半导体器件原理-第三章.1.ppt
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* 第三章 双极结型晶体管 双极型晶体管的结构示意图和电路符号: N N N P P P E E E E B B B B C C C C 加在各PN 结上的电压为: PNP 管: NPN管: 根据两个结上电压的正负,晶体管可有 4 种工作状态: E 结 + + - - 工 作 状 态 放大状态,用于模拟电路 饱和状态,用于数字电路 截止状态,用于数字电路 倒向放大状态 C 结 - + - + 晶体管在 4 种工作状态下的少子分布图: 放大状态: 饱和状态: 截止状态: 倒向放大状态: NPN 晶体管在平衡状态下的能带图: EC EF EV N N P NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图: 放大状态: 饱和状态: 截止状态: 倒向放大状态: (1) 基区必须很薄,即WB LB ; § 3-1 均匀基区晶体管的放大系数 1、晶体管的放大作用 均匀基区晶体管:基区掺杂为均匀分布。少子在基区中主要作扩散运动,又称为 扩散晶体管。 缓变基区晶体管:基区掺杂近似为指数分布,少子在基区中主要作漂移运动,又称为 漂移晶体管。 要使晶体管区别于两个二极管的串联而具有放大作用,晶体管在结构上必须满足两个基本条件: (2) 发射区的杂质总量远大于基区,当WE 与WB 接近时,即要求 NE NB 。 晶体管放大电路有两种基本类型,即 共基极接法 与 共发射极接法 。 先讨论共基极接法(以PNP 管为例): B E C B P N P NE NB NC IE IB IC V P区 N区 0 为了理解晶体管中的电流变化情况,先复习一下 PN 结中的电流: 忽略势垒区产生复合电流, 处于放大状态的晶体管内部的各电流成分如下图所示: 从 IE 到 IC ,发生了两部分亏损: InE 与 In r 。 要减小 InE ,就应使NE NB ; 要减小In r ,就应使WB LB 。 定义:发射结正偏,集电结零偏时的 IC 与 IE 之比,称为共基极直流短路电流放大系数,记为α,即: 共发射极接法: 定义:发射结正偏,集电结零偏时的 IC 与 IB 之比,称为共发射极直流短路电流放大系数,记为β,即: E C B N P IE IB IC P E 根据 ,及 的关系,可得β与α之间有如下关系: 对于一般的晶体管,α= 0.950~0.995,β = 20~200 。 2、基区输运系数β* 定义:基区中到达集电结的少子电流 IpC 与从发射结注入基区的少子电流 IpE 之比, 称为 基区输运系数,记为β*,即: 由于空穴在基区的复合,使 JpC JpE 。 由于 WB LB ,根据薄基区二极管的近似结果(§1-3 ,第 5 小节) ,可得: 以下用 pB 代表基区非平衡少子浓度 △pn 。 这里必须采用薄基区二极管的精确结果 ,即: pB(0) pB(x) x 0 WB 近似式,忽略基区复合 精确式,考虑基区复合 再利用近似公式: ( x 很小时),得: 根据基区输运系数的定义,得: 静态下的空穴电荷控制方程为: 以下再利用电荷控制法来求β* 。 另一方面,由薄基区二极管的 近似 公式: 从上式可解出: ,代入 Jpr 中,得: B E C 0 WB JpE JpC 上式中, 即代表了少子在基区中的复合引起的电流亏损所占的比例。要减少亏损,应使WB↓,LB↑。 β*的典型值:WB =1μm,LB =10 μm ,β*= 0. 9950 。
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