1、半导体器件物理 D r . B . L i 第四章双极晶体管半导体器件物理 D r . B . L i 4.1.1 何谓双极晶体管 双极晶体管是由靠得很近的两个PN结构成的半导体器件。 什么叫靠得很近？ 靠得很近有效基区宽度基区少子扩散长度 有效基区宽度：W B NPN：W B L nB PNP：W B L pB 4.1 双极晶体管的结构及杂质分布半导体器件物理 D r . B . L i 三个极：发射极E(Emitter) ，集电极C(Collector)，基 极B(Base) 三个区：发射区，集电区，基区 两个结：发射结，集电结半导体器件物理 D r . B . L i intrinsic
2、 base (内基区) extrinsic base (外基区)半导体器件物理 D r . B . L i 双极型三极管的符号在图的下方给出，发射极的 箭头代表发射极电流的实际方向。 从外表上看两个N区,(或两个P区)是对称的，实 际上发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集 电结面积大。基区要制造得很薄，其厚度一般在几个 微米至几十个微米。半导体器件物理 D r . B . L i 硅双扩散平面外延NPN 晶体管的管芯结构： N P N N C x B B E B E x jc x je N N + P N N + X W b0 1.高斯函数分布 2.基区杂质缓变 缓变基区晶体管 3.发射
3、结和集电结边缘部分是曲面结 4.发射结面积小于集电结面积。 4.1.2 双极晶体管的结构 沿0 一x 方向的净掺杂浓度分布 N=N D -N A ：半导体器件物理 D r . B . L i BJT的分类： 掺杂类型 NPN-BJT PNP-BJT 基区杂质分布 均匀基区晶体管（扩散晶体管） 基区少子的运动方式：扩散 缓变基区晶体管（漂移晶体管）(自建电场！） 基区少子运动：扩散+漂移半导体器件物理 D r . B . L i 4.2 晶体管的放大机理 双极晶体管的四个工作区 正向有源区发射结正偏，集电结反偏 反向有源区发射结反偏，集电结正偏 截止区两个结都反偏 饱和区两个结都正偏半导体器件物
4、理 D r . B . L i 4.2.1 双极晶体管中的电流传输 0 -x E N P W B X C N E x C B n pB P nE P nC x -X E 0W B X C N P N (b)NPN管少子分布 (a)NPN 管结构示意图 基区的产生与复合： 净产生相对于净复合非 常小，所以净产生可以 忽略。 净复合 净产生半导体器件物理 D r . B . L i 载流子(对npn晶体管为电子)的输运过程包括： 1.发射结的注入 2.基区的输运与复合 3.集电结的收集 晶体管具有放大作用要满足发射结正偏，集电结反偏。 对于一个晶体管，I c 和I e 十 分接近，而I b 很小，
5、只有I c 的1%2。半导体器件物理 D r . B . L i 发射结加正偏时，从发射区 将有大量的电子向基区扩散， 形成的电流为I EN 。与PN结中的 情况相同。 从基区向发射区也有空穴的扩散运动，但其数量小，形 成的电流为I EP 。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的 掺杂浓度。 进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会 较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子 在基区停留的时间很短，很快就运动到了集电结的边上， 进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成集电极 电流I CN 。在基区被复合的电子形成的电流是 I BN。半导体器件物理 D r . B . L i
6、另外因集电结反偏，使集电 结区的少子形成漂移电流I CBO 。 于是可得如下电流关系式: I E = I EN + I EP 且有I EN I EP I EN =I CN + I BN 且有I EN I BN ，I CN I BN I C =I CN + I CBO I E =I EP +I EN =I EP +I CN +I BN =(I CN +I CBO )+(I BN +I EP I CBO ) I E =I C +I B半导体器件物理 D r . B . L i 4.2.2 双极晶体管的电流关系 （1）三种接法 共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为
7、公共电极，用CC表示; 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。半导体器件物理 D r . B . L i (2)三极管的电流放大系数 共基极直流电流放大系数： = I C /I E 上式表示最后达到集电极的电子电流I C 与总发射极电流I E 的 比值。I C 与I E 相比，因I C 中没有I EP 和I BN ，所以 的值小于1, 但接近1。 表示在发射极电流I E 中由多大的比例传输到收集 极成为输出电流I C。 越大，说明晶体管的放大能 力越好。 在应用上，由于集电极可以接入阻抗较大的负载， 因此能够获得电压放大和功率放大。半导体器件物理 D r . B . L i 共发射极电流放
8、大系数 因 1, 所以 1 = I C /I B = I C /I E -I C = /1- 表示集电极无负载时，集电极电流与基极电流之比。 有时也用符号h FE 表示。 基极电流具有非常重要的控制作用。在共基极电路中 是通过I E 控制I C ，而在共发射极电路中却是通过I B 控制 I C 。为使 足够大，这两种电路都希望在同样的I E 时， I B 越小越好，但I B 不能为零。描述晶体管电流放大性能的中间参数 发射结注入效率 和基区输运系数 * 集电区倍增因子 * 和雪崩倍增因子M 1发射结注入效率 ：注入基区的少子电流与发射极总电流I E 之比。 的大小反映了可能传输到收集极的那部分
9、电流在发射极总电 流I e 中占的比例，它越大越好，应很接近于1。 2基区输运系数 * ：通过集电极边界的少子电流与注入基 区靠发射结边界的少子电流之比。 为了提高、，需要提高 和 * ，使它们尽量趋于1。 M I I I I I I I I C C nC C nE nC E nE = = * * 半导体器件物理 D r . B . L i 晶体管的直流特性曲线是指晶体管的输入和输出的 电流电压关系，根据这些特性曲线可以鉴别晶体 管的性能。 晶体管有共发射极、共基极和共集电极三种联接方 式，其中有实用价值、常常用到的包括：共发射极 和共基极的输出特性、输入特性。 4.2.3 双极晶体管中的直流
10、特性曲线半导体器件物理 D r . B . L i 1. 共发射极连接的直流特性曲线V ce V be R b e b c N P N I b I 共发射极直流输入特性曲线 对于不同的V CE ，测量I B 与V BE 的关系 曲线，可得I B -V BE 一组曲线。 V CE =0 V CE 1V I B V BE -I CB0 共发射极直流输入特性曲线图中V CE =0V的那 一条相当于发射结的正向特性曲线。当 V CE 1V时， V CB = V CE - V BE 0，集电结已进 入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减 少， I C / I B 增大，特性曲线将向右稍微移 动一些。 共
11、发射极直流输出特性曲线 I B 为参变量的一组I C -V CE 曲线。 当V CE =0 V时，因集电极无收集 作用， I C =0。 当V CE 稍增大时，发射结虽处于 正向电压，但集电结反偏电压很 小，如V CE 1 V， V BE =0.7 V V CB = V CE - V BE = 0.7 V 集电区收集电子的能力很弱， I C 主要由V CE 决定。 共发射极直流输出曲线 当V CE 增加到使集电结反偏电压较大时(如V CE 1 V,V BE 0.7 V),运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后V CE 再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与V CE 轴基本平 行
12、的区域 。半导体器件物理 D r . B . L i 饱和区I C 受V CE 显著控制的区域，该区域内V CE 的数值较 小，一般V CE 0.7V(硅管)。此时发射结正偏，集电结正偏 或反偏电压很小。 截止区I C 接近零的区域，相当I B =0的曲线的下方。此时， 发射结反偏，集电结反偏。 放大区I C 平行于V CE 轴的区域， 曲线基本平行等距。 此时，发射结 正偏，集电结反偏，电压大于0.7V 左右(硅管) 。 输出特性曲线可以分为三个区域:半导体器件物理 D r . B . L i 共发射极直流电流放大系数 在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直 于X轴的直线(V
13、CE =const)来求取 （I C / I B ）。半导体器件物理 D r . B . L i 2. 共基极连接的直流特性曲线V eb V cb V eb N N P R e e b c I e I c 共基极输入曲线与正向PN结特性类似，但与单 独的PN结有所区别。 共基极直流输入特性曲线 对于不同的V CB ，测量I E 与V BE 的关系曲线，可得I E -V BE 一组曲线。 V CE =0 V CE 1V I B V BE I E V CB = 5V V CB = 0V V be -I CB0 从右图可见，随着V CB 的增加，集电结的 势垒区向基区扩展，使基区宽度変窄， 从而引起
14、少子在基区的浓度增加，导致I E 增大，曲线向左移。半导体器件物理 D r . B . L i 共基极直流输出特性曲线 I E 为参变量的一组I C -V CB 曲线。 共基极直流输出特性曲线 在I E 一定的条件下， I C 基本 上与I E 同样增加。半导体器件物理 D r . B . L i 共发射极与共基极连接的唯一区别在于前者的电压都是 相对于发射极的，而后者则是相对于基极的，电流流动 的方向和电流间的关系并没有改变，因此由共发射极的 直流特性曲线完全可以得出共基极的直流特性曲线。通 常测量的是共发射极直流特性曲线。V eb V cb V eb N N P R e e b c I e
15、 I c V ce V be R b e bc N P N I b I c 共发射极 共基极半导体器件物理 D r . B . L i 发射结空间电荷区复合电流的影响(使发射区注入 效率降低) NPN晶体管，发射结正偏时，发射结空间电荷区 的载流子浓度高于平衡值，因而存在净复合。发射 极电子流通过发射结空间电荷区复合损失部分转换 成空穴电流I rE ，从而使发射区注入效率降低。 基区表面复合(使基区输运系数降低) 注入到基区少子中，部分流向表面，并在基区表 面被复合掉，不被集电极收集，使基区输运系数降 低。 影响电流放大系数的一些因素 4.2.4晶体管直流放大系数半导体器件物理 D r . B
16、 . L i 发射区重掺杂的影响(使发射效率降低) A. 禁带变窄（BGN)的影响 (BGN-Band Gap Narrowing) I. 发射区有效浓度降低发射效率下降 II.发射区平衡少子浓度由原来的 n 2 i / N E 变成了 (n 2 ie /N E )exp(Eg/kT) ， 增 加 了 exp(Eg/kT) 倍，因此在同样偏压下，从基区注入到发射区的 电流增加，发射效率下降。半导体器件物理 D r . B . L i B.发射区重掺杂，俄歇复合(Auger)的影响(使发 射效率降低) 俄歇复合(Auger复合):带间复合(直接复合) 间接复合(SHR复合):Shockley,
17、Hall, Real提出， 指载流子通过复合中心的复合(这种复合在轻掺杂 下起主要作用) 基区注入到发射区的空穴电流增加，使发射效率降低。半导体器件物理 D r . B . L i 提高电流增益的途径 1 减小基区宽度，以增加基区少子的浓度梯度，增大扩散 电流，并减小基区复合，但要注意Early效应的影响 (后面要讲). 2 增加载流子的扩散长度，即提高载流子的寿命和迁移 率以减少复合损失。 3 提高发射区与基区的方块电阻的比值，但发射区最高 掺杂浓度受到BGN和Auger复合的限制，基区浓度的降 低受到基区电阻的限制，一般采用内基区采用轻掺杂( 淡基区)，外基区采用浓掺杂（浓基区)的方法。
18、4 改善器件的表面状况及减小表面复合。 5 提高基区的自建电场因子。基极电阻 基极电阻可看作是由四个电阻 相串联组成，即 r b r b1 + r b2 + r b3 r bc 条形发射区双基极接触平面型晶体管(梳状晶体管)的基极电阻： S B S E S EB I B (y) I B /2 0 y r b1 r b2 r b3 r bc S B 基极电阻在直流应用时，会产生发射结电流集边效应；交流应 用中，基极电阻将产生电压反馈，因而影响晶体管的功率特性 和频率特性。因此，在晶体管设计时，要尽量减小基极电阻。 晶体管基极电阻不同于普通电阻，流过基极电阻的电流是不均匀 的，产生的压降也不均匀，
19、因此，基极电阻一般用平均电压法或 平均功率法来计算。半导体器件物理 D r . B . L i = jc x B n B dx N q R 0 2 1 口 E R 口 1 B R 口 2 B R 口 B W jE x jC x 1 求r b1 ： 基极电流非均匀，不能直接利用欧姆定律，用等功率法计算内基区 等效电阻。 y0-S E /2范围内I B (y)可表示为 = 2 / 1 2 ) ( E B B S y I y I I B 为总基极电流 用等功率法建立起下列方程 1 2 1 2 0 2 ) ( 2 b B E B s B r I dy l R y I E = 口 1 1 12 B e
20、e b R l s r 口 = S B S E S EB I B (y) I B /2 0 y r b1 r b2 r b3 r bc S B半导体器件物理 D r . B . L i 2求r b2 (外基区电阻)： 直接引用欧姆定律(考虑到两条基极)： 3 求r b3 (基极金属电极下的基区电阻)： 4求基极接触电阻 r bc (基极金属与半导体的欧姆接触电阻) e b c bc l s R r = R c 为金属与半导体欧姆接触系数，代表单位面 积基极欧姆接触的电阻。 2 2 2 B e eb b R l s r 口 = 2 3 12 B e b b R l s r 口 =半导体器件物理
21、D r . B . L i 双基极接触条形发射区晶体管的基极电阻的公式 ： n+ p n P P + + 高频管，通常将基极电极下面部分制成浓基区，达到既保 证发射效率，又有效地降低基极电阻。 e b c B e b B e eb B e e bb l s R R l s R l s R l s r + + + = 2 2 1 12 2 12 口 口 口半导体器件物理 D r . B . L i 4.3大电流效应和基区宽变效应 双极晶体管的大电流效应包括大注入效应、有效基 区扩展效应(Kirk效应)以及发射极电流集边效应。 大电流效应严格地说应该称为大电流密度效应。 原因：小尺寸器件，总电流不
22、一定很大，但电流密 度很大，也会出现这些效应。 大电流效应这部分研究BJT工作在正向有源区时 出现的大电流密度效应.半导体器件物理 D r . B . L i 大注入效应 1）什么是大注入(高电平注入)：指PN结外加正向电 压时，注入少数载流子密度等于或超过多子平衡态 密度的工作状态。 2）大注入内建电场 x P pB P pB0 n pB n pB0 P pB pB0 pB n P x N AB 大注入时，注入电子密度超过空穴平衡态密度，电中 性要求，空穴的密度梯度与电子的密度梯度相等。由 于存在密度梯度，空穴将自发射结向集电结扩散，而 离化的受主中心固定不动，由此造成正负电荷分离， 建立电
23、场。这个电场就是大注入内建电场，其方向是 从集电结指向发射结，对注入到基区的电子起加速作 用。半导体器件物理 D r . B . L i 基区大注入时不能形成稳定的多子电流，原因： 内建电场抑制了空穴向集电结方向的扩散 高掺杂的N + 发射区提供不了足够的空穴 反偏集电结不允许空穴通过 当注入很大时，基区杂质分布的有效自建电场作用可 忽略，所以基区少子受到大注入自建电场的作用；同 时大注入电场产生的漂移分量和分布梯度所产生的扩 散分量相等，从扩散流的角度，相当于扩散系数比小 注入时增大了一倍。半导体器件物理 D r . B . L i 由于基区电导调制效应， 电阻率下降，发射效率降低，使电流增
24、益下降，此现 象称为Rittner效应。 大注入自建电场，在极大注入下，电子扩散系数由D nB 变成2D nB ，L 2 nB =D变成2L 2 nB ，基区输运系数增加，使 电流增益增加。也可以这样理解：*=1-I rB /I nB =1- B / nB ，在极大注入下， B 变成小注入下的1/2， 基区复合减小了，电流增益增加了。大注入基区内建 电场减缓大电流增益的下降，通常称此效应为 Webster(韦伯斯脱)效应。 3）大注入电导调制 基区大注入工作时，非平衡多子密度超过平衡多子密 度，因而使基区电导率明显增大，这就是基区电导调 制。半导体器件物理 D r . B . L i 有效基区
25、扩展效应(Kirk效应) 有效基区扩展效应是指大电流密度下BJT的有效基区随电流 密度增加而展宽，准中性基区扩展进入集电区的现象。C.T. Kirk首先解释了这一效应，所以通常称之为Kirk 效应。 产生有效基区扩展效应的机构主要是大电流时集电结N - 侧 耗尽区中可动电荷中和离化的杂质中心电荷导致空间电荷 区朝向远离发射结的方向推移。 强场情形、弱场情形由集电结的V CB 的大小来划分。 讨论方法：V CB =常数，改变J C 。半导体器件物理 D r . B . L i 对N + PN - N + 四层结构，从发射结注入的电子，在通过集电 结电荷区时，对耗尽区的正(n侧)负(p侧)空间电荷
26、分别 起着中和和添加作用。使n侧正空间电荷减小，p侧负空 间电荷增加，电场分布发生变化。若载流子以速度v通过 空间电荷区，则空间电荷区自由电子密度为n c 。 计入运动载流子对空间电荷区的影响时，n侧正空间电荷 密度变为N C -n C ，p侧负空间电荷密度变为N A +n C ，空间电 荷区的泊松方程变为 注入电流对集电结空间电荷区电场分布的影响： () ( ) ()() 0 0 0 0 / / s C B s C B s C C s C C qv J N q n N q dx d qv J N q n N q dx d + = + = = = N 侧 P 侧 随 n C 的增加，n 侧的|
27、dE/dx| 随n C 的增加而减小。半导体器件物理 D r . B . L i W C J a J b J c J 0 J 1 |E| x W CIB E B C N + PN - N + 强场情形下集电结过渡区电场分布 J=J a , J b 时，N侧的空间 电荷为正，最大电场在PN 处。 J=J 0 ，n C =N C 时，dE/dx=0 J=J 1 ，n C N C 时，N区变成 带负电的空间电荷区，最 大电场在N - N + 处，PN结面 电场变为零。 JJ 1 ，电场为零处发生在 N - 区，W CIB 区为电中性区 基区扩展区。 J 1 规定为有效基区扩展效应开始 起作用的临界电
28、流密度。 强场下 + + = 2 1 ) ( 2 C BJC CB S C l qW V V N qv J 半导体器件物理 D r . B . L i 在弱场下, 空间电荷区内大 部分区域的电场E近似为常数. 即使电流继续增加,只要空间电 荷区内电场还没有达到强场状 态,通过空间电荷区的浓度仍然 维持n c =N c , 而电场则随增大而 增强,以满足J C = q o En c 的关系. 这种关系一直维持到空间电荷 区电场达到强场为止. 弱场下半导体器件物理 D r . B . L i 发射极电流集边效应 大电流下，较大的平行于结平面的基极电流(多子电流) 在狭长的基区电阻r b 上将产生横
29、向压降，使发射结的 正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密 度则从中心到边缘逐渐增大，由此产生发射极电流集 边效应(也称基区电阻自偏压效应)。 W b dy I B (y) I B (y) +dI B L e J e (y) dy L e J c (y) dy y I B 0 S E E B B n p n半导体器件物理 D r . B . L i 2 基区宽变效应 (Early效应) 工作在正向有源区的BJT的集电结，其空间电荷区宽度及 基区一侧的扩展距离，随反偏电压数值增大而增大，有 效基区宽度因而随之减小，通常将有效基区宽度随集电 极基极偏压变化，并影响器件特性的现象称作基区 宽
30、度调变效应。J.M.Early首先分析了这种效应，所以也 称之为Ear1y效应。 V CE I C I B =0 I B3 V A I C I C V CE半导体器件物理 D r . B . L i 4.4 晶体管反向击穿电压 （1 ）击穿电压 BV CBO BV CEO BV EBO （2 ）外延层穿通 （3）基区穿通 M M h FE = = 1 * 1 * * 击穿电压与穿通电压 n CBO CEO BV BV + 1 Ma = * 半导体器件物理 D r . B . L i 4.5晶体管交流特性 在交流工作状态下，pn结的电容效应将对晶体管的工作 特性发生影响。频率增高，pn结交流阻抗
31、下降，对结电 容的充放电电流增加，使晶体管的放大能力下降。 频率愈高，单位时间用于充放电的电子愈多，到达集电 极的载流子愈少；结电容的分流作用愈大，基极电流愈 大。因此，交流放大系数是频率的函数，并随频率的升 高而下降。 同时，对结电容的充放电需要一定的时间，从而产生信 号延迟，使输出和输入信号存在相位差。因此，交流放 大系数是复数。 因此，晶体管的使用频率受到一定限制。如何提高晶体 管的使用频率，是晶体管设计者和制造者的重要任务。半导体器件物理 D r . B . L i 晶体管的许多重要特性都与工作频率有关。 电流放大系数与频率的关系： 频率较低时，交流放大系 数 、 几乎不随频率变化，
32、接近于直流放大系数 0 、 0 。 频率较高时， 、 将明显 下降。 电流放大系数的频率特性 f f T f f M半导体器件物理 D r . B . L i 频率参数 （1 ） 截止频率： 0 / 0.707 0 时所对应的频率。它 反映了共基极运用时的频率限制。 （2）截止频率： 0 / 0.707 0 时所对应的频率。 （3）特征频率f T : 共发射极短路电流放大系数等于1时所对 应的频率。 f T 反映了共发射极运用时的频率限制，当工作频 率等于f T ，晶体管不再具有放大作用。 （4）最高振荡频率f M ： 共发射极运用时，功率增益等于1时 对应的频率，它是晶体管工作的最终频率。
33、2 2半导体器件物理 D r . B . L i 输入端施加信号电压，则器件内部改变状态，从起始状态过 渡到另一个稳定状态，为实现电荷的建立与消失，必将需要一 定的时间，这就是延迟时间的起源。 特征频率 ec T f 2 1 = c d b e ec + + + = l）基区渡越时间 b 2）发射区渡越时间 e 影响f T 的主要因素和提高f T 的方法 I）发射区宽度。 外延平面管中W E 不能任意减小，首先受电流增益要求的限制，高 发射区注入效率要求宽发射区，其次从工艺上考虑。过薄的发射区 会使在其上制作欧姆接触金属化层的过程过于复杂，金属层在合金 化以后要能保证不穿透发射区，以避免e-b
34、短路。为兼顾各种因素 的不同要求，浅结器件一般控制x jc x je 1.32.0。 II) 发射区少子扩散系数。 III）发射区杂质分布形式。 从欧姆接触到发射结，发射区杂质呈递减分布所形成的内建电场对 从基区注入到发射区的空穴起减速作用。 IV)发射区欧姆接触的界面复合。 发射区越薄，欧姆接触界面复合对 e 的影响变得更为重要。半导体器件物理 D r . B . L i 3）集电结耗尽区渡越时间 d 尽可能减小X mc， 为此要求提高集电区掺杂浓度，同提高最大 工作电流的要求一致，却同提高击穿电压减少过渡区电容的要求 矛盾。 4） c (集电结过渡区电容与集电区串联电阻引起的延迟时间) c
35、 正比于集电区电阻率、集电区宽度及集电结单位面积过渡 区电容。减小W c 和提高N c 都同击穿电压要求相矛盾。半导体器件物理 D r . B . L i f T 随集电极电流、电压的变化 小电流段， e 反比于I c 变化， 因而 I c 增大总渡越时间减小 f T 升高。Ic增加到 e 远小于 其它时间常数之和时， ec 趋 近于常数,f T 达到最高值。随 着I c 继续增大,f T 出现下降趋 势是由于有效基区的纵向扩 展效应开始起作用。 I C ( 或V ) ce f T V CB 增加，f T 增加的原因： V CB 增加，x mc 增加W B 下降 b 下 降；C TC 下降 c
36、 下降。电场增加，速度增加。 V CB 增加，f T 下降的原因： V CB 增加， x mc 增加 d 增加半导体器件物理 D r . B . L i 由于特征频率与工作点有关，因此在说特征频率时应 指明测试条件。此外，在晶体管应用中，应将工作点 选择在最佳特征频率附近。半导体器件物理 D r . B . L i f f , 说明共射极截止频率远远低于共基极截止频率，特 征频率略小于共基极截止频率。即随频率的增加值的下降要 比值下降得快。这是因为在交流下，交流电流的矢量满足 i e =i c +i b 。如图所表示的那样。随i c 相移的增加，|i b |迅速增 大，且|i b |增大的幅度
37、比|i c |减小的幅度大。 | =|i c |/|i b | 中|i c |略有下降而|i b |急剧增大，而|=|i c |/|i e |仅与|i c |下 降有关而与相移无关。故随频率的升高下降比快得多。这 一点在实际中有重要意义，它说明共基极接法晶体管比较适合 于宽带放大电路，而共射极接法晶体管比较适合于选频放大电 路。 i c2 i c1 i e i b2 i b14.6 开关工作和开关时间 在右图的共发射极电路中，输入电压v i =-V B1 时，发射结反 偏，V CC 经R L 接在集电极上使集电结也为反偏，晶体管工作 在截止区，集电极只流过很小的反向电流，因而R L 上压降 很
38、小输出电压v 0 V CC 。 输入高电位v i =V B2 ，只要V B2 足够高，晶体管就导通，并进 入饱和状态。集电极到发射极间压降为数值不大的饱和压 降，因而输出低电位。 它的输出波形是输入波形的倒相。 1、开关工作 T r V i R s V CC R L V 0 C E 开关工作实际上是在两种状态之间交替变换。发射结反偏，发 射区未向基区注入载流子，集由极电流很小的状态称为截止态或关 态(CE相当开路)。发射结正偏，发射区向基区注入少数载流子，集 电极电流比较大的状态称为导通态。当V CE =V CB +V BE =V CC -I C R L V BE 时，集电结零偏，甚至正偏，由
39、于V CES 小，CE相当短路。半导体器件物理 D r . B . L i 2、开关时间 t t t t V i V 2 -V 1 i B (t) I B1 -I B2 V CE (t) i C (t) 0.9I CS 0.1I CS I CS t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 1 t 2 t 4 t 5 Vbe=0.7V Vbc=0V 0.7 0.7 0.7 0 延迟过程 t 0 t l (对势垒电容充电) 上升过程 t 1 t 2 (导通到临界饱和) 超量储存电荷消失过程t 3 t 4 下降过程 t 4 t 5 (临界饱和到截止) 开关时间就按下列各式定义： 延迟时间 t
40、 d =t l 一t 0 上升时间 t r =t 2 一t 1 储存时间 t s =t 4 一t 3 下降时间 t f =t 5 一t 4 开启时间 t on = t d +t r 关断时间 t off =t S +t f 晶体管的开关响应特性 开关过程和开关时间的定义半导体器件物理 D r . B . L i 电荷控制模型 大信号工作条件下BJT特性的非线性特征，使严格计算开 关时间变得相当困难。如将晶体管看作电荷控制器件， 那么数学处理将变得简单，可以得到可接受的简单解析 式。电荷控制模型已成为处理大信号问题的有效方法。 电荷控制分析方法的基本微分方程可以从少子的连续性 方程导出。 基区：
41、 n PB n n n q J t n q 0 = 将上式在整个基区积分，左边变为： dt dQ t Q dV t n q B B V = = Q B 表示贮存在基区的积累电荷半导体器件物理 D r . B . L i 等式右边第一项积分，按高斯定律进行变换 b c e c nc E ne VS n n i i i A J A J dS n J dV J = = = = ) ( 等式右边第二项积分 = V n B n PB Q dV n n q 0 于是得到了电荷控制方法的基本方程： n B B b Q dt dQ i + = 它表明：基极电流主要有两个作用：一是增加基区电荷的积累 (dQ B
42、 /dt)，二是补充基区非平衡少子复合所需的空穴Q B / n 。半导体器件物理 D r . B . L i 作为完整的电荷控制方程，还需要加进去的是由于储存电荷 随时间变化而出现的其它分量，其中包括发射结空间电荷区和 集电结空间电荷区储存电荷的瞬态值(dQ TE /dt及dQ TC /dt )。瞬 态基极总电流应表示为(电荷控制方程应修改为)： dt dV C dt dV C Q dt dQ dt dQ dt dQ Q dt dQ i BC TC BE TE n B B TC TE n B B b + + + = + + + = 这表明，基极电流除了用于基区电荷积累，补充基区复合外，还 要用
43、作对势垒电容进行充放电，维持势垒区电荷随结电压的变化。半导体器件物理 D r . B . L i半导体器件物理 D r . B . L i 开启时间 开启过程是指基极输入电压脉冲的上升沿到来之后，集电极 电流从截止态小电流上升到饱和态大电流的过程。这个过程 可以分作两部份，tt 0 t 1 为延迟过程，这段时间内i C 一直 保持反向电流值，无明显变化；t=t 1 t 2 为上升过程，i C 逐 渐上升到达饱和值。 延迟过程开始时BJT处于截止状态，v BE （t 0 ）=-V 1 ，此时 i c 0，所以集电结承受反向电压，v BC （t 0 ）=-V CC -V 1 。tt 0 输入回路中
44、有了驱动电流I B1 V 2 /R S ，基极电流提供的空穴 的一部份从基区侧填充发射结空间电荷区，中和离化的受 主；发射极流入的电子在另一侧填充空间电荷区，中和离化 的施主；结果是发射结势垒区变窄，发射结从反偏转向正 偏，直至 v BE 上升到 V BE0 (开始导通电压，对Si约为 0.5V) ，这一过程实际上是实现了发射结过渡区电容的充电。 开启过程和开启时间：半导体器件物理 D r . B . L i 与此同时，集电结偏压也在改变，t=t 1 时上升到V cc V BE0 。 整个延迟过程中集电结始终处于反偏，但是反偏电压数值 逐渐减小，势垒变窄，这是靠基极电流提供的另一部分空 穴，从
45、发射区传输到集电结的电子对集电结过渡区电容充 电而实现的。半导体器件物理 D r . B . L i 影响延迟过程的因素及减小t d 方法： (1)初始状态eb结偏压负值越大，或两个结的结电容越大，由关 开态时需要补充的可动电荷数目越多。当I B1 一定时， t d 越 长。 (2)I B1 越大，单位时间可提供充电的电荷数目越多，所需t d 越小。 因此减小t d 可从以下方面着手： (1)从制管角度：减小结面积，以减小结电容。 (2)使用角度：减小|-V1|；增大I B1 。但I B1 太大会使 导通后的饱和深度增加，从而加长了贮存时间，所以要选 取适当。 延迟过程的长短取决于两个方面：半
46、导体器件物理 D r . B . L i 延迟过程结束之后，基极电流仍保持不变，继续对发射结 势垒电容充电。由于发射结偏压升高，向两侧的少于注入 明显增加，基区和发射区都积累了过剩载流子，同时集电 极电流也开始增加，负载电阻上的电压降增大，使集电结 反偏电压数值减小。这个过程一直持续到V BE 上升到0.7V左 右， i c 上升到饱和值I CS ，V BC 上升到零， 晶体管达到临界 饱和，即i c （t 2 ）=I CS ，v BC （t 2 ）=0。 根据以上分析，上升过程中BJT始终在正向放大区改变状 态，因此描述这一过程的电荷控制方程应当是 上升过程： dt dV C dt dV C
47、 Q dt dQ dt dQ dt dQ Q dt dQ i BC TC BE TE n B B TC TE n B B b + + + = + + + = 1半导体器件物理 D r . B . L i 已知t d t dl t d2 ，其中 t d2 =t 1 t 1 。为由零上升到0.1I CS 所 需的时间。利用i c （t 1 ）=0.1I CS 这一条件，可求出 CS B B L TC T d I I I R C t 1 . 0 ln 1 1 1 2 + = 上升时间t r =t 2 一t 1 ，藉助i c （t 1 ）0.1I CS ，i c （t 2 ）=0.9I CS 两关系式，可推出 CS B CS B L TC T r I I I I R C t 9 . 0 1 . 0 ln 1 1 1 + = 半导体器件物理 D r . B . L i (3)基区少子寿命影响着复合损失的多少。 (4)基极充电电流(驱动电流I B1 )的大小决定着充电速度。 因此减小上升时间t r 方法： (1)减小结面积，以减小电容。 (2)减小基区宽度，以能更快地建立起所需的梯度。 (3)增加基区少子寿命，加强基区输运，减小复合。
