第五章 双极结型三极管及其 放大电路 2019年3月 1
第五章 双极结型三极管及其 放大电路 1 2019年3月
§5-1半导体BJT 的 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. 根据结构不同，BT一般可 分成两种类型：NPN型和 PNP型。 2
§ 5 - 1半导体BJT ❖ 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. 根据结构不同，BJT一般可 分成两种类型：NPN型和 PNP型。 2
NPN型BJT结构 NPN型BT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。 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。 3
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。BT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P结通过很薄的基区联系。 冬在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BT都属于这种结构。 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。 4
发射结 基区 集电结 N N oc 发射极 发射区 1 集电区 集电极 发射区 e b SiO, 绝缘层 b0基极 (a) P 集电结 发射结 N型外延 b b 集电区 基区 Q Q N+衬底 oe c NPN PNP (b) (c) 晶体管的结构与符号 (a)NPN管的示意图；(b)电路符号；(c)平面管结构剖面图 5
5 P 集电极 基 极 发射极 发射结 集电结 发射区 集电区 (a) NPN c e b PNP c e b b 基 区 e c (b) N ＋ 衬 底 N型外延 P N＋ c e b SiO2 绝缘层 集电结 基 区 发射区 发射结 集电区 (c) N N (a)NPN管的示意图；(b)电路符号；(c)平面管结构剖面图
PNP型BJT结构 PNP型BT是由两个PN结的三层半导体制成的，不 过PNP的中间是型半导体，两边是P型半导体。 NPN和PNP型BT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。 c集电极 P 集电区 出三云三 一枭电结 b 基极 区 P 入发结 发对区 c发射极 〔) (b) 6
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。 6
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 N N型IP型 Je N型 发射区基区 集电区 电子流 V ce V。-VE V。+Vcx EE (a) (h) 图3.1.4载流子的传输过程 >
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。 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V。减小 到V。VE,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，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 N J。P N N型p型型 发射区基区 集电区 电子流 V。一VE Vo+Vcc 8
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。 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，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。 9
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。 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V增加到 V。+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 co,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NcBo。 10
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 。 10