2.4 双极晶体管
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
2.4.3 晶体管的击穿电压 2.4.4 晶体管的频率特性 2.4.5 晶体管的功率特性 2.4.6 晶体管模型和模型参数
2.4.4 晶体管的频率特性
1. 双极晶体管交流小信号电流增益
频率特性：随着信号频率的增大，晶体管交流信号放大能力减弱。 晶体管放大交流信号时，信号一般很小采用交流小信号电流增益描述 。 (1)共基极交流小信号电流放大倍数α ：
2.4 双极晶体管
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2.4.2 影响晶体管直流特性的他因素
2.4.3 晶体管的击穿电压 2.4.4 晶体管的频率特性 2.4.5 晶体管的功率特性 2.4.6 晶体管模型和模型参数
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
本节从器件工作物理过程分析实际晶体管的特性相对于理想结果发生偏离 的原因 。
2.4 双极晶体管
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
2.4.3 晶体管的击穿电压 2.4.4 晶体管的频率特性 2.4.5 晶体管的功率特性 2.4.6 晶体管模型和模型参数
2.4.3 晶体管的击穿电压
双极晶体管除了存在与pn结有关的击穿电压外，还存在一种特殊的“击穿 现象”：基区穿通 。
IB＝IpE＋IRB－ICBO
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
3. 双极晶体管直流电流增益
(1) 共基极直流电流增益α0 为了表示晶体管将输入电流IE变为输出电流InC的能力，引入共基极直 流电流增益
α0 =InC/IE
(2) 注入效率γ与基区输运系数β*
将α0定义式适当变换，并引入两个参数γ和β*
1. 双极晶体管结构
(3)双极晶体管实际结构和杂质分布
下面针对正向放大状态下的均匀杂质分布的npn晶体管（共基极连接） 分析晶体管放大原理以及其放大特性与晶体管结构参数的关系。
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
pn结隔离双极集成电路中的双极晶体管结构示意图
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2. 双极晶体管直流电流传输过程
BVCEO是基极开路时发射极和集电极之间 的击穿电压，这时集电极和发射极之间是由 正偏EB结和反偏BC结的串联 。分析可得 显然，BVCEO小于BVCBO β0越大，BVCEO越小 。
2.4.3 晶体管的击穿电压
3. 基区穿通
(1) 基区穿通现象： VCE增加bc结反偏电压绝对值增大 bc耗尽层宽度 随之变宽晶体管有效基区宽度Wb减小。若 VCE增加到使得基区宽度Wb减 小到趋于0，则称为基区穿通。 (2) 基区穿通的影响： Wb趋于0 基区少子分布斜率趋于无穷大IC急剧 增大，其效果与击穿相同。 (3) 基区穿通电压：发生基区穿通现象时集电结上施加的电压称为基区穿 通电压，记为VPT。 基区穿通电压与击穿电压都是限制工作电压的因素。 (4) 提高基区穿通电压的途径：由于基区穿通是基区宽变效应致使基区宽 度趋于0的极端情况，因此提高基区穿通电压与减小基区宽变效应的途径相 同，即要求提高基区掺杂浓度、增大基区宽度。 这些要求均与提高电流放大系数相冲突，需要统筹考虑。
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
3. 双极晶体管直流电流增益
(4) 共射极直流电流增益β0 共射极连接，输入电流为IB，输出电流为IC 。 由 IC＝α0IE＋ICBO 代入IE=IC+IB，经简单数学变换，得
输出电流IC由两部分组成。其中β0IB是由输入电流IB对输出端电流的贡 献部分。这部分电流与输入电流IB之比为β0，称为共射极直流电流增益。 ICBO是输入端开路（IB=0）情况下输出电流，只流过输出端，对信号传 输没有贡献。而且由上式可见，ICEO是ICBO的(1+β0)倍，比ICBO大得多。 由前面表达式 一般晶体管中，α0通常都大于0.99，则β0比1大得多，通常在几十到几 百之间。对电流增益有特殊要求的超β晶体管，β0可能达到几千 。
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
2.4.3 晶体管的击穿电压 2.4.4 晶体管的频率特性 2.4.5 晶体管的功率特性 2.4.6 晶体管模型和模型参数
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
1. 双极晶体管结构
(1) 双极晶体管基本结构
(2) 双极晶体管偏置模式和在电路中的基本连接方式
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
(2) 基区输运系数与晶体管结构参数的关系
(3) 直流电流放大系数与晶体管结构参数的关系 将上述注入效率和基区输运系数表达式代入电流放大系数表达式，得
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
4. 提高双极晶体管直流电流增益
(3) 直流电流放大系数与晶体管结构参数的关系
(4) 提高直流电流放大系数的途径
1. 单结击穿电压
BVEBO和BVCBO分别为EB结和CB结的击穿电压。其击穿机理以及击穿电 压与器件结构参数的关系与单个pn结的情况基本相同。 EB结两侧的杂质浓度比BC结两侧的杂质浓度高， 因此BVCBO 比BVEBO大 得多。对于硅器件，BVEBO一般为5～7V；而BVCBO结通常为几十伏。
2. 与两个结有关的击穿电压 BVCEO
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
2. 双极晶体管直流电流传输过程
可得双极晶体管内部电流传输示意图
(2) 端电流组成 发射极电流 IE＝InE＋IpE InE是发射区通过eb结注入到基区的电子电流 IpE是基区通过eb结注入到发射区的空穴电流 集电极电流 IC＝InC＋ICBO InC是InE中通过基区到达集电结的电流 显然InC ＝(InE－IRB) ，其中IRB是在基区中复合的电流 ICBO是流过反偏bc结的反向饱和电流（从集电极流向基极） 由IB＝IE-IC可得
(2)共射极交流小信号电流放大倍数β ：
上述定义中，相应输出端偏置电压保持为常数，相当于交流短路，因此又 称为交流短路电流放大系数 用分贝(dB)数表示
γ＝InE/IE＝InE/(InE＋IpE) 表示注入到基区的电流InE在发射极总电流IE中 所占的比例，反映了发射区向基区注入电流的效率，称为注入效率。 β*＝InC/InE=（InE－IRB）/ InE=1-(IRB/InE)表示注入基区的电流中能够通 过基区的电流在注入电流中所占的比例，称为基区输运系数。
3. β0随IC变化的物理原因分析
(1) β0与工作电流IC关系的描述
半对数坐标中，IC和IB之间的间距就 对应β0
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
3. β0随IC变化的物理原因分析
(1) β0与工作电流IC关系的描述 (2) 大注入导致大电流下β0下降 IC增大基区出现大注入IC随VBE 增大趋势减缓，而IB增大趋势不变 β0 下降。 理想模型适用范围的IC电流曲线与大 注入情况下IC电流曲线延长线的交点的 纵坐标称为膝点电流，记为IKF IKF是表征晶体管在大电流下β0开始下 降的一个重要参数 。IKF越大，表示该 晶体管可以工作在比较大的电流下。 (3) 大注入导致大电流下β0下降 发射结空间电荷区存在复合 IB比理 想模型IB增大一个势垒复合电流分量 小电流情况下影响明显 β0下降
分析可得基区宽变效应导致β0随 VCE的变化关系为 VAF称为厄利电压（见图）。 厄利电压VAF越小，表示基区宽变效应越严重。 (3) 减小基区宽变效应（提高厄利电压）的途径 提高基区掺杂浓度、增大基区宽度 这些要求均与提高电流放大系数相冲突，需要统筹考虑。
2.4.2 影响晶体管直流特性的其他因素
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
3. 双极晶体管直流电流增益
(5) 晶体管放大电路工作原理
对共基极连接，输入端，Vi＝IEre，其中re是 发射结正向电阻。在输出端，Vo＝ICRL。因此共 基极晶体管的电压放大倍数GV和功率放大倍数 GP分别为
在正向放大偏置状态下，发射结正偏，其正向电阻re很小。而集电结反偏， 结电阻很大，因此在实际电路应用中，输出端集电极可以接比re大得多的负 载电阻RL。虽然上述表达式中α0略小于1，但是晶体管电路的电压放大倍数 GV和功率放大倍数GP均远大于1，具有电压和功率放大能力。 对共射极连接，电流放大倍数β0已大于1，其电压放大倍数GV和功率放大 倍数GP更比1大得多。
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
4. 提高双极晶体管直流电流增益
(1) 注入效率与晶体管结构参数的关系： 定量分析可得
方块电阻反映掺杂浓度的高低（见第三章）。掺杂越高，则方块电阻 越小。因此提高发射区掺杂浓度是提高注入效率的有效途径。 (2) 基区输运系数与晶体管结构参数的关系： 定量分析可得
(a) 减小发射区方块电阻，即提高发射区的掺杂浓度。 (b) 适当增大基区方块电阻，即减少基区的掺杂浓度。但是如果基区掺 杂浓度过低，将会影响晶体管的其他特性。 (c) 减少基区宽度Wb，这是提高电流放大系数的有效手段。 (d) 增大Lnb，即要求加强工艺控制，提高基区非平衡少子的寿命。 (e) 增大λ，使基区杂质分布尽量陡峭 。
微电子概论
西安电子科技大学 董刚
(gdong@)
第2章 集成器件物理基础
2.1半导体及其能带模型 2.2半导体的导电性 2.3 pn结和晶体二极管
2.4 双极型晶体管
2.5 JFET和MESFET器件基础 2.6 MOS场效应晶体管
2.4 双极晶体管
2.4.1 双极晶体管的直流放大原理
1. 实际晶体管放大特性与理想情况的偏离
(1)理想晶体管输出特性曲线的特点 由电流放大系数表达式可见，晶体管的放大系数只 与晶体管结构参数有关，是一个常数，与工作偏置条 件无关。 因此输出特性曲线呈现水平状等间距。 (2)实际晶体管的特点 (a) 与同一个IB对应的特性曲线不再是一条水平线，而是随着VCE的增 大，IC也随之增大。这就意味着，随着VCE的增大β0也增大。 (b) 电流放大系数随着工作电流的变化，即β0不再是常数。只是在一定 的电流范围，βo基本不随集电极电流IC变化。在电流较大和电流较小的情况 下，β0均要下降 。