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1、进入夏天,少不了一个热字当头,电扇空调陆续登场,每逢此时,总会进入夏天,少不了一个热字当头,电扇空调陆续登场,每逢此时,总会想起那一把蒲扇。蒲扇,是记忆中的农村,夏季经常用的一件物品。记想起那一把蒲扇。蒲扇,是记忆中的农村,夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡,每逢进入夏天,集市上最常见的便是蒲扇、凉席,不论男女老忆中的故乡,每逢进入夏天,集市上最常见的便是蒲扇、凉席,不论男女老少,个个手持一把,忽闪忽闪个不停,嘴里叨叨着少,个个手持一把,忽闪忽闪个不停,嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”,于是三,于是三五成群,聚在大树下,或站着,或随即坐在石头上,手持那把扇子,边唠嗑五成群,聚在大树下,或站着
2、,或随即坐在石头上,手持那把扇子,边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳,热得满头大汗,不时听到边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳,热得满头大汗,不时听到“强子,别跑强子,别跑了,快来我给你扇扇了,快来我给你扇扇”。孩子们才不听这一套,跑个没完,直到累气喘吁吁,。孩子们才不听这一套,跑个没完,直到累气喘吁吁,这才一跑一踮地围过了,这时母亲总是,好似生气的样子,边扇边训,这才一跑一踮地围过了,这时母亲总是,好似生气的样子,边扇边训,“你你看热的,跑什么?看热的,跑什么?”此时这把蒲扇,是那么凉快,那么的温馨幸福,有母亲此时这把蒲扇,是那么凉快,那么的温馨幸福,有母亲的味道!蒲扇是中国传统工艺品,在我国
3、已有三千年多年的历史。取材的味道!蒲扇是中国传统工艺品,在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树,制作简单,方便携带,且蒲扇的表面光滑,因而,古人常会在上于棕榈树,制作简单,方便携带,且蒲扇的表面光滑,因而,古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名,实即今日的蒲扇,江浙称之为面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名,实即今日的蒲扇,江浙称之为芭蕉扇。六七十年代,人们最常用的就是这种,似圆非圆,轻巧又便宜的蒲芭蕉扇。六七十年代,人们最常用的就是这种,似圆非圆,轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今,我的记忆中,它跨越了半个世纪,也走过了我们的扇。蒲扇流传至今,我的记忆中,它跨越了半个世纪,也走过
4、了我们的半个人生的轨迹,携带着特有的念想,一年年,一天天,流向长长的时间隧半个人生的轨迹,携带着特有的念想,一年年,一天天,流向长长的时间隧道,袅道,袅双极结型晶体管双极结型晶体管 1947.12.231947.12.23日第一只点接触晶体管诞生日第一只点接触晶体管诞生- -Bell Lab.(BardeenBell Lab.(Bardeen、ShockleyShockley、Brattain)Brattain) 1949 1949年提出年提出PNPN结和双极结型晶体管理论结和双极结型晶体管理论- -Bell Lab.(Shockley)Bell Lab.(Shockley)19511951年
5、制造出第一只锗结型晶体管年制造出第一只锗结型晶体管- -Bell Bell Lab.(Shockley) Lab.(Shockley) 195 1956 6年制造出第一只硅结型晶体管年制造出第一只硅结型晶体管- -美德州美德州仪器公司(仪器公司(TITI) 19561956年年BardeenBardeen、ShockleyShockley、BrattainBrattain获诺获诺贝尔奖贝尔奖 1956 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管年中国制造出第一只锗结型晶体管- -(吉林大学(吉林大学 高鼎三)高鼎三) 1970 1970年硅平面工艺成熟,双极结型晶体管大年硅平面工艺成熟,双极结型晶
6、体管大批量生产批量生产发展历史发展历史双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 3.2.23.2.2电流分量电流分量 从发射区注入到基区中的电子流。从发射区注入到基区中的电子流。到达集电结的电子流。到达集电结的电子流。 基区注基区注入电子通过基区时复合所引起的复入电子通过基区时复合所引起的复合电流合电流从基区注入到发射区的空穴电流从基区注入到发射区的空穴电流发射结空间电荷区内的复合电流。发射结空间电荷区内
7、的复合电流。集电结反向电流,它包括集电结反集电结反向电流,它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流生电流。 nEInCInCnEIIpEIrgI0CI双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 3.2.23.2.2电流分量电流分量 rgpEnEEIIII(3-2-1) 0CnCnErgpEBIIIIII(3-2-2) 0CnCCIII(3-2-3) 0BCEIII(3-2-4) 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 为描述晶体管的增益特性引进以下物理量 发射极注射效率 (3-2-5) (3-2-7) 基区
8、输运因子 共基极直流电流增益 nEnEEnEpErgIIrIIIITnCTnEIIEccIII0(3-2-6) 3.2.3.3.2.3.电流增益电流增益 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 (3-2-8) (3-2-10) 利用(3-3)式,(3-7)式可以改写成 考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为 TrgpEnEnCIIII0CECIII(3-2-9) CI01CTVVCECIIIe 3.2.3.3.2.3.电流增益电流增益 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 VCB (V) 0 2 4 6 8 10 IC (mA) 2
9、4 6 8 10 mAIE0 10 6 8 4 2 有源区 饱和区 截止区 IC (mA) 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 VCE (V) AIB0 125 75 100 50 25 (a) (b) 图图3-8 3-8 集电结电流集电结电流电压特性:(电压特性:(a a)共基极情形,(共基极情形,(b b)共发射极情形共发射极情形 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 式中定义式中定义 共发射极接法共发射极接法 0CBCCIIII(3-2-11) 0011CEBFECBCIIhIII(3-2-12) 1FEh100CCEII(3-2-13) (3
10、-2-14) 双极结型晶体管双极结型晶体管3.23.2基本工作原理基本工作原理 学习要求学习要求掌握四个概念:发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流掌握四个概念:发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益增益了解典型了解典型BJTBJT的基本结构和工艺过程。的基本结构和工艺过程。掌握掌握BJTBJT的四种工作模式。的四种工作模式。画出画出BJTBJT电流分量示意图,写出各极电流及其相互关系公式。电流分量示意图,写出各极电流及其相互关系公式。分别用能带图和载流子输运的观点解释分别用能带图和载流子输运的观点解释BJTBJT的放大作用。的放大作用。为什么公式(为什么公式(
11、3-3-2-2-9 9)可以写成公式()可以写成公式(3-3-2-2-1010)。)。解释理想解释理想BJTBJT共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。解释理想解释理想BJTBJT共发射极连接正向有源模式下集电极电流与集电极发射极间共发射极连接正向有源模式下集电极电流与集电极发射极间的电压无关的现象。的电压无关的现象。解释理想解释理想BJTBJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输
12、(1)各区杂质都是均匀分布的,因此中性区不存在内建电场;)各区杂质都是均匀分布的,因此中性区不存在内建电场;(2)结是理想的平面结,载流子作一维运动;)结是理想的平面结,载流子作一维运动;(3)横向尺寸远大于基区宽度,并且不考虑边缘效应,所以载流)横向尺寸远大于基区宽度,并且不考虑边缘效应,所以载流 子运动是一维的;子运动是一维的;(4)基区宽度远小于少子扩散长度;)基区宽度远小于少子扩散长度;(5)中性区的电导率足够高,串联电阻可以忽略,偏压加在结空间电荷区上;)中性区的电导率足够高,串联电阻可以忽略,偏压加在结空间电荷区上;(6)发射结面积和集电结面积相等;)发射结面积和集电结面积相等;(
13、7)小注入,等等)小注入,等等 3.3.13.3.1电流传输电流传输 理想晶体管的主要假设及其意义:理想晶体管的主要假设及其意义:双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输adNN x EW 0 Bx Cx 图 3-10 各区均匀掺杂NPN晶体管的杂质分布 Ex 3.3.13.3.1电流传输电流传输 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输边界条件为:边界条件为: 中性基区(中性基区(0 0 )少子电子分布及其电流)少子电子分布及其电流: xBx nBnBVVpppLxLxxe
14、nnxnTEsinhsinh100nBnVVpLxLxenTCsinhsinh100022npppnnndxndD(3-3-1) TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0(3-3-2) (3-3-4) 3.3.13.3.1电流传输电流传输 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输1.1.电子电流电子电流 (3-3-5)(3-3-6) 0 xpnnEdxxdnqADI1sinh110TCTEVVnBVVnBnpnnEeLxeLxcthLnDqAI)( BxxpnnCdxxdnqADI0111sinh()CTETnpVVVVBBn
15、nnD nxqAecthexLLL 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输2.2.发射区少子空穴分布及其电流:发射区少子空穴分布及其电流: 边界条件:边界条件: (3-3-7-3-3-10) (3-3-11) TEVVEEEepWp00EEEpxp pEEEpEEVVEEELWxLxxeppxpTEsinhsinh1000CTVVCCCpxp e 0CCpp 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输 若若 ,(,(3-233-23a a)式可以写作:式可以写作: (3-3-
16、12) (3-3-13) ExpEL EVVEEExxeppxpTE1100空穴电流为:空穴电流为:12TEVVEdEipEexNnqAD 0011EETVVEEEEExxpxppexW1ETEOVVpEEpEEPIWqADex 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.集电区少子空穴分布及其电流集电区少子空穴分布及其电流 边界条件:边界条件: (3-3-14) (3-3-16) TCVVCCCepxp0 0CCpp pCCTCLxxVVCCCeeppxp100 01CpCCTx xLVVCpCpCpCpIxqADeeL2()/
17、1CpcCTx xLVVipCdCpCnqADeeNL(3-3-15) 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.23.3.2正向有源模式正向有源模式1.1.少数载流子分布少数载流子分布 nBnpnBnBVVpppLxLxnLxLxxennxnTEsinhsinhsinhsinh1000(3-27a) 在在 的情的情况况下,(下,(3-273-27a a)式式简简化化 nBLx BVVppxxenxnTE10(3-27b) 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输图图3
18、-11 3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布 正向有源模式下少数载流子分布曲线正向有源模式下少数载流子分布曲线双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输3.3.电流分量电流分量 1)1)发射区和收集区电子电流发射区和收集区电子电流: (3-3-18) 10TEVVnBnpnnEeLxcthLnqADI1csc0TEVVnBnpnnCeLxhLnqADI(3-3-19) nBTLxhsec(3-3-20) 若若 BxnL12TEVVBainnEexNnqADI(3-3-21) 22211n
19、BTLx(3-3-22) 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输2)2)发射区和收集区发射区和收集区空穴电流空穴电流 (3-3-23) 3 3)正偏压发射结空间电荷区复合电流:)正偏压发射结空间电荷区复合电流: (3-3-24) 12TEVVEdEipEpEexNnqADI20CipCpCpCpCdCpCpnIqADqADLNL /202ETVViEREqAnWIe 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输(3-3-25) (3-3-26) rgnCnEpEBIIIIITE
20、VVBeI2220(1)22ETETVVVVnBPEEidEEaniD xDWqAneeNxN Ln 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输4.4.晶体管的输出特性曲线晶体管的输出特性曲线 图图3-12 3-12 NPN NPN 晶体管的静态电流晶体管的静态电流电压特性电压特性 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输5.5.共发射极电流增益共发射极电流增益 CBFEIIh1CrgCnCnECpEFEIIIIIIIh1(3-3-27) TEVVinEBanBnEdEpEBa
21、FEenDWxNLxDxNDxNh2022122双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输共发射极电流增益与工作电流的关系共发射极电流增益与工作电流的关系 图3-13 电流增益对集电结电流的依赖关系 10-9 10-1 10-7 10-5 10-3 102 101 100 10-1 hFE AIC 双极结型晶体管双极结型晶体管3.33.3理想双极结型晶体管中的电流传输理想双极结型晶体管中的电流传输学习要求学习要求导出基区输运因子表达式导出基区输运因子表达式理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义
22、。写出发射区、基区、集电区少子满足的扩散方程并解之求出少子分布。写出发射区、基区、集电区少子满足的扩散方程并解之求出少子分布。掌握公式(掌握公式(3-3-3-63-6)、()、(3-3-3-73-7)。这两个公式有什么样的对称关系?)。这两个公式有什么样的对称关系?掌握正向有源模式基区输运因子公式。掌握正向有源模式基区输运因子公式。掌握正向有源模式基区电子电流公式(掌握正向有源模式基区电子电流公式(3-3-3-13-18 8)、()、(3-3-13-3-19 9)、()、(3-33-3- -2 21 1)。)。解释图解释图3-123-12、图、图3-133-13。双极结型晶体管双极结型晶体管3
23、.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极晶体管有四种工作模式,取决于发射结和集电结的偏置状况。(1)(1)正向有源工作模式:正向有源工作模式: 0, 0 EVCV TEVVppenn00 0Bpxn(2)(2)反向有源工作模式:反向有源工作模式: 0 EVCV 00 pnTCVVpBpenxn0(3)(3)饱和工作模式:饱和工作模式: 0 0, 0 0EVCV TEVVppenn00 TCVVpBpenxn0(4) 截止工作模式截止工作模式: 0 0, 0 0EVCV 00Bppxnn3.4.13.4.1工作模式和少子分布工作模式和少子分布基区少子满足的边界条件为相应的边界条件为: 相
24、应的边界条件为: 相应的边界条件为:双极结型晶体管双极结型晶体管3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程此外此外, 0EEEpxpTEVVEEEePWP0 0CCpp0正向有源饱 和截 止反向有源图图3-14 晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布/()0CTVVCCCP xP e双极结型晶体管双极结型晶体管对于 的情形(3-3-5)简化为:3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程(在电路分析中,不考虑(3-3-5)式和(3-3-13)式中的负号)。0111sinhCTETnpVVVVBnEnnBnD nxIqActheeLLxL()2
25、1ETVVipEdEEnqADeNxpEEIWnBLx 211CTETVVVVninEaBqAD nIeeN x(3-3-59) (3-3-13) 3.4.23.4.2 爱伯斯爱伯斯莫尔(莫尔(Ebers-MollEbers-Moll)方程)方程 发射极注入到基极的电子电流为:基极注入到发射极的空穴电流为:双极结型晶体管双极结型晶体管暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流,则暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流,则nEpEEIII111211TCTEVVVVeaea(3-4-8) EdEpEBanixNDxNDqAna211BainxNnqADa212用类似的方法得到用类似的方法
26、得到112221TCTEVVVVCeaeaI其中其中 BainxNnqADa221pCdCpCBaniLNDxNDqAna222(3-4-9) (3-4-10) (3-4-11) (3-40(3-40)和()和(3-423-42)称为爱伯斯)称为爱伯斯莫尔方程,简称为莫尔方程,简称为 E-M E-M 方程方程。 2112aa3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程式中式中双极结型晶体管双极结型晶体管爱伯斯爱伯斯莫尔模型的等效电路图莫尔模型的等效电路图(a) 图3-15 Ebers-Moll 模型 (a)NPN一维晶体管,(b)将晶体管表示为有公共区域的背靠背连接的二极管,(c)Ebers
27、-Moll 模型等效电路(c)F叫做正向共基极电流增益。R 叫做反向共基极电流增益。3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管根据图3-14C可以写出10TEVVFFeII10TCVVRReII(3-4-1) (3-4-2) 其中其中0FI和和0RI分别为两个二极管反向饱和电流分别为两个二极管反向饱和电流。端电流为端电流为:RRFEIIIRFFCIII(3-4-3) (3-4-4) 联立(3-443-44),(),(3-453-45),(),(3-463-46)和(3-473-47)式得到1100TCTEVVRRVVFEeIeII1100TCTEVVRVVFFC
28、eIeII(3-4-5) (3-4-6) (3-483-48)和()和(3-493-49)式即)式即为为E-ME-M方程方程3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管将(将(3-4-8)式与()式与(3-4-5)式比较,()式比较,(3-4-10)式与()式与(3-4-6)式比较,)式比较,得到得到(3-4-12) 022021012011RFFRRFIaIaIaIa由于由于 2112aa有有 00FFRRII(3-4-133-4-13)式称为互易关系)式称为互易关系。(3-4-13) 3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管
29、以上讨论的以上讨论的E-ME-M方程,只是一种非线性直流模型,方程,只是一种非线性直流模型,通常将它记为通常将它记为 模型。在模型。在 模型的基础上模型的基础上计及非线性电荷贮存效应和欧姆电阻,就构成第二级计及非线性电荷贮存效应和欧姆电阻,就构成第二级复杂程度的复杂程度的 模型。第三级复杂程度的模型。第三级复杂程度的 模型则还包括多种二级效应,如基区宽度调制,基区模型则还包括多种二级效应,如基区宽度调制,基区展宽效应以及器件参数随温度的变化等等。展宽效应以及器件参数随温度的变化等等。 1ME 1ME 2ME 3ME 3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程双极结型晶体管双极结型晶体管 了
30、解了解E EM M方程中四个参数的物理意义方程中四个参数的物理意义 根据根据E EM M方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。1100TCTEVVRRVVFEeIeII1100TCTEVVRVVFFCeIeII(3-4-5) (3-4-6) 3.43.4爱伯斯爱伯斯- -莫尔方程莫尔方程学习要求学习要求理解并记忆理解并记忆BJTBJT四种工作模式下的少子分布边界条件四种工作模式下的少子分布边界条件画出画出BJTBJT四种工作模式下少子分布示意图。四种工作模式下少子分布示意图。理解写出方程(理解写出方程(3-4-103-4-10)的根据。
31、)的根据。根据爱拜耳斯根据爱拜耳斯莫尔模型的等效电路图导出莫尔模型的等效电路图导出E EM M方程方程双极结型晶体管双极结型晶体管3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管 均匀基区晶体管:均匀基区晶体管:基区掺基区掺杂为均匀分布。少子在基区主杂为均匀分布。少子在基区主要作扩散运动,又称为要作扩散运动,又称为 扩散晶扩散晶体管。体管。 1. 2N38661. 2N3866晶体管的杂质分布:晶体管的杂质分布:距离x (m)图3-16 2N3866晶体管的杂质分布 缓变基区晶体管:缓变基区晶体管:基基区掺杂近似为指数分布,区掺杂近似为指数分布,少子在基区主要作漂移运少子在基区主要作漂移运动,又称为动
32、,又称为 漂移晶体管。漂移晶体管。双极结型晶体管双极结型晶体管3.3.基区少子分布基区少子分布 dxxdNxNVaaT(3-5-1) dxNNqADIxnBxxaannp(3-5-4) 式(式(3-563-56)中负号表示电流沿)中负号表示电流沿x x方向。方向。4.4.电子电流电子电流TEBVVxainnedxNnqADI02(3-5-5) 3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管2.2.基区的缓变杂质分布,引起内建电场基区的缓变杂质分布,引起内建电场这个电场沿着杂质浓度增加的方向,有助于电子在大部分基区范围内这个电场沿着杂质浓度增加的方向,有助于电子在大部分基区范围内输运。这时电子通过扩散
33、和漂移越过基区薄层,致使输运因子增加。输运。这时电子通过扩散和漂移越过基区薄层,致使输运因子增加。双极结型晶体管双极结型晶体管把整个基区复合电流取为把整个基区复合电流取为(3-57) (3-58) 0BxrgpnqAInx dx 根据基区输运因子的定义根据基区输运因子的定义 11/1/nTrgnnrgrgnIIIIIII 01BxpnnqAnx dxI 把式(把式(3-553-55)代入式()代入式(3-583-58)并使用)并使用,便得到,便得到 2nnnLDBBxxxaanTdxdxNNL02111(3-59) 3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管5.5.基区输运因子基区输运因子对于均
34、匀基区,(3-58)式化简为(3-32)式。 22211nBTLx双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求 1.1.导出缓变基区晶体管基区内建电场公式(导出缓变基区晶体管基区内建电场公式(3-5-13-5-1)。)。 2.2.导出少子分布公式(导出少子分布公式(3-5-43-5-4)。)。 3.3.导出电流公式(导出电流公式(3-55-53-55-5)。)。 4 4 比较基区输运因子公式(比较基区输运因子公式(3-5-83-5-8)与均匀掺杂的基区输运因子公式()与均匀掺杂的基区输运因子公式(3-3-23-3-22 2)。)。 5.5.扩展知识:导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴
35、电流分布表扩展知识:导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电流分布表达式(考研参考)。达式(考研参考)。 3.53.5缓变基区晶体管缓变基区晶体管双极结型晶体管双极结型晶体管 如果把基极电流如果把基极电流 IB 从基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的电压从基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的电压降,当作是由一个电阻产生的,则称这个电阻为基极扩展电阻,用降,当作是由一个电阻产生的,则称这个电阻为基极扩展电阻,用 rbb 表示。表示。由于基区很薄,由于基区很薄,rbb 的截面积很小,使的截面积很小,使 rbb 的数值相当可观,对晶体管的特性会的数值相当可观,对晶体管的特性会产生明显的
36、影响。产生明显的影响。 工作基区:指正对着发射区下方的在工作基区:指正对着发射区下方的在 WB 范围内的基区,也称为范围内的基区,也称为 有源基区有源基区 或或 内内基区基区 。 非工作基区:指在发射区下方以外从非工作基区:指在发射区下方以外从表面到表面到 xjc 处的基区,也称为处的基区,也称为 无源基区无源基区 或或 外基区外基区 。3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚1.1.基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚 双极结型晶体管双极结型晶体管3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚有源电阻和无源电阻有源电阻和无源电阻 图3-17 基区中的横向基极
37、电流和欧姆电压降,导致在发射结中,边缘 处有最大正向偏压1.1.基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚 电流集聚效应:电流集聚效应: 少数载流子的注入从基区少数载流子的注入从基区边缘起随着向内的深度而下降。边缘起随着向内的深度而下降。非均匀载流子的注入使得沿着非均匀载流子的注入使得沿着发射结出现非均匀的电流分布。发射结出现非均匀的电流分布。造成在靠近边缘处有更高的电造成在靠近边缘处有更高的电流密度,这种现象称为电流集流密度,这种现象称为电流集聚效应聚效应双极结型晶体管双极结型晶体管2.中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图 图3-18 中功率双极
38、晶体管指状交叉图形的俯视图3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚分析:交叉指状电极能有效克服电流集聚效应?双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求 了解了解BJTBJT基极扩展电阻和电流集聚效应基极扩展电阻和电流集聚效应。 掌握有源电阻、无源电阻、基区扩展电阻和电流集聚的概念。掌握有源电阻、无源电阻、基区扩展电阻和电流集聚的概念。 为什么交叉指状电极能有效克服电流集聚效应为什么交叉指状电极能有效克服电流集聚效应。 3.63.6基区扩展电阻和电流集聚基区扩展电阻和电流集聚双极结型晶体管双极结型晶体管3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应 0011CCBFEBCEIII
39、h II 1.1.问题的提出问题的提出在共发射极电路正向有源模式下,对于给定的基极电流,集电极电流应当与集电极电在共发射极电路正向有源模式下,对于给定的基极电流,集电极电流应当与集电极电压无关。图压无关。图3-8(b)3-8(b)中的曲线斜率应为零。但图中的曲线斜率应为零。但图3-8(b)3-8(b)中的电流却随集电极电压的增加中的电流却随集电极电压的增加而增加。这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应,也称为而增加。这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应,也称为EarlyEarly效应。效应。图图3-8 3-8 集集电结电电结电流流电压电压特性:(特性:(a a)共基)共基极极情形,(情形,(
40、b b)共)共发发射射极极情形情形双极结型晶体管双极结型晶体管前面的讨论中默认有效基区宽度是前面的讨论中默认有效基区宽度是 不变的,实际上不变的,实际上 是集电结偏压的函数。是集电结偏压的函数。BxBx222111BnTTTTFExLh(3-60) 共发射极电流增益正比于共发射极电流增益正比于 ,当,当 增加时,集电结空间电荷区展宽,使增加时,集电结空间电荷区展宽,使有效基区宽度有效基区宽度 减小,如图减小,如图3-213-21所示。所示。 减小使减小使 增加,从而集电极增加,从而集电极电流电流 将随的将随的 增加而增加。增加而增加。 2BxCEVBxBxFEhCICEV3.73.7基区宽度调
41、变效应基区宽度调变效应2.2.基区宽度调变效应的分析:基区宽度调变效应的分析:FEh的变化:的变化:1)双极结型晶体管双极结型晶体管 2 2) 的变化:的变化: (3-61) 0CEICOFECCEIhII1100可见可见 也将随也将随 增加而增加,呈现出不饱和特性,如图增加而增加,呈现出不饱和特性,如图3-21b3-21b所示。所示。综合综合1 1),),2 2) 随随 的增加而增加。这就是的增加而增加。这就是EarlyEarly效应。效应。0CEICEVCICEV3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应双极结型晶体管双极结型晶体管3.基区宽度减小使少子浓度梯度增加:基区宽度减小使少子浓
42、度梯度增加: 图图3-21 3-21 晶体管中的少数载流子分布晶体管中的少数载流子分布(a)(a)有源区工作,有源区工作, = =常数,常数, 改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化(b) (b) 和和 对应的基区少数载流子分布对应的基区少数载流子分布EBVCBV0CBICEOI3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应双极结型晶体管双极结型晶体管设设NPNNPN双极结型晶体管有效基区边界分别为双极结型晶体管有效基区边界分别为0 0和和 。在下列三种边界条件下解扩散方程。在下列三种边界条件下解扩散方程求少子分布和电流分布。讨论三种边界条件下电流的大小
43、。求少子分布和电流分布。讨论三种边界条件下电流的大小。 根据所得结果得出结论:当根据所得结果得出结论:当 增加时,集电结空间电荷区展宽,使有效基区宽度减增加时,集电结空间电荷区展宽,使有效基区宽度减小,基区宽度小,基区宽度 减小减小,使少子浓度梯度增加因使少子浓度梯度增加因 而增加。而增加。Bx/00(0),()0;(0),()0;0(0),()0.ETVVpppBpppBppBnn enxnnnxdnxnxdx正偏发射结零偏发射结发射极开路CEVBxCI3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应4.4.扩展知识(考研参考):扩展知识(考研参考):双极结型晶体管双极结型晶体管学习要求学习要求
44、 解释基区宽度调变效解释基区宽度调变效应应推导推导 随随 的变化的变化BxFEh从基区宽度减小使少子浓度梯度增加因而从基区宽度减小使少子浓度梯度增加因而 增加的角度定量解增加的角度定量解释基区宽度调变效应(扩展知识考研参考)。释基区宽度调变效应(扩展知识考研参考)。 CI3.73.7基区宽度调变效应基区宽度调变效应推导推导 随随 的变化的变化BxCEOI双极结型晶体管双极结型晶体管3.83.8晶体管的频率响应晶体管的频率响应2.电流增益与频率的关系称为晶电流增益与频率的关系称为晶体管的频率响应:体管的频率响应:常数CBVECdIdI常数CEVBCfedIdIh图图3-22 3-22 电流增益作
45、为频率的函数电流增益作为频率的函数1.小小信信号的共基极和共发射极电流增益定义为:号的共基极和共发射极电流增益定义为:双极结型晶体管双极结型晶体管共基极截止频率共基极截止频率 : 的大小下降为的大小下降为0.707 0.707 (即(即 的模量的平方等于的模量的平方等于 的一半或者说下降的一半或者说下降3dB3dB)时的频率。)时的频率。00共发射极截止频率共发射极截止频率 : 的大小下降为的大小下降为0.707 0.707 (下降(下降3dB3dB)时的)时的频率。频率。 和和 也称为也称为3dB3dB频率。频率。fehFEh增益增益 带宽乘积带宽乘积 ,它是,它是 的模量变为的模量变为1
46、1时的频率,也叫做特征频率。时的频率,也叫做特征频率。 相对频率的曲线的斜率为相对频率的曲线的斜率为20dB/20dB/十进位,它可用下式来描述十进位,它可用下式来描述Tfehj10(3-62) 可见在可见在 , 的大小为的大小为0.7070.7070相对频率的曲线的斜率为相对频率的曲线的斜率为20dB/20dB/十进位,在十进位,在 时时 的大小下降的大小下降 3dB3dB,因而也称因而也称 为为3dB3dB频率。频率。3.83.8晶体管的频率响应晶体管的频率响应图中的各种频率定义为图中的各种频率定义为:双极结型晶体管双极结型晶体管利用利用 和和 之间的关系求得之间的关系求得fehjhhFE
47、fe11(3-63) 式中式中 01T是是模量为模量为1 1时的频率,由(时的频率,由(3-633-63)式,取)式,取 , 有,有,T1feh12FEThFEh(3-65) 由于是晶体管共射极接法工作的截止频率即带宽,故是晶体管共射极接法工作的截止频率即带宽,故T称为增益带宽乘积称为增益带宽乘积。3.83.8晶体管的频率响应晶体管的频率响应双极结型晶体管双极结型晶体管低得多,但增益带宽之积接近低得多,但增益带宽之积接近于于再由再由 001FEh以上讨论说明共发射极截止频率要比以上讨论说明共发射极截止频率要比3.83.8晶体管的频率响应晶体管的频率响应(3-66) 001T0CCTETE+C+
48、CTCTC的情形,增益的情形,增益带宽乘积为带宽乘积为 (3-86) 22BnFETxDh注意:增益注意:增益带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是完全相同的完全相同的。 3.9混接混接型等效电路型等效电路 双极结型晶体管双极结型晶体管 导出公式(导出公式(3-78)、()、(3-81)、()、(3-84) 。 画出混接画出混接型等效电路。型等效电路。 3.9混接混接型等效电路型等效电路 学习要求学习要求双极结型晶体管双极结型晶体管3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 由图由图3-25b中的电流脉冲驱动,使得晶体
49、管运用于截止区与饱和区中的电流脉冲驱动,使得晶体管运用于截止区与饱和区。图3-25 双极晶体管的开关运用:(a)电路图,(b)基极电流驱动, (c)输出VI 特性,(d)输出电流波形双极结型晶体管双极结型晶体管 在截止状态在截止状态, , 发射结和集电结都处发射结和集电结都处于反偏状态。集电极电流很小于反偏状态。集电极电流很小, ,阻抗很高,阻抗很高,晶体管处于晶体管处于“关关”态。态。 在饱和状态集电极电流很大而且它在饱和状态集电极电流很大而且它的阻抗很低,所以晶体管被认为是的阻抗很低,所以晶体管被认为是“通通”态。态。3.10 3.10 晶体管的开关特性晶体管的开关特性,2 . 0,6 .
50、 0VVVVCEEVVC4 . 0硅晶体管在饱和区硅晶体管在饱和区在饱和状态,集电极电流被负载电阻所限制:在饱和状态,集电极电流被负载电阻所限制:LCECCCCSRsatVVsatII(3-10-2) 双极结型晶体管双极结型晶体管(3-10-8) CCCBAFEFELIsatVIhh R在在“通通”和和“断断”两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的。两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的。 载流子分布不能立刻改变。需要一个过渡时间,称为载流子分布不能立刻改变。需要一个过渡时间,称为开关时间开关时间。集电极电流。集电极电流的典型开关波形示于图的典型开关波形示于图3-253-2