1、1,2.2双极晶体管的电流传输 1理想晶体管中的电流传输,Chapter2晶体管 直流特性,-,规定，npn晶体管及pnp晶体管共基极输入电压及输出电压与pn结工作状态的关系如表2一1所示。此外还规定NPN晶体管发射极电流IE流出晶体管为正方向，集电极电流IC及基极电流IB流入晶体管为正方向。 对于PNP晶体管各电极流过电流的正方向的规定刚好与NPN管相反。,双极晶体管共有四种工作方式，相应地划分为四个工作区。正向有源区：发射结正偏，集电结反偏；饱和区：发射结及集电结都处于正偏； 截止区发射结及集电结都处于反偏；反向有源区：发射结反偏，集电结正偏。,2,2.2双极晶体管的电流传输1理想晶体管中
2、的电流传输,Chapter2晶体管 直流特性,-,（c）少子密度分布；（d）电流密度分布 图2-8 理想晶体管,(a)结构示意图,(b)正向有源区能带图,3,2.2双极晶体管的电流传输1理想晶体管中的电流传输,Chapter2晶体管 直流特性,-,基本关系：,基区复合电流 IrB:,另外应满足,( IB为基极电流 ),(2-3),(2-4),4,2.2双极晶体管的电流传输1理想晶体管中的电流传输,Chapter2晶体管 直流特性,-,对于可实际应用的BJT，上述各电流成分间应满足以下关系：1）IrBInB(Wb) 等同于WbLnB2）IpE(-xE)Inb(0) 发射结的高注入比3）IpC(x
3、C)InB(WB),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,还要满足发射结正偏，集电结反偏，才能使晶体管具有放大作用。,5,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区,Chapter2晶体管 直流特性,-,内建电场 方向 少子漂移流方向 （a） （b）,内建电场方向 少子漂移流 方向 （c） （d）,图29 缓变基区晶体管的基区内建电场,6,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区 基区内建电场,Chapter2晶体管 直流特性,-,假定npn晶体管基区的杂质分布如图2-9（a）所示，空穴因密度差而扩散，低浓度区因空穴堆积而出现
4、净正电荷，高浓度区则因空穴损耗而出现净负电荷。正负电荷所建立的电场阻止空穴扩散。平衡状态下，基区内任意位置上的空穴的扩散趋势与漂移趋势相互抵消，空穴电流密度等于零，其中漂移电场称为基区内建电场，以bb表示。写出空穴的输运方程即可求出bb表达式，,一种典型分布形式：基区杂质为指数函数分布：,基区内建电场等于常数,称为基区漂移系数或电场因子,(2-7),7,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区 基区内建电场,Chapter2晶体管 直流特性,-,内建电场造成基区内能带不平，能带总共变动为q|BB|WB=kT。由于基区必须是一种导电类型，例如p型，费米能级必须在禁带中央以下。因此，能带弯曲的总量最
5、多只能是EG/2，即的最大值为Eg/2kT。室温下此值对Ge为13，对Si为21。当由于其它因素，实际上一般在48之间。,求的最大值：,8,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区 非平衡少子分布及少子电流密度,Chapter2晶体管 直流特性,-,MollRoss法。基本假定是： 1)少子在基区的运动是一维的。 2)基区宽度大于载流子的平均自由程，因而能够将载流子在基区的输运看作是扩散加漂移。 3)基区中准中性近似成立。 4)载流子迁移率等于常数，杂质浓度超过1016cm-3时引入平均迁移率。 5)小注入，非平衡少子密度低于同一位置上的多子平衡密度。 6)忽略基区复合，对现代高增益晶体管这一条
6、是成立的。,假定忽略基区复合，全基区内JnB=常数，正向有源区VBCkT/q时，npB(WB)=0,(2-17),9,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区 非平衡少子分布及少子电流密度,Chapter2晶体管 直流特性,-,基区杂质指数分布时,从图上看出，沿x方向npB(x)值逐渐减小，dnpB(x)/dx则逐渐增大，说明在这一方向上漂移，扩散两种电流成分都是变化的，漂移流数值逐渐减小，扩散流逐渐增大，二者之和保持为常数，靠近集电结空间电荷区漂移流下降到几乎等于零。,10,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区 非平衡少子分布及少子电流密度,Chapter2晶体管 直流特性,-,求基区少子电
7、流密度表达式：,令x0,名为根摩尔（Gummel）数，即基区单位结面积下净掺杂总量，可以测量。,又,(2-21),11,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区 非平衡少子分布及少子电流密度,Chapter2晶体管 直流特性,-,在文献中，集电极电流密度表达式表示为,现代硅晶体管中了IpC（xc）非常之小，同基区少子电流相比可以忽略不计。,(2-23),12,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区 基区渡越时间,Chapter2晶体管 直流特性,-,基区渡越时间的定义为：基区过剩载流子电荷除以集电极电流，即,QB代表基区过剩载流子电荷，用下式表示,正向有源区通常工作电流范围内，可以认为npB(x
8、)npB0, npB(x)nB（x）, 又,文献中,(2-28),13,2.2双极晶体管的电流传输2 缓变基区 基区渡越时间,Chapter2晶体管 直流特性,-,对基区渡越时间讨论, 对于均匀基区晶体管:, 基区杂质指数分布晶体管：,等于常数, 基区杂质线性分布晶体管：,=kx,越大，杂质梯度越大，,越小,(2-29),(2-30),14,2.2双极晶体管的电流传输4 重掺杂发射区,Chapter2晶体管 直流特性,-,发射区的表面杂质浓度都在1x1019cm-3以上，重掺杂发射区中的禁带变窄及俄歇复合将影响电流传输。,轻掺杂半导体中，杂质原子比较少，可以不考虑杂质原子间的相互作用以及杂质原
9、子的存在对晶体周期势场的影响。,重掺杂半导体中，杂质原子间距离缩小，相邻原子接近到一定程度时，相互作用加强，出现电子在杂质原子间的共有化运动，与此相对应，禁带中分立的杂质能级展宽成为杂质能带，杂质浓度高于1018时，这种效应显示作用，另外，晶体中大量杂质原子的随机分布造成静电势局部起伏，扰动晶格周期势场，使低掺杂下界限确定的能带边在高掺杂下呈现能带尾。随着杂质浓度增高，杂质带扩展，带尾伸长，导致主能带与杂质带合并，禁带变窄。,此外，重掺杂半导体中的高浓度载流子将屏蔽杂质中心的势场，减弱对电子、空穴的束缚，使产生电子空穴对的激活能减少，从产生电子空穴对来看；等效于禁带变窄。,15,2.2双极晶体
10、管的电流传输4 重掺杂发射区,Chapter2晶体管 直流特性,-,禁带变窄量Eg与掺杂浓度N之间的经验公式:,(meV),引入有效本征载流子密度nie，nie与ni的关系是,nie与杂质浓度有关，ni与杂质浓度无关,发射区多子浓度N与少子浓度P0的关系满足：,双扩散NPN晶体管发射区净掺杂分布如图2一12所示(非均匀分布),未考虑禁带变窄时，发射区内建电场为：,由于dNDE(x)/dx0，BE0，这一电场对基区注入到发射区的空穴流起减速作用。,(2-42),16,2.2双极晶体管的电流传输4 重掺杂发射区,Chapter2晶体管 直流特性,-,考虑禁带变窄时，利用平衡状态下少子电流密度等于零
11、这一关系，经推导得出,将平衡状态下少子密度表达式,代入,式中右端第一项代表不考虑禁带变窄时发射区内建电势；第二项代表考虑禁带变窄所引入的附加电场。由于dnie(x)/dx与dNDE(x)/dx符号相同，所以后者的实际方向与前者相反，后者将抵消前者对注入空穴的减速作用。,引入发射区有效掺杂浓度NDE(x)，将使BE表示式(2-47)变得简单,(2-47),NDE(x) 随NDE(x)增加而减少,17,2.2双极晶体管的电流传输4 重掺杂发射区,Chapter2晶体管 直流特性,-,引入新的发射区Gummel数：,形式上与轻掺杂时的表达式一样,与求解基区少子电流密度时相似，类似地得到,代表发射区单位结面积下有效掺杂总量，而不是净掺杂总量。,形式上与轻掺杂时的表达式一样,同时,
