第四章 双极结型三极管及放 大电路基础 2010年3月26日
1 第四章 双极结型三极管及放 大电路基础 2010年3月26日
§4-1双极性结型晶体管 BJT(Bipolar Junction Transistor)常称为双极性结型晶体 管，简称晶体管或三极管，它的种类很多： 1. 按照频率分：有高频管、低频管； 2. 按照功率分：有小、中、大功率管； 3. 按照半导体材料分：有硅管、锗管等等。 4. 按类型分：BJT分成两种类型，NPN型和PNP型。 2
2 §4-1 双极性结型晶体管 BJT （Bipolar Junction Transistor）常称为双极性结型晶体 管，简称晶体管 或三极管，它的种类很多: 1. 按照频率分：有高频管、低频管； 2. 按照功率分：有小、中、大功率管； 3. 按照半导体材料分：有硅管、锗管等等。 4. 按类型分：BJT分成两种类型，NPN型和PNP型
NPN型BJT结构 NPN型BJT是由两个PN结，中间是一块很簿的P型半导体（几微 米-几十微米)，两边各为一块N型半导体。 从三块半导体上接出一根引线作为三个电极，分别叫做：发射 极、基极b和集电极c,对应的每块半导体称为发射区、基区和 集电区。 ?发射区比集电区掺的杂质多，集电区的面积比发射区的大，因 此它们不是对称的。 集电极 集电区 集电结 b 基极 基区 N 发射结 发射区 3 发射极
3 NPN型BJT结构 NPN 型BJT是由两个PN结，中间是一块很簿的 P型半导体 (几微 米 -几十微米 )，两边各为一块 N型半导体。 从三块半导体上接出一根引线作为三个电极，分别叫做：发射 极 e 、基极 b 和集电极 c，对应的每块半导体称为发射区、基区和 集电区。 发射区比集电区掺的杂质多，集电区的面积比发射区的大，因 此它们不是对称的
NPN型BJT结构 当两块不同类型的半导体结合在一起时，交界处就会形成PN结。 BJT有两个PN结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集 电区与基区交界处的PN结称为集电结，两个PN结通过很薄的基 区联系。 在N型硅片氧化膜上光刻一个窗口，进行硼杂质扩散，获得P型 基区，再在P型半导体上光刻一窗口，进行高浓度的磷扩散，获 得N型发射区，表面是一层二氧化硅保护层，N型衬底用作集电 极。 大部分NPN型硅BJT都属于这种结构。 4
4 NPN型BJT结构 当两块不同类型的半导体结合在一起时，交界处就会形成PN结。 BJT有两个PN结：发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集 电区与基区交界处的PN结称为集电结，两个PN结通过很薄的基 区联系。 在 N型硅片氧化膜上光刻一个窗口，进行硼杂质扩散，获得 P 型 基区，再在 P型半导体上光刻一窗口，进行高浓度的磷扩散，获 得 N型发射区，表面是一层二氧化硅保护层， N型衬底用作集电 极。 大部分NPN型硅BJT都属于这种结构
PNP型BJT结构 PNP型BJT是由两个PN结的三层半导体制成的，不过PNP的中 间是N型半导体，两边是P型半导体。 NPN和PNP型BJT具有几乎等同的特性，只不过各电极端的电压 极性和电流流向不同。 集电极 P 集电区 巢电结 o 基极 基区 b P 发射结 发射区 e发射极 5 (a） (6)
5 PNP型BJT结构 PNP 型BJT是由两个PN结的三层半导体制成的，不过PNP的中 间是 N型半导体，两边是 P型半导体。 NPN 和PNP 型BJT具有几乎等同的特性，只不过各电极端的电压 极性和电流流向不同
BT的电流分配与放大作用 为了能使发射区发射电子、集电区收集电子，必须具备的条件 是：发射结加正向电压正向偏置)，集电结加反向电压（反向偏 置)，在这些外加电压的条件下，管内载流子的传输将发生下列 过程。 发射结集电结 Je P Je N型JeP型 JeN型 发射区 基区 集电区 电子流 V。-1 EE V。+Vc EE Vo (a) (b) 6 图3.1.4 载流子的传输过程
6 BJT的电流分配与放大作用 为了能使发射区发射电子、集电区收集电子，必须具备的条件 是：发射结加正向电压 (正向偏置 )，集电结加反向电压 (反向偏 置 )，在这些外加电压的条件下，管内载流子的传输将发生下列 过程
发射区向基区注入电子 必 由于发射结外加正向电压，因此发射结势垒由V减小到'。'E, 发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发 射极电流！E,其方向与电子流动方向相反。 基区空穴也扩散到发射区，但由于发射区杂质浓度比基区高得 多（一般高几百倍），与电子流相比，这部分空穴流可忽略不计。 发射结集电结 Je P N N型IJeP型 Je N型 发射区 基区 集电区 电子流 V区 V。一 Vo+Vcc Vo- V ee 7
7 发射区向基区注入电子 由于发射结外加正向电压，因此发射结势垒由 Vo减小到 Vo-VEE， 发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发 射极电流 IE，其方向与电子流动方向相反。 基区空穴也扩散到发射区，但由于发射区杂质浓度比基区高得 多 (一般高几百倍 )，与电子流相比，这部分空穴流可忽略不计
电子在基区中的扩散与复合 发射区的电子注入基区后，在基区靠近发射结的边界积累起 来，形成了浓度梯度，在发射结附近浓度最高，因此，电子就 要向集电结的方向扩散。 在扩散过程中，电子会与基区中的空穴复合，同时接在基区的 电源'EE的正端则不断从基区拉走电子。电子复合的数目与电源 从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。 这样就形成了基极电流！，基极电流就是电子在基区与空穴复合 的电流。 复合越多，到达集电结的电子越少。为了减小复合，常把基区 做得很薄，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过 程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能到达集电结。 8
8 电子在基区中的扩散与复合 发射区的电子注入基区后，在基区靠近发射结的边界积累起 来，形成了浓度梯度，在发射结附近浓度最高，因此，电子就 要向集电结的方向扩散。 在扩散过程中，电子会与基区中的空穴复合，同时接在基区的 电源 VEE的正端则不断从基区拉走电子。电子复合的数目与电源 从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。 这样就形成了基极电流 IB，基极电流就是电子在基区与空穴复合 的电流 。 复合越多，到达集电结的电子越少。为了减小复合，常把基区 做得很薄，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过 程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能到达集电结
集电区收集扩散过来的电子 集电结所加的是反向电压，集电结势垒由V增加到V。+Vc。集电 结势垒很高，使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结， 但这个势垒对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引 力，可使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电 极电流Ic 另一方面，根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基 区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用 下形成反向漂移电流，这部分电流决定于少数载流子浓度，称 为反向饱和电流Ico,它的数值很小，对放大没有贡献，而且受 温度影响很大，容易使管子工作不稳定，所以在制造过程中要 尽量设法减小McBo。 9
9 集电区收集扩散过来的电子 集电结所加的是反向电压，集电结势垒由 Vo增加到 Vo+Vcc。集电 结势垒很高，使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结， 但这个势垒对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引 力，可使电子很快地漂移过集电结为集电区所收集，形成集电 极电流IC 。 另一方面，根据反向PN结的特性，当集电结加反向电压时，基 区中少数载流子电子和集电区中少数载流子空穴在结电场作用 下形成反向漂移电流，这部分电流决定于少数载流子浓度，称 为反向饱和电流 ICBO，它的数值很小，对放大没有贡献，而且受 温度影响很大，容易使管子工作不稳定，所以在制造过程中要 尽量设法减小ICBO
电流分配关糸 发射极的总电流与发射结的电压'E成指数关系 iE=Ise's作-l） 式中V为温度的等效电压kT1q,Is为发射结的反向饱和电流， 它与发射区和基区的掺杂浓度、温度等因素有关，也与发射结的 面积成比例。 集电结收集的电子流是发射结发射的总电子流的一部分，常用一 系数o来表示，即 ic aig i运=ic+ig I-a-B 10
10 电流分配关系 发射极的总电流与发射结的电压 vBE成指数关系 = ( − 1 ) VBE VT E ES i I e / 式中 VT为温度的等效电压kT/ q，IES为发射结的反向饱和电流， 它与发射区和基区的掺杂浓度、温度等因素有关，也与发射结的 面积成比例。 集电结收集的电子流是发射结发射的总电子流的一部分，常用一 系数 α来表示，即 ( ) β α α α α α = − = − = = + = 1 1 E E B C E C B C E i i i i i i i i i