第三章雙極結型晶體管●雙極結型晶體管的結構●基本工作原理●理想雙極結型晶體管中的電流傳輸●愛伯斯-莫爾方程●緩變基區晶體管●基區擴展電阻和電流密聚●基區寬度調變效應●晶體管的頻率響應●混接型等效電路●晶體管的開關特性●擊穿電壓●P-N-P-N結構●異質結雙極晶體管第三章雙極結型晶體管●雙極結型晶體管的結構

1947.12.23日第一只點接觸晶體管誕生-BellLab.(Bardeen、Shockley、Brattain)

1949年提出PN結和雙極結型晶體管理論-BellLab.(Shockley)

1951年制造出第一只鍺結型晶體管-BellLab.(Shockley)

1956年制造出第一只硅結型晶體管-美德州儀器公司（TI）

1956年Bardeen、Shockley、Brattain獲諾貝爾獎

1956年中國制造出第一只鍺結型晶體管-（吉林大學高鼎三）

1970年硅平面工藝成熟，雙極結型晶體管大批量生產發展歷史發展歷史3.1雙極結型晶體管的結構

1.雙極型晶體管有兩種基本結構：PNP型和NPN型3.1雙極結型晶體管的結構1.雙極型晶體管有兩種基本結構：3.1雙極結型晶體管的結構

2.雙極型晶體管工藝復合圖3.1雙極結型晶體管的結構2.雙極型晶體管工藝復合圖3.1雙極結型晶體管的結構光刻硼擴散窗口1）襯底制備

襯底為低阻N型硅，電阻率在左右，沿（111）面切成厚約的圓片，研磨拋光到表面光亮如鏡。3.制造工藝2）外延外延層為N型，按電參數要求確定其電阻率及厚度。3）一次氧化

高溫生長的氧化層用來阻擋硼、磷等雜質向硅中擴散，同時也起表面鈍化作用。3.1雙極結型晶體管的結構1）襯底制備3.制造工藝2）外延3.1雙極結型晶體管的結構5）硼擴散和二次氧化

硼擴散后在外延層上形成P型區，熱生長的氧化層用來阻擋磷向硅中擴散，并起鈍化作用。6）光刻磷擴散窗口磷擴散和三次氧化磷擴散后在P型區磷雜質補償硼而形成N+區，熱氧化層用作金屬與硅片間電絕緣介質。光刻發射極和基極接觸孔9）蒸發鋁

10）在鋁上光刻出電極圖形

3.1雙極結型晶體管的結構5）硼擴散和二次氧化6）光刻磷擴3.2基本工作原理雙極晶體管四種工作模式（工作區）基極對集電極電壓基極對發射極電壓（1）正向有源模式：（2）反向有源模式：（3）飽和模式：（4）截止模式：加在各PN結上的電壓為根據兩個結上電壓的正負，晶體管有4種工作狀態，3.2基本工作原理雙極晶體管四種工作模式（工作區）基極對集3.2基本工作原理3.2.1共基極連接晶體管的放大作用

圖3-6（b）NPN晶體管共基極能帶圖

晶體管放大電路有兩種基本類型：共基極接法與共發射極接法。3.2基本工作原理3.2.1共基極連接晶體管的放大作用圖3.2基本工作原理3.2.2電流分量

從發射區注入到基區中的電子流。到達集電結的電子流?；鶇^注入電子通過基區時復合所引起的復合電流從基區注入到發射區的空穴電流發射結空間電荷區內的復合電流。集電結反向電流，它包括集電結反向飽和電流和集電結空間電荷區產生電流。

3.2基本工作原理3.2.2電流分量從發射區注入到基區中3.2基本工作原理3.2.2電流分量

（3-1）

（3-2）

（3-3）

（3-4）

3.2基本工作原理3.2.2電流分量（3-1）（3-23.2基本工作原理為描述晶體管的增益特性引進以下物理量

發射極注射效率

（3-5）

（3-7）

基區輸運因子

共基極直流電流增益

（3-6）

3.2.3.電流增益

3.2基本工作原理為描述晶體管的增益特性引進以下物理量（3.2基本工作原理（3-8）

（3-10）

利用（3-3）式，（3-7）式可以改寫成考慮到集電結正反兩種偏壓條件的完全表達式為（3-9）

3.2.3.電流增益

3.2基本工作原理（3-8）（3-10）利用（3-3）3.2基本工作原理圖3-8集電結電流電壓特性：（a）共基極情形，（b）共發射極情形

3.2基本工作原理圖3-8集電結電流電壓特性：（a）共3.2基本工作原理式中定義

共發射極接法

（3-11）

（3-12）

（3-13）

（3-14）

3.2基本工作原理式中定義共發射極接法（3-11）（3.2基本工作原理學習要求掌握四個概念：發射效率、基區輸運因子、共基極電流增益、共發射極電流增益了解典型BJT的基本結構和工藝過程。掌握BJT的四種工作模式。畫出BJT電流分量示意圖，寫出各極電流及其相互關系公式。分別用能帶圖和載流子輸運的觀點解釋BJT的放大作用。為什么公式（3-9）可以寫成公式（3-10）。解釋理想BJT共基極連接正向有源模式下集電極電流與集電壓無關的現象。解釋理想BJT共發射極連接正向有源模式下集電極電流與集電極－發射極間的電壓無關的現象。解釋理想BJT共基極連接和共發射極連接的輸出特性曲線。

3.2基本工作原理學習要求3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

（1）各區雜質都是均勻分布的，因此中性區不存在內建電場；（2）結是理想的平面結，載流子作一維運動；（3）橫向尺寸遠大于基區寬度，并且不考慮邊緣效應，所以載流子運動是一維的；（4）基區寬度遠小于少子擴散長度；（5）中性區的電導率足夠高，串聯電阻可以忽略，偏壓加在結空間電荷區上；（6）發射結面積和集電結面積相等；（7）小注入，等等

3.3.1電流傳輸

理想晶體管的主要假設及其意義：3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

（1）各區雜質都是均勻3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.3.1電流傳輸

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.3.1電流傳輸3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

邊界條件為：中性基區（0）少子電子分布及其電流：

（3-16）

（3-17）

（3-18）

3.3.1電流傳輸

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

邊界條件為：中性基區3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

1.電子電流

（3-16）

（3-19）（3-20）3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

1.電子電流（3-13.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

2.發射區少子空穴分布及其電流：邊界條件：

（3-21）

（3-23a）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

2.發射區少子空穴分布3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

若，（3-23a）式可以寫作：

（3-23b）

（3-24）

空穴電流為：3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

若3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.集電區少子空穴分布及其電流邊界條件：

（3-23）

（3-26）

（3-25）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.集電區少子空穴分布3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.3.2正向有源模式1.少數載流子分布

（3-27a）

在的情況下，（3-27a）式簡化

（3-27b）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.3.2正向有源模式3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

圖3-11正向有源模式下晶體管各區少數載流子分布正向有源模式下少數載流子分布曲線3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

圖3-11正向有源模3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.電流分量

1)發射區和收集區電子電流：

（3-28）

（3-29）

（3-30）

若

（3-31）

（3-32）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.電流分量（3-23.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

2)發射區和收集區空穴電流

（3-24）

（3-33）

3）正偏壓發射結空間電荷區復合電流：

（3-34）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

2)發射區和收集區空穴3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

（3-35）

（3-36）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

（3-35）（3-33.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

4.晶體管的輸出特性曲線

圖3-12NPN晶體管的靜態電流電壓特性

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

4.晶體管的輸出特性曲3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

5.共發射極電流增益（3-37）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

5.共發射極電流增益3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

共發射極電流增益與工作電流的關系圖3-13電流增益對集電結電流的依賴關系

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

共發射極電流增益與工作3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

學習要求理解理想雙極結型晶體管的基本假設及其意義。寫出發射區、基區、集電區少子滿足的擴散方程并解之求出少子分布。3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

學習要求3.4愛伯斯-莫爾方程

雙極晶體管有四種工作模式，取決于發射結和集電結的偏置狀況。(1)正向有源工作模式：

0，0

(2)反向有源工作模式：<0，>0

(3)飽和工作模式：0，0(4)截止工作模式:<0，<03.4.1工作模式和少子分布基區少子滿足的邊界條件為相應的邊界條件為:相應的邊界條件為:相應的邊界條件為:3.4愛伯斯-莫爾方程

雙極晶體管有四種工作模式，取決于發射3.4愛伯斯-莫爾方程

此外，

0正向有源飽和截止反向有源圖3-14晶體管四種不同工作模式對應的少數載流子分布3.4愛伯斯-莫爾方程

此外，0正向有源飽和截止反對于的情形（3-19)簡化為:3.4愛伯斯-莫爾方程

（在電路分析中，不考慮（3-19）式和（3-24）式中的負號）。（3-19）

（3-24）

3.4.2愛伯斯—莫爾（Ebers-Moll）方程

發射極注入到基極的電子電流為:基極注入到發射極的空穴電流為:對于的情形（3-19)簡化為:暫時把發射結空間電荷區復合電流看作是外部電流，則（3-40）

用類似的方法得到其中

（3-41）

（3-42）

（3-43）

(3-40）和（3-42）稱為愛伯斯—莫爾方程，簡稱為E-M方程。

3.4愛伯斯-莫爾方程

式中暫時把發射結空間電荷區復合電流看作是外部電流，則（3-40）愛伯斯—莫爾模型的等效電路圖圖3-15Ebers-Moll模型（a）NPN一維晶體管，（b）將晶體管表示為有公共區域的背靠背連接的二極管，（c）Ebers-Moll模型等效電路（c）叫做正向共基極電流增益。叫做反向共基極電流增益。3.4愛伯斯-莫爾方程

愛伯斯—莫爾模型的等效電路圖圖3-15Ebers-Moll根據圖3-15C可以寫出（3-44）

（3-45）

其中和分別為兩個二極管反向飽和電流。端電流為：（3-46）

（3-47）

聯立（3-44），（3-45），（3-46）和（3-47）式得到（3-48）

（3-49）

（3-48）和（3-49）式即為E-M方程3.4愛伯斯-莫爾方程

根據圖3-15C可以寫出（3-44）（3-45）其中和分將（3-48）式與（3-40）式比較，（3-49）式與（3-42）式比較，得到（3-50）

由于

有

（3-51）式稱為互易關系。（3-51）

3.4愛伯斯-莫爾方程

將（3-48）式與（3-40）式比較，（3-49）式與（3-以上討論的E-M方程，只是一種非線性直流模型，通常將它記為模型。在模型的基礎上計及非線性電荷貯存效應和歐姆電阻，就構成第二級復雜程度的模型。第三級復雜程度的模型則還包括多種二級效應，如基區寬度調制，基區展寬效應以及器件參數隨溫度的變化等等。3.4愛伯斯-莫爾方程

以上討論的E-M方程，只是一種非線性直流模型，通了解E－M方程中四個參數的物理意義根據E－M方程寫出四種模式下發射極電流和集電極電流表達式。（3-48）

（3-49）

3.4愛伯斯-莫爾方程

學習要求理解并記憶BJT四種工作模式下的少子分布邊界條件畫出BJT四種工作模式下少子分布示意圖。理解寫出方程（3-42）的根據。根據愛拜耳斯—莫爾模型的等效電路圖導出E－M方程了解E－M方程中四個參數的物理意義（3-48）（3-49）3.5緩變基區晶體管均勻基區晶體管：基區摻雜為均勻分布。少子在基區主要作擴散運動，又稱為擴散晶體管。

1.2N3866晶體管的雜質分布：距離x（m）圖3-162N3866晶體管的雜質分布

緩變基區晶體管：基區摻雜近似為指數分布，少子在基區主要作漂移運動，又稱為漂移晶體管。3.5緩變基區晶體管均勻基區晶體管：基區摻雜3.基區少子分布（3-52）

（3-55）式（3-56）中負號表示電流沿－x方向。4.電子電流（3-56）3.5緩變基區晶體管2.基區的緩變雜質分布，引起內建電場這個電場沿著雜質濃度增加的方向，有助于電子在大部分基區范圍內輸運。這時電子通過擴散和漂移越過基區薄層，致使輸運因子增加。3.基區少子分布（3-52）（3-55）式（3-56）中把整個基區復合電流取為（3-57）（3-58）根據基區輸運因子的定義

把式（3-55）代入式（3-58）并使用，便得到

（3-59）3.5緩變基區晶體管5.基區輸運因子對于均勻基區，（3-58）式化簡為（3-32）式。

把整個基區復合電流取為（3-57）（3-58）根據基區輸學習要求1.導出緩變基區晶體管基區內建電場公式（3-52）。2.導出少子分布公式（3-55）。3.導出電流公式（3-56）。4比較基區輸運因子公式（3-59）與均勻摻雜的基區輸運因子公式（3-32）。5.擴展知識：導出緩變發射區晶體管發射區少子空穴分布和空穴電流分布表達式（考研參考）。

3.5緩變基區晶體管學習要求3.5緩變基區晶體管如果把基極電流

IB從基極引線經非工作基區流到工作基區所產生的電壓降，當作是由一個電阻產生的，則稱這個電阻為基極擴展電阻，用

rbb’表示。由于基區很薄，rbb’的截面積很小，使

rbb’的數值相當可觀，對晶體管的特性會產生明顯的影響。工作基區：指正對著發射區下方的在WB

范圍內的基區，也稱為有源基區或內基區。非工作基區：指在發射區下方以外從表面到

xjc處的基區，也稱為無源基區或外基區。3.6基區擴展電阻和電流集聚1.基區擴展電阻和電流集聚

如果把基極電流IB從基極引線經非工作基區流到工作3.6基區擴展電阻和電流集聚有源電阻和無源電阻

圖3-17基區中的橫向基極電流和歐姆電壓降，導致在發射結中，邊緣處有最大正向偏壓1.基區擴展電阻和電流集聚

電流集聚效應：少數載流子的注入從基區邊緣起隨著向內的深度而下降。非均勻載流子的注入使得沿著發射結出現非均勻的電流分布。造成在靠近邊緣處有更高的電流密度，這種現象稱為電流集聚效應3.6基區擴展電阻和電流集聚有源電阻和無源電阻2.中功率雙極晶體管交叉指狀電極圖形的俯視圖

圖3-18中功率雙極晶體管指狀交叉圖形的俯視圖3.6基區擴展電阻和電流集聚分析：交叉指狀電極能有效克服電流集聚效應？2.中功率雙極晶體管交叉指狀電極圖形的俯視圖圖3-1學習要求了解BJT基極擴展電阻和電流集聚效應。掌握有源電阻、無源電阻、基區擴展電阻和電流集聚的概念。為什么交叉指狀電極能有效克服電流集聚效應。

3.6基區擴展電阻和電流集聚學習要求3.6基區擴展電阻和電流集聚3.7基區寬度調變效應

1.問題的提出在共發射極電路正向有源模式下，對于給定的基極電流，集電極電流應當與集電極電壓無關。圖3-8(b)中的曲線斜率應為零。但圖3-8(b)中的電流卻隨集電極電壓的增加而增加。這種現象起因于晶體管的基區寬度調變效應，也稱為Early效應。圖3-8集電結電流電壓特性：（a）共基極情形，（b）共發射極情形3.7基區寬度調變效應1.問題的提出在共發射極電路正向有源模前面的討論中默認有效基區寬度是不變的，實際上是集電結偏壓的函數。（3-60）

共發射極電流增益正比于，當增加時，集電結空間電荷區展寬，使有效基區寬度減小，如圖3-21所示。減小使增加，從而集電極電流將隨的增加而增加。

3.7基區寬度調變效應2.基區寬度調變效應的分析：的變化：1)前面的討論中默認有效基區寬度是不變的，實際上

2）的變化：

（3-61）

可見也將隨增加而增加，呈現出不飽和特性，如圖3-21b所示。綜合1），2）隨的增加而增加。這就是Early效應。3.7基區寬度調變效應2）的變化：（3-61）可見也將隨3.基區寬度減小使少子濃度梯度增加：

圖3-21晶體管中的少數載流子分布(a)有源區工作，=常數，改變時有效基區寬度與少數載流子分布的變化(b)和對應的基區少數載流子分布3.7基區寬度調變效應3.基區寬度減小使少子濃度梯度增加：設NPN雙極結型晶體管有效基區邊界分別為0和。在下列三種邊界條件下解擴散方程求少子分布和電流分布。討論三種邊界條件下電流的大小。根據所得結果得出結論：當增加時，集電結空間電荷區展寬，使有效基區寬度減小，基區寬度減小,使少子濃度梯度增加因而增加。3.7基區寬度調變效應4.擴展知識（考研參考）：3.7基區寬度調變效應4.擴展知識（考研參考）：學習要求解釋基區寬度調變效應推導隨的變化從基區寬度減小使少子濃度梯度增加因而增加的角度定量解釋基區寬度調變效應（擴展知識－考研參考）。3.7基區寬度調變效應推導隨的變化學習要求推導隨的變化從基區寬度減小使少子濃度3.8晶體管的頻率響應2.電流增益與頻率的關系稱為晶體管的頻率響應：圖3-22電流增益作為頻率的函數1.小信號的共基極和共發射極電流增益定義為：3.8晶體管的頻率響應2.電流增益與頻率的關系稱為晶體管的頻⑴共基極截止頻率：的大小下降為0.707（即的模量的平方等于的一半或者說下降3dB）時的頻率。⑵共發射極截止頻率：的大小下降為0.707（下降3dB）時的頻率。和也稱為3dB頻率。⑶增益帶寬乘積，它是的模量變為1時的頻率，也叫做特征頻率。相對頻率的曲線的斜率為20dB/十進位，它可用下式來描述（3-62）

可見在，的大小為0.707相對頻率的曲線的斜率為20dB/十進位，在時的大小下降3dB，因而也稱為3dB頻率。3.8晶體管的頻率響應圖中的各種頻率定義為：⑴共基極截止頻率：的大小下降為0.707（即利用和之間的關系求得（3-63）式中

是模量為1時的頻率，由（3-63）式，取

，有，（3-65）由于是晶體管共射極接法工作的截止頻率即帶寬，故稱為增益帶寬乘積。3.8晶體管的頻率響應利用和之間的關系求得（3-63）式中是模低得多，但增益帶寬之積接近于再由

以上討論說明共發射極截止頻率要比3.8晶體管的頻率響應（3-66）<低得多，但增益帶寬之積接近于再由以上討論說明共發射極截止頻（3-67）1）基區渡越時間假設基區少數載流子電子以有效速度渡越基區，則基區電子電流為

一個電子渡過基區所需要的時間（3-68）3.8晶體管的頻率響應3.晶體管中的時間延遲四個最重要的因素：（3-67）一個電子渡過基區所需要的時間（3-68）3.根據（3-55）式（3-69）（3-70）小的意味著短的信號延遲或高的工作頻率。3.8晶體管的頻率響應對于均勻基區晶體管根據（3-55）式（3-69）（3-70）小的意味著短的＝＝正向偏置的發射結過渡電容CTE

與結電阻并聯，充電時間常數為（3-71）正向偏置的發射結過渡電容粗略估計是（2-76）式中=0時給出的零偏壓電容值的4倍

3.8晶體管的頻率響應2）發射結過渡電容充電時間由＝＝正向偏置的發射結過渡電容CTE與結電阻并聯，充電（3-71）是集電結耗盡層的總厚度，是載流子越過集電結耗盡層的飽和速度。4）集電結電容充電時間集電結處在反向偏壓下使得與結電容并聯的電阻很大。結果是，充電時間常數由電容CTC和集電極串聯電阻rSC所決定：（3-73）由于重摻雜的外延襯底，圖（3-1）中平面型外延晶體管的集電極電阻很小，因而可以忽略。但在集成晶體管中應把它計算進去。3.8晶體管的頻率響應3）集電結耗盡層渡越時間（3-71）是集電結耗盡層的總厚度，是載流子越過集電結（3-74）截止頻率等于從發射極到集電極的信號傳播中的全部時間延遲的倒數。因而有截止頻率對工作電流的依賴關系：1）當發射極電流增加時，發射結時間常數變得更小，因此式（3-74）中的增加。這說明，頻率特性的改進可以通過增加工作電流來實現。2）科爾克（Kirk）效應。3.8晶體管的頻率響應4.截止頻率（3-74）截止頻率等于從發射極到集電極的信號傳播掌握概念：頻率響應、共基極截止頻率、共發射極截止頻率、特征頻率（帶寬）、基區渡越時間

＜（3-66）（3-64）（3-68）3.8晶體管的頻率響應教學要求解釋Kirk效應。導出基區渡越時間公式。分析關系式分析公式掌握概念：頻率響應、共基極截止頻率、共發射極截止頻率、特征頻

3.9混接Π型等效電路

1.混接Π型（H-P模型）又稱為復合Π模型代表工作在共發射極電路中的正向有源模式的晶體管。圖3-23復合Π式等效電路3.9混接Π型等效電路1.混接Π型（H-P模型）又稱為1）跨導（3-75）它反映了發射結電壓對集電極電流的調制。（3-78）2）正偏發射結擴散電導：（3-79）它是正偏發射結電阻（也叫做PN結擴散電阻）的倒數。

3.9混接Π型等效電路

圖中各參數的意義如下：1）跨導（3-75）它反映了發射結電壓對集電極電流的調制。于是（3-80）（3-81）（3-82）3）擴散電容：

3.9混接Π型等效電路

略去空間電荷區復合電流于是（3-80）（3-81）（3-82）3）擴散電容：貯存在基區的總電荷為（3-83）（3-84）故

4）耗盡層電容

可以證明共發射極短路電流增益的截止頻率為（3-85）

3.9混接Π型等效電路

貯存在基區的總電荷為（3-83）（3-84）故4）耗盡對于CD>>CTE+CTC的情形，增益—帶寬乘積為

（3-86）注意：增益—帶寬乘積與上節中均勻基區晶體管的基區渡越時間的倒數是完全相同的。

3.9混接Π型等效電路

對于CD>>CTE+CTC的情形，增益—帶寬乘積為（3-8導出公式（3-78）、（3-81）、（3-84）。畫出混接Π型等效電路。

3.9混接Π型等效電路

學習要求導出公式（3-78）、（3-81）、（3-84）。3.93.10晶體管的開關特性由圖3-25b中的電流脈沖驅動，使得晶體管運用于截止區與飽和區。圖3-25雙極晶體管的開關運用：（a）電路圖，（b）基極電流驅動，（c）輸出特性，（d）輸出電流波形3.10晶體管的開關特性由圖3-25b中的電流脈沖驅在截止狀態,發射結和集電結都處于反偏狀態。集電極電流很小,阻抗很高，晶體管處于“關”態。在飽和狀態集電極電流很大而且它的阻抗很低，所以晶體管被認為是“通”態。3.10晶體管的開關特性硅晶體管在飽和區在飽和狀態，集電極電流被負載電阻所限制：（3-87）在截止狀態,發射結和集電結都處于反偏狀態。集電極電流（3-88）在“通”和“斷”兩個狀態之間的轉換是通過改變載流子的分布來完成的。

載流子分布不能立刻改變。需要一個過渡時間，稱為開關時間。集電極電流的典型開關波形示于圖3-25（d）中，開關時間的定義:

1.導通延遲時間導通延遲時間td是從加上輸入階躍脈沖至輸出電流達到最終值的百分之十所經歷的時間。它受到下列因素的限制：（1）從反偏壓改變到新電平，結的耗盡層電容的充電時間；（2）載流子通過基區和集電結耗盡層的渡越時間。驅動晶體管進入飽和所需要的最小基極電流為：3.10晶體管的開關特性（3-88）在“通”和“斷”兩個狀態之間的轉換是通過改變載圖3-26飽和時的貯存在基區和集電區中的電荷同時表示了處在截止和有源區的基區電荷3.10晶體管的開關特性圖3-26飽和時的貯存在基區和集電區中的電荷3.10晶體2.上升和下降時間關斷的下降時間：表示集電極電流從它最大值的百分之九十下降到百分之十的時間間隔。這是上升時間的逆過程，并且受到同樣的因素限制。3.貯存時間

從基極電流發生負階躍到集電極電流下降到之間的時間。上升時間：電流從（）的百分之十上升到百分之九十所需要的時間。它對應于在基區建立少數載流子分布以達到集電極飽和電流的百分之九十。該時間受輸出時間常數的影響。3.10晶體管的開關特性2.上升和下降時間關斷的下降時間：表示集電極電流從它對連續性方程（1-213a）從0至求一次積分（令）（2-106）

，得到

由3.10晶體管的開關特性用代替（0），用代替，并用代替，便得到正向有源模式的基區電荷控制方程：對連續性方程（1-213a）從0至求一次積分（令在穩態條件下，式中依賴于時間的項為零。由上式，基極電流可表示為當進入飽和時，總電荷為，電荷控制方程變為現在讓我們突然把基極電流從改變到，過量電荷開始減少，但有源電荷之間保持不變。于是在這段時間內可以令

在和以及3.10晶體管的開關特性在穩態條件下，式中依賴于時間的項為零。由上式，基極電流可表示于是有或方程（3.93a）的通解為：

特解為

-（）3.10晶體管的開關特性于是有或方程（3.93a）的通解為：特解為-（在時，全部過量少數載流子被去除掉，。因此求得在t=時，方程（3.93）中的時間依賴項為零，并利用（3.95）式得到過量電荷為3.10晶體管的開關特性這是方程（3.93a）的初始條件。于是得方程（3.93a）的解為在時，全部過量少數載流子被去除掉，學習要求了解晶體管開關工作原理。為什么晶體管開關需要開關時間？了解晶體管開關時間所涉及的物理過程。3.10晶體管的開關特性學習要求3.10晶體管的開關特性3.11擊穿電壓1.共基極連接在發射極開路的情況下，晶體管集電極和基極兩端之間容許的最高反向偏壓:經驗公式（對于共基極電路）：圖3-27中，在處突然增加.從集電極電流與發射極電流之間的關系來看，包含雪崩效應的有效電流增益增大M倍，即（3-99）（3-100）晶體管中最高電壓的根本限制與在P-N結二極管中的相同，即雪崩擊穿或齊納擊穿。但是，擊穿電壓不僅依賴于所涉及的P-N結的性質，它還依賴于外部的電路結構。3.11擊穿電壓1.共基極連接圖3-27中，在處當M接近無窮時滿足擊穿條件。3.11擊穿電壓圖3-27共發射極和共基極電路的擊穿電壓共發射極擊穿電壓比共基極擊穿電壓低很多。當M接近無窮時滿足擊穿條件。3.11擊穿電壓圖3-27共發由于，因此，包含雪崩效應的共發射極電流增益為（3-101）當達到的條件時，新的電流增益變為無窮，即發生擊穿。由于非常接近于1，當不要比1大很多時就能滿足共發射極擊穿條件?；鶚O開路情況下的擊穿電壓用表示。令（3-99）式中的并使等于，可以解得（3-102）硅的數值在2到4之間，在值較大時，共發射極擊穿電壓可比共基極擊穿電壓低很多。3.11擊穿電壓2.共發射極連接由于，因穿通電壓：若在發生雪崩擊穿之前集電結的空間電荷層到達了發射結，則晶體管穿通，這個擊穿電壓就叫做穿通電壓。穿通機制：一個晶體管的空間電荷區及能帶分布示于圖3-28中。在這種條件下，發射區和集電區被連接成好象一個連續的空間電荷區，使發射結處的勢壘被穿通時的集電結電壓降低了。結果是，使得大的發射極電流得以在晶體管當中流過并發生擊穿。穿通擊穿的特點：穿通擊穿的I-V曲線不象雪崩擊穿那樣陡直。3.11擊穿電壓3.穿通擊穿耗盡層在穿通前在穿通后（a）（b）（c）（a）穿通前的空間電荷區（b）能帶圖（c）穿通后的空間電荷區穿通電壓：若在發生雪崩擊穿之前集電結的空間電荷層到達了發射結圖3-28晶體管的穿通：（a）穿通前的空間電荷區（b）能帶圖（c）穿通后的空間電荷區耗盡層在穿通前在穿通后（a）（b）（c）3.11擊穿電壓圖3-28晶體管的穿通：（a）穿通前的空間電荷區（b）能帶3.穿通電壓的計算：

解：對于兩邊雜質濃度接近的PN結，空間電荷區寬度可以表示為：（1）

（2）

3.11擊穿電壓計算穿通擊穿電壓。如圖所示，為基區的冶金學寬度，是BC結延伸到基區中的空間電荷區寬度。忽略BE結在零偏或正偏壓時的空間電荷區寬度，當反偏壓使時出現基區穿通。3.穿通電壓的計算：解：對于兩邊雜質濃度接近的PN結，空間電忽略BE結在零偏或正偏壓時的SCR寬度，那么當時會出現基區穿通，從而根據注公式（1）有穿通時，令集電結反偏壓為BVBC,故穿通電壓為（3）

3.11擊穿電壓忽略BE結在零偏或正偏壓時的SCR寬度，那么當

2)一均勻基區硅BJT的基區寬度為，基區雜質濃度。若穿通擊穿電壓期望值為BVBC=25V，集電區摻雜濃度為若干？如果不使集電區穿通，集電區寬度至少應大于多少？（硅相對介電常數k＝11.9，＝8.85F/M，q＝1.6c）得到3.11擊穿電壓

解：根據公式（3）：2)一均勻基區硅BJT的基區寬度為，基區雜

集電區空間電荷區寬度忽略，穿通擊穿時，BVBC=25V，則（4）

集電區寬度至少要大于3.11擊穿電壓集電區空間電荷區寬度忽略，穿通擊穿時，BVBC學習要求掌握晶體管兩種擊穿機制。3.11擊穿電壓學習要求3.11擊穿電壓第三章雙極結型晶體管●雙極結型晶體管的結構●基本工作原理●理想雙極結型晶體管中的電流傳輸●愛伯斯-莫爾方程●緩變基區晶體管●基區擴展電阻和電流密聚●基區寬度調變效應●晶體管的頻率響應●混接型等效電路●晶體管的開關特性●擊穿電壓●P-N-P-N結構●異質結雙極晶體管第三章雙極結型晶體管●雙極結型晶體管的結構

1947.12.23日第一只點接觸晶體管誕生-BellLab.(Bardeen、Shockley、Brattain)

1949年提出PN結和雙極結型晶體管理論-BellLab.(Shockley)

1951年制造出第一只鍺結型晶體管-BellLab.(Shockley)

1956年制造出第一只硅結型晶體管-美德州儀器公司（TI）

1956年Bardeen、Shockley、Brattain獲諾貝爾獎

1956年中國制造出第一只鍺結型晶體管-（吉林大學高鼎三）

1970年硅平面工藝成熟，雙極結型晶體管大批量生產發展歷史發展歷史3.1雙極結型晶體管的結構

1.雙極型晶體管有兩種基本結構：PNP型和NPN型3.1雙極結型晶體管的結構1.雙極型晶體管有兩種基本結構：3.1雙極結型晶體管的結構

2.雙極型晶體管工藝復合圖3.1雙極結型晶體管的結構2.雙極型晶體管工藝復合圖3.1雙極結型晶體管的結構光刻硼擴散窗口1）襯底制備

襯底為低阻N型硅，電阻率在左右，沿（111）面切成厚約的圓片，研磨拋光到表面光亮如鏡。3.制造工藝2）外延外延層為N型，按電參數要求確定其電阻率及厚度。3）一次氧化

高溫生長的氧化層用來阻擋硼、磷等雜質向硅中擴散，同時也起表面鈍化作用。3.1雙極結型晶體管的結構1）襯底制備3.制造工藝2）外延3.1雙極結型晶體管的結構5）硼擴散和二次氧化

硼擴散后在外延層上形成P型區，熱生長的氧化層用來阻擋磷向硅中擴散，并起鈍化作用。6）光刻磷擴散窗口磷擴散和三次氧化磷擴散后在P型區磷雜質補償硼而形成N+區，熱氧化層用作金屬與硅片間電絕緣介質。光刻發射極和基極接觸孔9）蒸發鋁

10）在鋁上光刻出電極圖形

3.1雙極結型晶體管的結構5）硼擴散和二次氧化6）光刻磷擴3.2基本工作原理雙極晶體管四種工作模式（工作區）基極對集電極電壓基極對發射極電壓（1）正向有源模式：（2）反向有源模式：（3）飽和模式：（4）截止模式：加在各PN結上的電壓為根據兩個結上電壓的正負，晶體管有4種工作狀態，3.2基本工作原理雙極晶體管四種工作模式（工作區）基極對集3.2基本工作原理3.2.1共基極連接晶體管的放大作用

圖3-6（b）NPN晶體管共基極能帶圖

晶體管放大電路有兩種基本類型：共基極接法與共發射極接法。3.2基本工作原理3.2.1共基極連接晶體管的放大作用圖3.2基本工作原理3.2.2電流分量

從發射區注入到基區中的電子流。到達集電結的電子流?；鶇^注入電子通過基區時復合所引起的復合電流從基區注入到發射區的空穴電流發射結空間電荷區內的復合電流。集電結反向電流，它包括集電結反向飽和電流和集電結空間電荷區產生電流。

3.2基本工作原理3.2.2電流分量從發射區注入到基區中3.2基本工作原理3.2.2電流分量

（3-1）

（3-2）

（3-3）

（3-4）

3.2基本工作原理3.2.2電流分量（3-1）（3-23.2基本工作原理為描述晶體管的增益特性引進以下物理量

發射極注射效率

（3-5）

（3-7）

基區輸運因子

共基極直流電流增益

（3-6）

3.2.3.電流增益

3.2基本工作原理為描述晶體管的增益特性引進以下物理量（3.2基本工作原理（3-8）

（3-10）

利用（3-3）式，（3-7）式可以改寫成考慮到集電結正反兩種偏壓條件的完全表達式為（3-9）

3.2.3.電流增益

3.2基本工作原理（3-8）（3-10）利用（3-3）3.2基本工作原理圖3-8集電結電流電壓特性：（a）共基極情形，（b）共發射極情形

3.2基本工作原理圖3-8集電結電流電壓特性：（a）共3.2基本工作原理式中定義

共發射極接法

（3-11）

（3-12）

（3-13）

（3-14）

3.2基本工作原理式中定義共發射極接法（3-11）（3.2基本工作原理學習要求掌握四個概念：發射效率、基區輸運因子、共基極電流增益、共發射極電流增益了解典型BJT的基本結構和工藝過程。掌握BJT的四種工作模式。畫出BJT電流分量示意圖，寫出各極電流及其相互關系公式。分別用能帶圖和載流子輸運的觀點解釋BJT的放大作用。為什么公式（3-9）可以寫成公式（3-10）。解釋理想BJT共基極連接正向有源模式下集電極電流與集電壓無關的現象。解釋理想BJT共發射極連接正向有源模式下集電極電流與集電極－發射極間的電壓無關的現象。解釋理想BJT共基極連接和共發射極連接的輸出特性曲線。

3.2基本工作原理學習要求3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

（1）各區雜質都是均勻分布的，因此中性區不存在內建電場；（2）結是理想的平面結，載流子作一維運動；（3）橫向尺寸遠大于基區寬度，并且不考慮邊緣效應，所以載流子運動是一維的；（4）基區寬度遠小于少子擴散長度；（5）中性區的電導率足夠高，串聯電阻可以忽略，偏壓加在結空間電荷區上；（6）發射結面積和集電結面積相等；（7）小注入，等等

3.3.1電流傳輸

理想晶體管的主要假設及其意義：3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

（1）各區雜質都是均勻3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.3.1電流傳輸

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.3.1電流傳輸3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

邊界條件為：中性基區（0）少子電子分布及其電流：

（3-16）

（3-17）

（3-18）

3.3.1電流傳輸

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

邊界條件為：中性基區3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

1.電子電流

（3-16）

（3-19）（3-20）3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

1.電子電流（3-13.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

2.發射區少子空穴分布及其電流：邊界條件：

（3-21）

（3-23a）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

2.發射區少子空穴分布3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

若，（3-23a）式可以寫作：

（3-23b）

（3-24）

空穴電流為：3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

若3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.集電區少子空穴分布及其電流邊界條件：

（3-23）

（3-26）

（3-25）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.集電區少子空穴分布3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.3.2正向有源模式1.少數載流子分布

（3-27a）

在的情況下，（3-27a）式簡化

（3-27b）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.3.2正向有源模式3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

圖3-11正向有源模式下晶體管各區少數載流子分布正向有源模式下少數載流子分布曲線3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

圖3-11正向有源模3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.電流分量

1)發射區和收集區電子電流：

（3-28）

（3-29）

（3-30）

若

（3-31）

（3-32）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

3.電流分量（3-23.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

2)發射區和收集區空穴電流

（3-24）

（3-33）

3）正偏壓發射結空間電荷區復合電流：

（3-34）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

2)發射區和收集區空穴3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

（3-35）

（3-36）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

（3-35）（3-33.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

4.晶體管的輸出特性曲線

圖3-12NPN晶體管的靜態電流電壓特性

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

4.晶體管的輸出特性曲3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

5.共發射極電流增益（3-37）

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

5.共發射極電流增益3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

共發射極電流增益與工作電流的關系圖3-13電流增益對集電結電流的依賴關系

3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

共發射極電流增益與工作3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

學習要求理解理想雙極結型晶體管的基本假設及其意義。寫出發射區、基區、集電區少子滿足的擴散方程并解之求出少子分布。3.3理想雙極結型晶體管中的電流傳輸

學習要求3.4愛伯斯-莫爾方程

雙極晶體管有四種工作模式，取決于發射結和集電結的偏置狀況。(1)正向有源工作模式：

0，0

(2)反向有源工作模式：<0，>0

(3)飽和工作模式：0，0(4)截止工作模式:<0，<03.4.1工作模式和少子分布基區少子滿足的邊界條件為相應的邊界條件為:相應的邊界條件為:相應的邊界條件為:3.4愛伯斯-莫爾方程

雙極晶體管有四種工作模式，取決于發射3.4愛伯斯-莫爾方程

此外，

0正向有源飽和截止反向有源圖3-14晶體管四種不同工作模式對應的少數載流子分布3.4愛伯斯-莫爾方程

此外，0正向有源飽和截止反對于的情形（3-19)簡化為:3.4愛伯斯-莫爾方程

（在電路分析中，不考慮（3-19）式和（3-24）式中的負號）。（3-19）

（3-24）

3.4.2愛伯斯—莫爾（Ebers-Moll）方程

發射極注入到基極的電子電流為:基極注入到發射極的空穴電流為:對于的情形（3-19)簡化為:暫時把發射結空間電荷區復合電流看作是外部電流，則（3-40）

用類似的方法得到其中

（3-41）

（3-42）

（3-43）

(3-40）和（3-42）稱為愛伯斯—莫爾方程，簡稱為E-M方程。

3.4愛伯斯-莫爾方程

式中暫時把發射結空間電荷區復合電流看作是外部電流，則（3-40）愛伯斯—莫爾模型的等效電路圖圖3-15Ebers-Moll模型（a）NPN一維晶體管，（b）將晶體管表示為有公共區域的背靠背連接的二極管，（c）Ebers-Moll模型等效電路（c）叫做正向共基極電流增益。叫做反向共基極電流增益。3.4愛伯斯-莫爾方程

愛伯斯—莫爾模型的等效電路圖圖3-15Ebers-Moll根據圖3-15C可以寫出（3-44）

（3-45）

其中和分別為兩個二極管反向飽和電流。端電流為：（3-46）

（3-47）

聯立（3-44），（3-45），（3-46）和（3-47）式得到（3-48）

（3-49）

（3-48）和（3-49）式即為E-M方程3.4愛伯斯-莫爾方程

根據圖3-15C可以寫出（3-44）（3-45）其中和分將（3-48）式與（3-40）式比較，（3-49）式與（3-42）式比較，得到（3-50）

由于

有

（3-51）式稱為互易關系。（3-51）

3.4愛伯斯-莫爾方程

將（3-48）式與（3-40）式比較，（3-49）式與（3-以上討論的E-M方程，只是一種非線性直流模型，通常將它記為模型。在模型的基礎上計及非線性電荷貯存效應和歐姆電阻，就構成第二級復雜程度的模型。第三級復雜程度的模型則還包括多種二級效應，如基區寬度調制，基區展寬效應以及器件參數隨溫度的變化等等。3.4愛伯斯-莫爾方程

以上討論的E-M方程，只是一種非線性直流模型，通了解E－M方程中四個參數的物理意義根據E－M方程寫出四種模式下發射極電流和集電極電流表達式。（3-48）

（3-49）

3.4愛伯斯-莫爾方程

學習要求理解并記憶BJT四種工作模式下的少子分布邊界條件畫出BJT四種工作模式下少子分布示意圖。理解寫出方程（3-42）的根據。根據愛拜耳斯—莫爾模型的等效電路圖導出E－M方程了解E－M方程中四個參數的物理意義（3-48）（3-49）3.5緩變基區晶體管均勻基區晶體管：基區摻雜為均勻分布。少子在基區主要作擴散運動，又稱為擴散晶體管。

1.2N3866晶體管的雜質分布：距離x（m）圖3-162N3866晶體管的雜質分布

緩變基區晶體管：基區摻雜近似為指數分布，少子在基區主要作漂移運動，又稱為漂移晶體管。3.5緩變基區晶體管均勻基區晶體管：基區摻雜3.基區少子分布（3-52）

（3-55）式（3-56）中負號表示電流沿－x方向。4.電子電流（3-56）3.5緩變基區晶體管2.基區的緩變雜質分布，引起內建電場這個電場沿著雜質濃度增加的方向，有助于電子在大部分基區范圍內輸運。這時電子通過擴散和漂移越過基區薄層，致使輸運因子增加。3.基區少子分布（3-52）（3-55）式（3-56）中把整個基區復合電流取為（3-57）（3-58）根據基區輸運因子的定義

把式（3-55）代入式（3-58）并使用，便得到

（3-59）3.5緩變基區晶體管5.基區輸運因子對于均勻基區，（3-58）式化簡為（3-32）式。

把整個基區復合電流取為（3-57）（3-58）根據基區輸學習要求1.導出緩變基區晶體管基區內建電場公式（3-52）。2.導出少子分布公式（3-55）。3.導出電流公式（3-56）。4比較基區輸運因子公式（3-59）與均勻摻雜的基區輸運因子公式（3-32）。5.擴展知識：導出緩變發射區晶體管發射區少子空穴分布和空穴電流分布表達式（考研參考）。

3.5緩變基區晶體管學習要求3.5緩變基區晶體管如果把基極電流

IB從基極引線經非工作基區流到工作基區所產生的電壓降，當作是由一個電阻產生的，則稱這個電阻為基極擴展電阻，用

rbb’表示。由于基區很薄，rbb’的截面積很小，使

rbb’的數值相當可觀，對晶體管的特性會產生明顯的影響。工作基區：指正對著發射區下方的在WB

范圍內的基區，也稱為有源基區或內基區。非工作基區：指在發射區下方以外從表面到

xjc處的基區，也稱為無源基區或外基區。3.6基區擴展電阻和電流集聚1.基區擴展電阻和電流集聚

如果把基極電流IB從基極引線經非工作基區流到工作3.6基區擴展電阻和電流集聚有源電阻和無源電阻

圖3-17基區中的橫向基極電流和歐姆電壓降，導致在發射結中，邊緣處有最大正向偏壓1.基區擴展電阻和電流集聚

電流集聚效應：少數載流子的注入從基區邊緣起隨著向內的深度而下降。非均勻載流子的注入使得沿著發射結出現非均勻的電流分布。造成在靠近邊緣處有更高的電流密度，這種現象稱為電流集聚效應3.6基區擴展電阻和電流集聚有源電阻和無源電阻2.中功率雙極晶體管交叉指狀電極圖形的俯視圖

圖3-18中功率雙極晶體管指狀交叉圖形的俯視圖3.6基區擴展電阻和電流集聚分析：交叉指狀電極能有效克服電流集聚效應？2.中功率雙極晶體管交叉指狀電極圖形的俯視圖圖3-1學習要求了解BJT基極擴展電阻和電流集聚效應。掌握有源電阻、無源電阻、基區擴展電阻和電流集聚的概念。為什么交叉指狀電極能有效克服電流集聚效應。

3.6基區擴展電阻和電流集聚學習要求3.6基區擴展電阻和電流集聚3.7基區寬度調變效應

1.問題的提出在共發射極電路正向有源模式下，對于給定的基極電流，集電極電流應當與集電極電壓無關。圖3-8(b)中的曲線斜率應為零。但圖3-8(b)中的電流卻隨集電極電壓的增加而增加。這種現象起因于晶體管的基區寬度調變效應，也稱為Early效應。圖3-8集電結電流電壓特性：（a）共基極情形，（b）共發射極情形3.7基區寬度調變效應1.問題的提出在共發射極電路正向有源模前面的討論中默認有效基區寬度是不變的，實際上是集電結偏壓的函數。（3-60）

共發射極電流增益正比于，當增加時，集電結空間電荷區展寬，使有效基區寬度減小，如圖3-21所示。減小使增加，從而集電極電流將隨的增加而增加。

3.7基區寬度調變效應2.基區寬度調變效應的分析：的變化：1)前面的討論中默認有效基區寬度是不變的，實際上

2）的變化：

（3-61）

可見也將隨增加而增加，呈現出不飽和特性，如圖3-21b所示。綜合1），2）隨的增加而增加。這就是Early效應。3.7基區寬度調變效應2）的變化：（3-61）可見也將隨3.基區寬度減小使少子濃度梯度增加：

圖3-21晶體管中的少數載流子分布(a)有源區工作，=常數，改變時有效基區寬度與少數載流子分布的變化(b)和對應的基區少數載流子分布3.7基區寬度調變效應3.基區寬度減小使少子濃度梯度增加：設NPN雙極結型晶體管有效基區邊界分別為0和。在下列三種邊界條件下解擴散方程求少子分布和電流分布。討論三種邊界條件下電流的大小。根據所得結果得出結論：當增加時，集電結空間電荷區展寬，使有效基區寬度減小，基區寬度減小,使少子濃度梯度增加因而增加。3.7基區寬度調變效應4.擴展知識（考研參考）：3.7基區寬度調變效應4.擴展知識（考研參考）：學習要求解釋基區寬度調變效應推導隨的變化從基區寬度減小使少子濃度梯度增加因而增加的角度定量解釋基區寬度調變效應（擴展知識－考研參考）。3.7基區寬度調變效應推導隨的變化學習要求推導隨的變化從基區寬度減小使少子濃度3.8晶體管的頻率響應2.電流增益與頻率的關系稱為晶體管的頻率響應：圖3-22電流增益作為頻率的函數1.小信號的共基極和共發射極電流增益定義為：3.8晶體管的頻率響應2.電流增益與頻率的關系稱為晶體管的頻⑴共基極截止頻率：的大小下降為0.707（即的模量的平方等于的一半或者說下降3dB）時的頻率。⑵共發射極截止頻率：的大小下降為0.707（下降3dB）時的頻率。和也稱為3dB頻率。⑶增益帶寬乘積，它是的模量變為1時的頻率，也叫做特征頻率。相對頻率的曲線的斜率為20dB/十進位，它可用下式來描述（3-62）

可見在，的大小為0.707相對頻率的曲線的斜率為20dB/十進位，在時的大小下降3dB，因而也稱為3dB頻率。3.8晶體管的頻率響應圖中的各種頻率定義為：⑴共基極截止頻率：的大小下降為0.707（即利用和之間的關系求得（3-63）式中

是模量為1時的頻率，由（3-63）式，取

，有，（3-65）由于是晶體管共射極接法工作的截止頻率即帶寬，故稱為增益帶寬乘積。3.8晶體管的頻率響應利用和之間的關系求得（3-63）式中是模低得多，但增益帶寬之積接近于再由

以上討論說明共發射極截止頻率要比3.8晶體管的頻率響應（3-66）<低得多，但增益帶寬之積接近于再由以上討論說明共發射極截止頻（3-67）1）基區渡越時間假設基區少數載流子電子以有效速度渡越基區，則基區電子電流為

一個電子渡過基區所需要的時間（3-68）3.8晶體管的頻率響應3.晶體管中的時間延遲四個最重要的因素：（3-67）一個電子渡過基區所需要的時間（3-68）3.根據（3-55）式（3-69）（3-70）小的意味著短的信號延遲或高的工作頻率。3.8晶體管的頻率響應對于均勻基區晶體管根據（3-55）式（3-69）（3-70）小的意味著短的＝＝正向偏置的發射結過渡電容CTE

與結電阻并聯，充電時間常數為（3-71）正向偏置的發射結過渡電容粗略估計是（2-76）式中=0時給出的零偏壓電容值的4倍

3.8晶體管的頻率響應2）發射結過渡電容充電時間由＝＝正向偏置的發射結過渡電容CTE與結電阻并聯，充電（3-71）是集電結耗盡層的總厚度，是載流子越過集電結耗盡層的飽和速度。4）集電結電容充電時間集電結處在反向偏壓下使得與結電容并聯的電阻很大。結果是，充電時間常數由電容CTC和集電極串聯電阻rSC所決定：（3-73）由于重摻雜的外延襯底，圖（3-1）中平面型外延晶體管的集電極電阻很小，因而可以忽略。但在集成晶體管中應把它計算進去。3.8晶體管的頻率響應3）集電結耗盡層渡越時間（3-71）是集電結耗盡層的總厚度，是載流子越過集電結（3-74）截止頻率等于從發射極到集電極的信號傳播中的全部時間延遲的倒數。因而有截止頻率對工作電流的依賴關系：1）當發射極電流增加時，發射結時間常數變得更小，因此式（3-74）中的增加。這說明，頻率特性的改進可以通過增加工作電流來實現。2）科爾克（Kirk）效應。3.8晶體管的頻率響應4.截止頻率（3-74）截止頻率等于從發射極到集電極的信號傳播掌握概念：頻率響應、共基極截止頻率、共發射極截止頻率、特征頻率（帶寬）、基區渡越時間

＜（3-66）（3-64）（3-68）3.8晶體管的頻率響應教學要求解釋Kirk效應。導出基區渡越時間公式。分析關系式分析公式掌握概念：頻率響應、共基極截止頻率、共發射極截止頻率、特征頻

3.9混接Π型等效電路

1.混接Π型（H-P模型）又稱為復合Π模型代表工作在共發射極電路中的正向有源模式的晶體管。圖3-23復合Π式等效電路3.9混接Π型等效電路1.混接Π型（H-P模型）又稱為1）跨導（3-75）它反映了發射結電壓對集電極電流的調制。（3-78）2）正偏發射結擴散電導：（3-79）它是正偏發射結電阻（也叫做PN結擴散電阻）的倒數。

3.9混接Π型等效電路

圖中各參數的意義如下：1）跨導（3-75）它反映了發射結電壓對集電極電流的調制。于是（3-80）（3-81）（3-82）3）擴散電容：

3.9混接Π型等效電路

略去空間電荷區復合電流于是（3-80）（3-81）（3-82）3）擴散電容：貯存在基區的總電荷為（3-83）（3-84）故

4）耗盡層電容

可以證明共發射極短路電流增益的截止頻率為（3-85）

3.9混接Π型等效電路

貯存在基區的總電荷為（3-83）（3-84）故4）耗盡對于CD>>CTE+CTC的情形，增益—帶寬乘積為

（3-86）注意：增益—帶寬乘積與上節中均勻基區晶體管的基區渡越時間的倒數是完全相同的。

3.9混接Π型等效電路

對于CD>>CTE+CTC的情形，增益—帶寬乘積為（3-8導出公式（3-78）、（3-81）、（3-84）。畫出混接Π型等效電路。

3.9混接Π型等效電路

學習要求導出公式（3-78）、（3-81）、（3-84）。3.93.10晶體管的開關特性由圖3-25b中的電流脈沖驅動，使得晶體管運用于截止區與飽和區。圖3-25雙極晶體管的開關運用：（a）電路圖，（b）基極電流驅動，（c）輸出特性，（d）輸出電流波形3.10晶體管的開關特性由圖3-25b中的電流脈沖驅在截止狀態,發射結和集電結都處于反偏狀態。集電極電流很小,阻抗很高，晶體管處于“關”態。在飽和狀態集電極電流很大而且它的阻抗很低，所以晶體管被認為是“通”態。3.10晶體管的開關特性硅晶體管在飽和區在飽和狀態，集電極電流被負載電阻所限制：（3-87）在截止狀態,發射結和集電結都處于反偏狀態。集電極電流（3-88）在“通”和“斷”兩個狀態之間的轉換是通過改變載流子的分布來完成的。

載流子分布不能立刻改變。需要一個過渡時間，稱為開關時間。集電極電流的典型開關波形示于圖3-25（d）中，開關時間的定義:

1.導通延遲時間導通延遲時間td是從加上輸入階躍脈沖至輸出電流達到最終值的百分之十所經歷的時間。它受到下列因素的限制：（1）從反偏壓改變到新電平，結的耗盡層電容的充電時間；（2）載流子通過基區和集電結耗盡層的渡越時間。驅動晶體管進入飽和所需要的最小基極電流為：3.10晶體管的開關特