CBOBCBOBCI)1(II11I1ICBOI)1(其中，有特殊意义，IB=0时，流经c极和e极之间的电流，叫“穿透电流”。用符号ICEO表示。17CEOBCIIICEOBBCEII)1(III忽略ICEO后，即有BCIIBBCEI)1(III叫做直流共射集—基电流比。185、共基接法中的电流传输方程式在共基极接法中，IE是自变量，IC和IB是因变量，即把IC和IB用IE表示，即CBOECBOCNCIIIIICBOECBOBBII)1(III由于ICBO很小，上面两个式子可简化为：ECBOCNCIIIIECBOBBI)1(III因此，叫做“直流共基集—射电流比”。19由于,都是反映晶体管基区扩散与复合的比例关系，只是选取的参考量不同，所以两者之间必有内在联系。由,的定义可得202晶体管伏安特性曲线是描述晶体管各极电流与极间电压关系的曲线，它是三极管内部载流子运动的外部表现，对于了解晶体管的导电特性非常有用。三极管也是非线性元件，通常用伏安特性曲线对它进行描述。从使用三极管的角度来说，了接三极管的的特性比了解它的内部载流子的运动显得更为重要。在三极管的三种接法中，共发射极接法更具代表性，所以我们主要讨论共发射极伏安特性曲线。212–2–1晶体管共发射极特性曲线因为有两个回路，所以晶体管特性曲线包括输入和输出两组特性曲线。这两组曲线可以在晶体管特性图示仪的屏幕上直接显示出来，也可以用图2–4电路逐点测出。一、共发射极输入特性曲线测量电路见图2–5。共射输入特性曲线是以uCE为参变量时，iB与uBE间的关系曲线，即典型的共发射极输入特性曲线如图2–6所示。常数CEuBEBufi)(22μAmAVViBiCUCCUBBRCRB＋－uBE＋－uCE＋－图2–5共发射极特性曲线测量电路23(1)当UCE=0时，晶体管相当于两个并联的二极管，所以b,e间加正向电压时，iB很大。对应的曲线同二极管的伏安特性曲线，见图2–6。（3）当UCE=1V时，UBE=0.7V（对于正向导通的硅管），所以UCB=UCE-UBE=0.3V，此时c结已由UCE=0V的正向偏置转化为反向偏置，对电子的吸引能力增强，使电子在b区复合的机会减少，因此对应于同一个UBE的IB减小，特性曲线右移见图2–6。(2)当uCE在0~1V之间时，Uce=0.5vUbe=0.7vUbc=Ube-Uce=0.2v则集电结的反偏程度增加，空间电荷区宽度增加，Ib减少，曲线右移。特别在0uCE≤UCE(sat)的范围内，即工作在饱和区时，移动量会更大些24(4)在uCE1V，当UCE从1V继续增大时，对应于同一个UBE，IB继续减小，输入特性曲线将继续右移，但移动不大。因为UCE为1V时，集电结已能把发射区的电子绝大部分吸收到集电区，即使UCE再增加，Ib减少也不明显。因此，工程上把uCE=1V的曲线代替uCE1V的输入特性曲线。(5)当uBE0时，晶体管截止，iB为反向电流。若反向电压超过某一值时，e结也会发生反向击穿。25iB/μAuBE/V060900.50.70.930UCE＝0UCE≥1图2–6共发射极输入特性曲线2627还可以从内部载流子的运动情况来看，当UCE从零逐渐增大时，c结的反向偏置程度增大，空间电荷区的宽度增加，由于b区掺杂浓度最低，C结空间电荷区在b区的宽度要比在c区c区大的多（是个非对称结）。在UCE增大时，原来就极薄的b区实际宽度将随之减小，来自e区的电子在b区的复合减少，IB随之减小。这种由于UCE的变化引起b区实际宽度变化的现象叫做“基区宽度调制效应”.28二、共发射极输出特性曲线共射输出特性曲线是以iB为参变量时，iC与uCE间的关系曲线，即常数BiCECufi)(29典型的共射输出特性曲线如图2–7所示。由图可见，输出特性可以划分为三个区域，对应于三种工作状态。现分别讨论如下。1、放大区进入放大区的条件：e结为正偏，c结为反偏放大区在特性曲线的位置：具体到共射接法时，由于UCE=UCB+UBE，而UBE0.7V,UBC0,因此放大区在IB0，UCE0.7V的区域中.也有把UCE=UBE（UCB=0，c结零偏）的曲线作为放大区左侧的边界。30uCE/V5101501234饱和区截止区IB＝40μA30μA20μA10μA0μAiB＝－ICBO放大区iC/mAuCE＝uBE图2–7共射输出特性曲线31放大区有以下三个特点：(1)基极电流iB对集电极电流iC有很强的控制作用，即iB有很小的变化量ΔIB时，iC就会有很大的变化量ΔIC。为此，用共发射极交流电流放大系数β来表示这种控制能力。β定义为常数EuBCII反映在特性曲线上，为两条不同IB曲线的间隔(2)UCE变化对IC的影响很小。由于基区宽度调制效应，每条曲线也不是完全水平，而是随UCE的增大向上倾斜的。（3）IB=0的曲线相当于b极断开，即IC=ICEO的情况，从这条特性曲线可以估计穿透电流ICEO的大小。322、截止区截止区在特性曲线的位置：IE=0以下的区域为截止区。还有一种说法是IB=0以下的区域为截止区。进入放大区的条件：∵IE=0∴IB´=0，ICN=0而IC=ICN+ICBO，IB=IB´-ICBO，∴IB=-ICBO，IC=ICBO。因此进入截止区的条件为：e结为反偏，c结反偏截止区的特点：IE=IB=IC=0，相当于C和E之间断路。333、饱和区饱和区所在的区域：IB0和UCE0.7V的区域。进入饱和区的条件：∵IB0∴发射结要正偏又∵UBC=UBE-UCE，UBE0.7V，∴UBC0即集电结也要正偏。饱和区的特点：A、UCE小，晶体管C、E之间的电压叫饱和压降，记为Uces，对于小功率管约为0.3V，对于大功率管常达1V。B、IC与UCE有很大的关系。解释如下：∵UBC=UBE－UCE∴UCE小，UCB大，c结正向偏置程度大，c结吸引来自e区多子的能力小，IC小；UCE大，UCB小，c结正向偏置程度小，c结吸引来自e区多子的能力大，IC大。即UCE大，IC大。C、各输出特性曲线的起始部分比较密集。34三、温度对晶体管特性曲线的影响温度对晶体管的uBE、ICBO和β有不容忽视的影响。（1）对输入的影响uBE随温度变化的规律与PN结相同，即温度每升高1℃，uBE减小2~2.5mV。（2）对输出的影响A、温度对和β的影响表现为，和β随温度的升高而增大，变化规律是：温度每升高1℃，β值增大0.5%~1%(即Δβ/βT≈(0.5~1)%/℃)。所以输出特性曲线不仅上移，间距也加大。B、对ICBO、ICEO的影响温度每升高10℃，ICBO增大一倍。因为IC=IB+ICEO，所以温度升高，输出特性曲线上移。352-2-2主要参数和安全工作区一、电流放大系数1共发射极直流电流放大系数和交流电流放大系数β和β数值可以从输出特性曲线上求出。2共基极直流电流放大系数和交