n+ Buried Layer
p-
C
Metal
n+
SiO2
pn-Isolation
p+
典型数字集成电路中NPN晶体管剖面图
集电结外延，发射结离子注入
5.1.2 电流增益
发射区（p+） 基区（n） 集电区（p）
IE
} IEP
IEn 空穴电流和穴电流
{IBB IB
} ICP
IC
ICn
电子电流 电子流
电流电压特性
3
正向导通
VBR 4
反向阻断
Ih
2
IS
1
Vh
VBF VAX
正向阻断
5
双晶体管示意图
E
B
C
R
p1
n1
p2
+
-
IB1=IC2
IC1=IB2
n1
p2
n2
C
B
E
I I1 I2
1 1 2
双向可控硅器件
双向可控硅器件是一种在正或负 阳极电压下都可开或关的器件， 双向p-n-p-n二极管双向交流开关


1]

a22
a21

qADP W
pn0
a22

qA

DP pn0 W

DC nCO LC

基极电流
I
B
（a11

a21）[exp

qVEB kT


1]
（a12

a22）
结极性与少数载流子分布
E
B
C
E
B
C
nP pn
nP
0W
放大
nP
Pn
nP
0W
饱和
E
B
C
np
Pn
np
0W
截止
E
B
C
nP pn
np
0W 反转
工作模式
放大模式 射基结正，集基结反 饱和模式 两结都正向偏压 截止模式 两结都反向偏压 反转模式 射基结反，集基结正
各模式下的一般表示式
IE

a11
exp

qVEB kT

1

a12
exp

qVCB kT
理能力
5.1 晶体管的工作原理
晶体管概念：是一种多重结的半导体器件 三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结， 浓度最高的p+区称为发射区，中间较窄的n 区域，称为基区，浓度最小的p型区域称 为集电区。
晶体管的发明
理论推动
19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要 物理效应
光电导效应 光生伏特效应 整流效应
量子力学 材料科学
需求牵引：二战期间雷达等武器的需求
晶体管的发明
1946年1月，Bell实验室正式成立半导体 研究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain
Bardeen提出了表面态理论， Schokley 给出了实现放大器的基本设想，Brattain 设计了实验
一双向三端点的可控硅器件称为三 极交流开关
可控硅器件形式
传统可控硅器件 非对称可控硅器件 栅极关闭可控硅器件 光感应可控硅器件
可控硅器件应用
HVDC 马达驱动 电源供应 SMPS高频功率转换 照明超声波发生器
n-p-n双极型晶体管
5.1.1 工作在放大模式
由邻近的射基极注射过来的电 子可在反向偏压的集基极造成大电 流，这就是晶体管的放大作用，而 且，只有当此两结彼此足够接近时 才会发生，此两结被称为交互 p-n 结
双极集成电路中元件的形成过程和元件结构

pn-Isolation p+ n-
B
E
p
n+
β ~(NE/NB)exp(Δ Eg/kT)
5.5 可控硅器件
J1
J2 J3
P1
n1
P2 n2
a
X=0
b
X=w
可控硅器件
J1，J2，J3三个p-n结与接触电极相 连的最外层p层称阳极，另一边n层 称为阴极。这个没有额外电极的结 构是个两端点的器件，被称为p-np-n二极管，若另一个称为栅极的电 极被连到内层的p层，所构成的三端 点器件一般称为半导体控制整流器
综上： 0 T
所以 Ic 0 IE ICBO
5.2 双极型晶体管的静态特性
五点假设：
•晶体管各区域浓度为均匀掺杂； •基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和 电流可以忽略； •载流子注入属于小注入； •耗尽区无产生-复合电流； •晶体管中无串联电阻。
各区域少数载流子分布
发射 Pn(0基) 区n 区p+
第5章 双极型晶体管及相关器件
5.1 晶体管的工作原理 5.2 双极型晶体管的静态特性 5.3 双极型晶体管的频率响应与开关特性 5.4 异质结双极型晶体管 5.5 可控硅器件及相关功率器件
相关主题
1 双极型晶体管的电流增益工作模式 2 双极型晶体管的截止频率与开关时间 3 异质结晶体管的优点 4 可控硅器件与相关双极型器件的功率处

1
IC

a21
exp

qVEB kT

1

a22
exp

qVCB kT

1
共基组态输出I-V特性
EB C IE
E
p+ n p
+
VEB
IB
-
B
IC
+C VCB
-
饱和
IE =6mA 放大
P-n-p共基组态
截止
ICBO BVCBO
Pn(x)
集电区 p
QQB B
nco
nEO nE(x)
Pno
nc(x)
-xE 0
W XC
p-n-p
基极（ qVEB kT
）（1 x W
）
=p（n 0）（1-
x W
）
发射极和集电极
n（E x）
nEO

nEO
[exp

qVEB kT

1]exp（ x
（j f
/
f）
f （1 0）fa
fT 02 1 f 0 10 f 0 f
IP=qv（x）p（x）A
B
W 0
（vdxx）
W q（p x）Ad（x）
0
IP
B

W2 2DP
VEB VS
0
开关暂态过程
IC
IB P
t RS
n
VEB
P+
IE
RL -
输出电流电压特性
共射组态
IC
0 10
IB
ICBO
10
0 IC 0 IB 10
ICEO

ICBO
10
IC 0IB ICEO
共射组态输出电流-电压特性
IC C I 饱和
IB P C
VCB=0 IB=25uA
B -
nB
VBE
VEB
E +
PE IE E
VCC
+
晶体管开关电路
IB
0
t2
QB（t2） QS O t1 ta t2t3 t
IC
ts
IC（t1）
0 t1 ta t2t3
Pn（x）
基区 t2
ta
t1，t3 QS
t=0
0
w
5.4 异质结双极型晶体管
异质结双极型晶体管是指晶体管 中的一或两个结由不同半导体材料 组成，主要优点是发射效率高，具 有较高的速度
1947年12月23日，第一次观测到了具有 放大作用的晶体管
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
第一个点接触式的NPN Ge晶体管 (transistor)
Bardeen, Brattain, and Schockley获1956
年诺贝尔物理奖
晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
+
xE LE
）x

-xE
n（C x）=nCO

nC O
exp（
x
xcE LC
）
x xC
发射极电流
IE

a11[exp（
qVEB kT
）
1]

a12
a11
qA（ DP pn0 W

DE nEO ） LE
a12

qADP pn0 W
集电极电流
IC

a21[exp

qVEB kT
ICEO
V
截止 BVCEO
厄雷效应
IC IB
厄雷
电压 VA
VCE
又称为基区宽度调制效应
5.3 频率响应与开关特性
高频等效电路
B`
rB
B
CCB
C
rc
C`
~ VEB
CEB
CD
~
gmVEB
gEC
gEB
E
E
截止频率
共基电流增益 共射电流增益
特征频率


0
1 （j f
/
f
）
a

1

1

0
VEC
-
E
发射区 基区 集电区