双极型晶体管的基本工作原理和性能

3.5.1npn和pnp晶体管

单个pn结只具有单向导电或整流、检波作用,两个密切有机结合的pn结,则可形成具有放大作用的npn或pnp晶体管。图3.24为npn和pnp晶体管结构示意图及其在电路中的符号。每种晶体管都有3个不同掺杂浓度和类型的半导体区域，分别称为发射区、基区和集电区。由发射区-基区构成的pn结称为发射结(EB结),由集电区-基区构成的pn结称为集电结(CB结)。发射区、基区和集电区对应的3个极分别被称为发射极、基极、集电极。从结构上看,晶体管似乎就是两个背靠背的pn结。但晶体管与简单的两个背靠背pn结不同,位于中间的基区宽度较窄,远小于基区少子扩散长度。同时，晶体管3个区的掺杂浓度通常按发射区、基区、集电区依次有多个数量级降低。晶体管在电路中应用时,可将发射极、基极、集电极中的一端作为公共端,其余两端中一端作为输入、另一端作为输出。通常以基极或发射极作为公共端，对应的接法可分别称为共基极或共发射极。

晶体管工作时有多种偏置方法。常见为发射结正偏和集电结反偏。以npn管为例,当发射结(nP结)正偏时，将有大量电子从n发射区注人至p型基区,除了极少部分电子在扩散渡越基区时会复合以外,绝大部分电子都将到达反偏的集电结(pn结),并在集电结的电场作用下被收集至集电极,由于正偏pn结(发射结)具有很小的阻抗、反偏po结(集电结)具有很大的阻抗,因此,输出端可接一个很大的负载,也就意味着该晶体管能把一个很小输人阻抗上的电流变换至很大输出阻抗上几乎同样大小的电流,所以，晶体管的英文名词"transistor"即为阻抗变换器("trans十resistor")的组合词。在共基极应用时,输出端(集电极)可获得一个放大的电压信号。而在共发射极应用时,输人端(基极)电流可以在输出端(集电极)被放大B倍。

双极型晶体管主要特性如下:1它是少子输运器件，因而性能与少子复合寿命密切相关;2它是电流控制器件，在共发射极接法时,输人端基极电流IB会在输出端引起集电极电IB:3它具有低输人阻抗。

3.5.2 双极晶体管的基本工作原理和性能

本节以npn管为例,讨论双极晶体管的工作原理。双极晶体管有多种偏置方式,最重要的是EB结正偏、CB结反偏。图3.25展示npn晶体管在热平衡和放大偏置时的能带图。由能带图可知,发射结正偏和集电结反偏,使两个结的空间电荷区宽度发生相应变化,但在发射区、基区和集电区中仍存在中性区,在这些中性区内的电流大小可通过求解少子分布进而获得扩散电流。在绝大多数半导体器件教材中都有详细推导[.7.8,这里仅给出主要结论。

图3.26(a)和(b)分别为npn晶体管在放大偏置时的少子分布以及载流子输运示意图。在图3.26(a)中，用箭头表示电流方向,在图3.26(b)中则直接表示电子和空穴的实际流动方向,用上标"一"表示电子流，用上标"十"表示空穴流。由于EB结正偏、CB结反偏,且Ne>>NB>>Ne，在发射区、基区和集电区中，基区中少子浓度最高,又由于基区通常很窄，因此，基区中的少子浓度梯度也很大,远大于其他两个区域的少子浓度梯度。由于W。<

而其他两个区域的少子分布通常为指数衰减形式，但当发射区也很窄时(WE<

在不考虑发射结复合电流的情形下,发射结总电流Je是发射结电子扩散电流J和空穴扩散电流J之和,由于Ne>>NB,因此，J>>JE。按照晶体管增益特性要求,发射结正偏是为了向基区注人少子，在发射结电流中电子电流占比越大越好。在晶体管中，该占比被定义为发射结的发射效率,通过简单计算可知

如前所述，注人少子在基区中传输时，只有非常少的部分会与空穴复合。通常把到达集电结的电子电流与进人基区的电子电流之比定义为基区传输系数a7，其值可表示为

共发射极接法可获得电流放大作用,而共基极接法不能获得电流放大作用。另外,a的微小提高可显著提高,如a=0.98,则=49,而a=0.99,则=99。从工艺角度提高的方法,与前述提高a的方法相同。

对于给定晶体管,其输出电流I值基本上只由输入电流IE、IB决定,因为Ico、IcEo相对来说都很小。图3.27为npn晶体管在共基极和共发射极接法时的输出特性[。由图3.27可见,晶体管在放大偏置时，其输出电流I。基本上只受输人电流控制，与输出端电压基本无关,尤其对于共基极接法。在共发射极接法中，集电极电流Ic随输出端电压V的增加略有增大,是因为基区宽度调制效应，又称Early效应。

应当指出，上述双极型晶体管工作原理及其性能参数的讨论，仅针对理想模型和理想偏置条件。实际上，当偏置电流过小或过大，还需考虑发射结的复合电流影响和大注人效应，这些都会导致a、3的降低,即:在小偏置和大偏置时,a、可随工作电流(Ic)变化。其次，上述讨论只讨论了晶体管的直流效应或低频运用时的特性。当晶体管工作在高频时，由于电容效应和载流子渡越时间,a、会随工作频率增大而降低。当晶体管被用作开关时，晶体管还会工作在饱和、截止等状态。还有一种情况,即发射结反偏而集电结正偏,这实际上是正常晶体管的反向使用。正常晶体管的掺杂浓度为Ne>>NB>>Nc，当发射极和集电极颠倒使用时,这个反向晶体管的掺杂浓度变为N<