第二章 双极型晶体三极管（ BJT ）

概述 晶体二极管：单向导电性 晶体三极管：放大作用。半导体器件发展过程中的一次重大飞跃。 双极型晶体管（ Bipolar Junction Transistor, 英文缩写 BJT ） 场效应管（ Field Effect Transistor,英文缩写 FET ）：单极型

2.1 BJT 工作原理2.1.1 BJT 结构与符号

双极型晶体三极管是一个有三个独立的掺杂区和两个 PN 结构成的三端器件，可分为 NPN 管和 PNP管两种类型，如图所示。

（ a ） NPN 型 （b ） PNP 型双极型晶体三极管结构示意图与电路符号

双极型晶体三极管有三个区： 发射区（ Emitter ）——发射载流子的区域； 基区（ Base ）——传输载流子的区域； 集电区（ Collector ）——收集载流子的区域。 各区引出的电极分别称为发射极（ e ），基极（ b ）和集电极（ c ）。发射区和基区在交界处形成的 PN 结称为发射结（ e 结），集电区与基区之间的 PN 结称为集电结（ c 结）。

2.1.2 放大状态下 BJT 内部载流子的传输过程 当 BJT 处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下， NPN 管内载流子的运动情况。

放大状态下 NPN 管内部载流子传输示意图

1. 发射区多子向基区扩散（又称注入） 正偏发射结使发射区自由电子（多子）向基区注入（扩散），形成电流 ；与此同时，基区空穴也向发射区注入，形成空穴注入电流 。两电流之和 构成发射极电流 。由于发射区相对基区是重掺杂，基区空穴浓度远低于发射区的电子浓度，使得发射区向基区注入的自由电子流远大于基区向发射区注入的空穴流，因此自由电子由发射区向基区注入构成了 的主要成分，即 。E ENi i

ENiEPi

E EN EPi i i

Ei

2. 基区非平衡少子向集电结方向边扩散边复合 发射区自由电子注入基区后即成为基区的非平衡少子，在基区靠近发射结的边界处积累，从而浓度差，这使得非平衡自由电子会继续向集电结方向扩散。由于基区的空穴浓度很低，且基区很薄，只有很少部分的自由电子被基区空穴（多子）复合，形成基区复合电流 ，绝大多数扩散中的自由电子都会到达集电结边界。 由 PN 结的原理，反偏集电结还存在着集电结反向饱和电流 ，因此，基极电流：BNi

CBOI

B BN BP CBOi i i I

3. 集电区收集基区非平衡少子 集电结反偏，结内电场很强，有利于结外边界处少子的漂移。因此，凡是扩散到达集电结边界的基区非平衡少子（自由电子），在电场力的作用下均被抽取（漂移）到集电区，形成集电极电流的主要成分 。因此集电极电流 。 CNi

C CN CBOi i I

综上所述，在晶体管发射区较基区为高掺杂和基区极薄的内部条件以及晶体管放大偏置的外部条件下，通过发射区多子向基区注入，形成基区非平衡少子向集电区扩散和集电区非平衡少子的过程，使发射极的正向电流 基本上转化成为集电极电流 ，而基极电流 主要是很小的基区复合电流 。由此可得晶体管各电极的电流有如下关系

Ei CiBi BNi

E EN EPi i i

C CN CBOi i I

B BN BP CBOi i i I （ 2-3 ） （ 2-2 ）

（ 2-1 ）

则可得三电极的电流关系

E B Ci i i （ 2-4）

4. 放大偏置时的电流关系（ 1 ） 与 的关系 集电极电流 的主要成分 是由发射极电流 转化而来的，为了反映扩散到集电区的电流 与发射极电流 的转化比例关系，定义共基极直流电流放大系数 为

Ei Ci

Ci CNi Ei

CNi Ei

CN C CBO

E E

i i Ii i

（ 2-5 ）

显然 ，一般约为 0.97 ～ 0.99 。由式（ 2-5 ）可得 与 的关系

由于 往往很小（对硅管尤其如此），若忽略其影响，工程上一般也用下式来近似

1 Ci Ei

C E CBOi i I （ 2-6 ）

CBOI

C Ei i （ 2-7 ）

（ 2 ） 与 的关系 为了反映扩散到集电区的电流 与基区复合电流 之间的比例关系。定义共发射极直流电流放大系数 为 其物理意义是：基区每复合一个电子，则需 个电子扩散到集电区去。通常 （超 管的 可以大于 1000 ）。 由式（ 2-8 ）整理可得

Ci BiCNi BNi

CN C CBO

BN B CBO

i i Ii i I

（ 2-8 ）

20 200

(1 )C B CBO B CEOi i I i I （ 2-9 ）

式中 是基极开路（ ）时，集电结与发射极之间流过的穿透电流，即 因 很小，在忽略其影响后，则有

将式（ 2-6 ）代入式（ 2-4 ），则可得到关系

CEOI 0Bi

(1 )CEO CBOI I （ 2-10 ） CBOI

C Bi i （ 2-11 ）

(1 )E B C Bi i i i

（ 2-12 ）

11 1C B CBOi i I

（ 2-13 ）

将式（ 2-13 ）与式（ 2-8 ）对比，可得关系1

（ 2-14 ）

（ 2-15 ） 1

例 2-1 PNP 管直流电路如图 2-3 所示，图中 。当断开 B点时，微安表的读数为 240μA ，当断开 E点时，微安表的读数为 6μA ，试求该管的 和 。CC BBV V

图 2-3 例 2-1 电路图

解：直流电压 极 的方向和大小表明该管处于放大偏置。断开 E点时微安表读数是集电结反向饱和电流 ，断开 B点时微安表读数是穿透电流 ，即

CCV BBV

CBOI CEOI

6CBOI A (1 ) 240CEO CBOI I A

39 0.9751

2.1.3 放大偏置 BJT 偏压与电流的关系双极型晶体管是电流控制器件。控制各极电流变化的真正原因是发射结正向电压的变化。集电结反向电压的变化对各极电流也有影响。

C Bi i

(1 )E B C Bi i i i

1. 发射结正向电压 对各极电流的控制作用—— BJT的正向控制作用 发射结电流 实际上就是正偏发射结的正向电流 : 当发射结正偏电压 增加时，正向电流 增加。此时，注入基区的非平衡少子增多，会使基区复合增多，到达集电结边界被集电区收集的非平衡少子也会增多，从而使 和 都会增大。发射结正偏电压 的变化将控制各极电流的变化。 双极型晶体管也是一种电压控制器件。

BEv

Ei

BE

T

vV

E Si I e

BEv Ei

Bi Ci BEv

2. 集电结反向电压 对各极电流的影响——基区宽度调制效应 利用图 2-4 所示的基区非平衡少子浓度的分布曲线来简单的分析集电结反偏电压 对各极电流的影响。

CBv

CBv

图 2-4 基区宽度调制效应

当正偏电压 一定时，发射区向基区注入的自由电子一定，即基区非平衡少子的浓度分布曲线 由 决定。但基区电流 主要由基区的复合电流构成，而基区复合电流与基区少子数量成正比，基区少子数量又与基区少子浓度分布曲线下的面积 S成正比。所以， 与基区少子浓度分布曲线下的面积近似成正比。 当集电结反向电压 增加时，由 PN 结的知识可知，集电结会变宽，这势必使得基区的宽度减小（见图 2-4,W变到 ）。基区少子浓度曲线便由图中的实线变为虚线。显然，虚线下的面积比实线下的面积小，表明 会减小，再由 可知 会增加。 影响各极电流的现象称为基区宽度调制效应，简称基区宽调效应。

BEv( )bn x BEv

Bi

Bi

CBvW

Bi C E Bi i i

Ci