第11章BJT的靜態特性11.1理想晶體管模型（作業2，7，8）11.2理論和實驗的偏差（作業）11.3現代BJT結構（作業）(11.17)11.1理想晶體管模型1.理想BJT的基本假設2.各區的少子分布函數3.流過E-B結和C-B結的電子、空穴電流4.特性參數1.理想BJT的基本假設（1）E-B結和C-B結都是均勻突變結（2）小注入（3）耗盡層近似（4）忽略耗盡層中的產生-復合效應（5）發射區和集電區的準中性寬度遠大于少子的擴散長度（6）忽略串聯電阻效應（7）晶體管在穩態條件下工作坐標系和材料參數符號說明2.各區的少子分布函數方法步驟：（1）擴散方程（2）邊界條件（3）求解方程得到少子分布函數表達式（4）由少子分布函數求出流過E-B結和C-B

結的電流IEp，IEn,ICp,ICn（5）根據，T，dc,dc的定義求出特性參數+擴散方程和邊界條件由pn結定律得耗盡層的邊界條件

P區

n區發射區的擴散方程和邊界條件晶體管處于穩態條件，且GL=0擴散方程邊界條件發射區的少子分布規律和電流方程的解（少子分布規律）從B區擴散過E-B結的電子電流方程的通解集電區的擴散方程和邊界條件擴散方程邊界條件少子分布規律從C區擴散過C-B結的電子電流基區的擴散方程和邊界條件擴散方程邊界條件少子的分布基區的少子分布規律基區的空穴分布從E區擴散過E-B結的空穴電流從B區擴散過C-B結的空穴電流簡化關系式因為基區寬度遠小于少子的擴散長度，即W<<LB，0xW基區少子分布的簡化求解方法基區很薄，忽略基區的熱復合和產生，即方程和通解代入邊界條件求解基區的少子分布規律少子在基區的分布近似滿足直線分布此時三極管的基區輸運系數：注入載流子在通過基區的過程中沒有通過復合而損失。作業題5：基區寬度對基區少子分布的影響3流過發射區、集電區和基區的電流發射極電流集電極電流基極電流4特性參數4特性參數作業題6BJT處于放大工作偏置下各區的少子分布作業題7pnp四種偏置模式下少子分布圖作業題7npn正向放大模式npn飽和模式npn截止模式Npn反向放大模式雙極型晶體管的Ebers-Moll（E-M）模型埃伯斯-莫爾方程pnpECBECBE-M模型把晶體管看作具有公共區域的兩只背靠背連接的二極管，對于pnp晶體管，n型基區就是背靠背連接的二極管的公共區域。BJT正偏，流過發射結電流IF，在放大工作狀態，從發射結注入基區的少子大部分到達集電極，這部分電流由電流源FIF表示，F共基極放大系數。反向工作狀態.......11.2理論和實驗的偏差1。理想特性曲線和實驗的比較理論曲線：IE與VCB無關實驗曲線：VEB一定時，IE隨VCB

的增加而增大。這是因為晶體管的基區很薄，VCB增大時集電結耗盡層變寬，有效基區寬度變窄，導致基區中注入空穴濃度梯度變大，所以同樣的VEB，IE隨VCB增加而增加。共基極的輸入和輸出特性曲線基區寬度調制效應共基極輸出特性曲線特點理論和實驗曲線之間具有很好的一致性。區別：理論曲線對加在晶體管的電壓沒有限制實際器件存在擊穿電壓VCBO共發射極的輸入和輸出特性曲線理論曲線實驗曲線實驗和理論曲線的主要區別：IC隨VEC的增加而逐漸增加2.當VEC增大到一定值時，晶體管發生擊穿共發射極輸出特性曲線的特點共發射極輸入特性曲線的特點理論和實驗曲線符合的很好（1）VCE=0V，即集電極與發射極相接，相當于集電結與發射結兩個p-n結并聯，所以此時的輸入特性應為兩個二極管并聯后的特性。（2）VEC>0V,發射結正偏，集電結反偏，三極管處于放大狀態，發射區注入的空穴只有極小部分在基區復合，大部分被集電極收集。因此對應于相同的VEB，當VEC>0V時，流向基極的電流比VEC=0V時小了，特性曲線右移。（3）從理論上講，VEC繼續增大，特性曲線還將繼續右移，但當VEC>1V,只要VEB一定，則從發射區注入基區的空穴數一定，集電極上的反偏電壓已足以將發射區注入基區的空穴全部收集到集電極，因此即使VEC繼續增大，IB也不會明顯減少，特性曲線幾乎與VCE=1V時重疊在一起。所以輸入特性曲線一般只用兩條來描述。共發射極輸入特性曲線的特點2.基區寬度調制效應基區準中性寬度隨外加電壓VEB和VCB的變化而變化的現象叫基區寬度調制效應或厄利效應（Early效應）基區寬度調制效應對BJT特性參數的影響基區寬度調制效應對共基輸入和共發射極輸出的影響大基區寬度調制效應對共基輸入特性曲線的影響大VEB一定，VCB增加，W減小，IE增加exp(qVCB/kT)0W/LB<<1，展開小量忽略展開去一級小量基區寬度調制效應對共發射極輸出的影響大C-B結反向電壓增加，W減小，隨VEC的增加而增加，IB給定后，IC隨VEC的增加而略有增加基區寬度調制效應對共基輸出和共發射極輸入影響小。

W的變化對dc的影響非常小，ICBO也與W的變化幾乎無關，所以基區寬度調制效應對共基輸出特性影響較小晶體管的摻雜和偏置模式對基區寬度調制效應的靈敏度：NE>>NB>NC,E-B結耗盡區主要在B區，VEB很小，對基區寬度調制影響小，C-B結的耗盡層寬度大部分位于C區，使對基區寬度調制的影響減小到最小。但是若在倒置模式下工作，基區寬度調制效應將會很明顯。3.穿通基區寬度調制效應最終導致的W0的物理狀態。穿通發生，E-B結和C-B結就靜電聯結在一起，導致大量的載流子從發射區直接注入集電區，擊穿電壓和穿通電壓先發生者決定了BJT的VCBO和VCEO電場EVEBO:集電極開路，發射極-基極擊穿電壓。

VCEO:基極開路，集電極-發射極的擊穿電壓。VCBO：發射極開路，集電極-基極的擊穿電壓發射極開路時流過CB結的飽和電流基極開路時流過CB結的飽和電流4。雪崩倍增和擊穿共基極：放大模式下，加在C-B結的電壓增加，穿過C-B耗盡區的載流子增加，獲得的動能增加，碰撞晶格離子產生更多載流子，發生雪崩擊穿。

倍增系數m=3-6非對稱摻雜結共發射極擊穿共發射極擊穿電壓VCEO<VCBO0-注入基區的空穴1-擴散到C-B結邊界2空穴碰撞C-B耗散區內的晶格，產生電子空穴3電子被掃回基區，多余電子導致基區多子失去平衡共基極，多余電子流出基極共發射極，多余電子注入發射區，從而導致附加的空穴注入基區，隨著附加空穴的注入，在C-B耗盡區會有附加的載流子倍增，導致更大的集電區電流，IC時的VEC遠小于CB結的擊穿電壓考慮C-B耗盡區內的載流子倍增ICP=MTIEPMT代替T，Mdc代替dc，根據公式10.15M1/dc,時IC利用設VBR=VCBOVA=VCEOICBO與ICEO的關系ICBO是流過集電極的反向飽和電流，主要是集電結附近熱產生的電子被掃入基區形成的電流ICEO是基極開路時，集電極-發射極的電流，此時集電結強反偏，發射結弱正偏，發射結有微弱的空穴注入，所以ICEO>>ICBO共基極共發射極與共發射極的公式對比5.幾何效應在理想BJT模型中，電流被假定為是“一維”的，即從發射區注入到基區的載流子是直線移動到集電區的，而實際BJT中并非如此，因而使理想結構給出的結果與實際情況有一些偏差。基區擴展電阻和發射極電流集邊效應發射區面積集電區面積串聯電阻：它使E-B結的電壓降低IBrB,雖然其值很小，但對發射區電流影響很大，因電流是結電壓的指數函數。

在晶體管工作時，基極電流在基區中平行于結面流動，基極電流是一股漂移電流，因此，在基極電流流動的方向產生電壓降，使發射－基極結面的不同位置處于不同的正向偏壓下，在發射極條邊緣位置的結偏壓最高，中心結偏壓最低，因而在整個發射結面的注入是不均勻的，大部分注入電流通過發射極的邊緣，這種注入電流向發射結邊緣集中的現象稱為發射極電流集邊效應。基區擴展電阻和發射極電流集邊效應在功率BJT中，流過BJT的電流較大，電流集邊和因此導致的局部過熱特別有害，所以在功率BJT中，發射極和基極采用如下圖所示的梳狀結構理想BJT看作本征晶體管，串聯電阻包括體電阻和接觸電阻之和，實際的E-B結和C-B結的電壓為：考慮串聯電阻效應后BJT的等效電路6。復合-產生電流在理想BJT中，忽略了E-B結和C-B結耗盡區內的熱復合-產生電流。實際BJT中，如SiBJT在室溫下就發現有顯著的復合-產生電流。在放大模式下，E-B結中的復合-產生流成為基區電流的主要成分，使發射效率和電流放大系數變小。輸入端開路時，C-B結的復合-產生流會使ICBO和ICEO增加但是，對于BJT，在大多數情況下，輸入和輸出電流都主要以發射區注入的電流為主。7.緩變基區基區內的雜質分布不是常數，而是從E-B結處的最大值“緩變”到C-B結處的最小值。基區雜質分布的濃度梯度，使基區存在內建電場，電場幫助少子以更快的速度穿過基區，即減少了基區渡越時間，減少了基區內的復合，增加了基區輸運系數和電流放大系數，同時也改善了高頻響應速度。熱平衡時，擴散流=漂移流8BJT的品質因素

借助圖形顯示的“品質因素”，可以迅速地了解實驗結果與理想結果的偏差程度

Gummel圖-同時記錄IB和IC隨輸入電壓VEB變化的半對數圖理想情況：IC，IB都是一條直線，斜率為q/KT

實際情況：VEB較小時，復合-產生流使實際的基極電流明顯增大。

VEB較大時，集電極電流開始向水平方向傾斜并趨于飽和，主要是由于大注入效應，串聯電阻效應和電流集邊效應引起的8BJT的品質因素BJT的Gummel曲線共發射極直流電流增益與輸出電流的關系11.3現代BJT結構1.多晶硅發射極(應用于集成電路中）2.異質結三極管（HBT）(高頻高速應用）

1多晶硅發射極多晶硅發射極的BJT的理想橫截面圖采用多晶硅發射極的優勢：1適合制作現代IC所需的淺發射區/基區結2它的共發射極電流放大系數大

現代IC中，為提高工作速度，采用薄發射區，即WE/LE<<1，在發射區的復合可忽略，此時發射區少子分布成為位置的線性函數，在放大模式偏置下，從基區注入發射區的電流會有一個顯著的增加，從而使發射效率下降，電流增益也減小。原因采用多晶硅發射極后，WE1<LE1,WE2<LE2E1<E2,但是在多晶硅和單晶硅的界面處，少子的濃度和少子擴散電流是連續的多晶硅的少子分布的斜率比單晶硅的大，總的結果使基區注入到發射區的電流減少，發