微电子器件分析的典型过程
平衡态
DC响应
AC响应
瞬态响应
1. 分区、近似求解 泊松方程得到平 衡态的参数 2. 平衡态载流子电 流密度等于零出 发推导出内建电 场的大小
1. 在边界条件下求 解中性区少子连 续性方程（扩散 方程）得到少子 浓度分布 2. 由电流密度方程 得到各电流密度 成分
求少子电荷 控制方程
P区
np0
N区
pn0
x
反偏二极管的反向电流有哪些可能的产生机制？
反偏二极管可以得到大电流输出吗？ 怎样得到大电流输出？
P区
np0
N区
pn0
x
法1：使耗尽区产生电子－空穴对
P区
N区
np0
pn0
x
典型器件：光电二极管
光电二极管是将光信号转换为电信号的半 导体器件，器件核心是反向偏置的pn结
在没有光照时，由于pn结处于反向偏 置，只有微弱的反向电流流过
当有光照时，反向电流急剧增加（携带能 量的光子进入PN结后，把能量传给共价键 上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键， 从而产生电子---空穴对，称为光生载流 子 ）。为了增加光照，pn结面积较大。
法2：使靠近耗尽区边界的中性区有更多的少子
P区
N区
np0
pn0
x
时间维度上，可以采用从开态（正偏）瞬时变为关态（反偏）实现
E1 0 -E2
E t
I
E1 RL
− E2 RL
ts
tf t I0
空间维度上，可以将正偏与反偏pn结背靠背放在一起来实现 利用正偏pn结提供载流子
P
N N
P
两个近距离地背靠背PN结构成的一种新的器件——双极 结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT)
• 双极含义是电子与空穴两种极性不同的载流子均参与了器件 的导通过程 • BJT是电压控制的电流源 • BJT与其它器件连接可实现放大电流、放大电压和放大功率 • Transistor 是 Transfer resistor的缩写 • http://www.pbs.org/transistor/
William Shockley
John Bardeen
Wakter Brattain
1947
1、BJT 类型与工艺
npn 和pnp 晶体管
I E =I B +I C
V EB +V BC +V CE =0
制备工艺与特性
均匀基区
BJT （扩散晶体管）
合金工艺
特点：
1. 三个区内杂质均匀分布2. 发射结、集电结为突变结3. 载流子在基区中以扩散运动为主
漂移晶体管）
平面工艺
特点：1.
基区为缓变杂质分布，发射区杂质分布也缓变。
2. 载流子在基区中以漂移为主
电路用法
3. 能带图与少子分布
平衡
pnp BJT
平衡pn 结
注：
假设晶体管的各个区域是均匀掺杂的，并且
N AE >>NDB >NAC
课堂练习
画出平衡条件下
npn
晶体管的能带图
P
PN 结能带图N
E Fn −E Fp =qV
均匀基区pnp 晶体管能带图放大状态：
E Fn −E Fp =qV
饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：
平衡态
NPN 晶体管在 4 种工作状态下的能带图： 放大状态：
饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：
课堂练习 写出小注入pn结非平衡态时的势垒区边界的少子分布
⎛ qV ⎞ p n ( x n ) = p no exp⎜ ⎟, ⎝ kT ⎠ ⎛ qV ⎞ ( ) n p − x p = n po exp⎜ ⎟, ⎝ kT ⎠
⎡ ⎛ qV Δp n ( x n ) = p no ⎢exp ⎜ ⎝ kT ⎣
pn np
x →∞
= pno = n po
x →−∞
⎞ ⎤ ⎟ − 1⎥, ⎠ ⎦
Δp n
Δn p
x→∞
=0
=0
⎡ ⎛ qV ⎞ ⎤ Δn p (− x p ) = n po ⎢exp⎜ ⎟ − 1⎥, ⎣ ⎝ kT ⎠ ⎦
x→−∞
均匀基区pnp晶体管的各边界上少子浓度
⎛ qV ⎞ pB = pB0 exp ⎜ EB ⎟ ⎝ kT ⎠
E
Emitter P
⎛ qV ⎞ nE = nE0 exp ⎜ EB ⎟ ⎝ kT ⎠
Base N
Collector P
⎛ qV ⎞ nC = nC0 exp ⎜ CB ⎟ ⎝ kT ⎠
C
nE = nE0
nC = nC0
B
⎛ qV ⎞ pB = pB0 exp ⎜ CB ⎟ ⎝ kT ⎠
均匀基区pnp晶体管的少子分布图： 放大状态：
饱和状态：
截止状态：
倒向放大状态：
4、放大作用
处于放大模式偏置下的 pnpBJT中载流子的输运 BJT中载流子的输运过程： 1. 在正偏E-B结附近载流子的运动表现为多数载流子扩散过发射 结注入到另一边的准中性区（中性基区） 2. 由于基区宽度比少子扩散长度小得多，大多数的注入空穴通过 扩散穿越准中性基区并且进入C-B耗尽区，然后C-B耗尽区内的加 速电场（漂移）迅速把这些载流子扫进集电区。
课堂练习 画出PN结中的正向电流和反向电流的构成与载流子运动 情况
J=
Jdp + Jdn + Jr
P区
Jdp
N 区
Jdn
Jr
J= Jdp +Jdn +Jg
P区
J dp
N 区
−xp
0
xn
J dn
V
Jg
− xp
0
xn
V
放大模式偏置下pnpBJT中的扩散电流（忽略耗尽区内的R-G电流）
I pE
I pC
I pr
Inc
I nE
I n
I nr
NE>>NB，减少InE
I E = I pE + I nE
I c = I nc + I pc ≈ I pc = I pE − I pr = I E − I nE − I nr
I B = I n E + I nr − I nc ≈ I nE + I nr
WB
电流放大系数的定义
共基极
定义1：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IE 之比，称为 共基极直流短路电流放大系数，记为α，即：
IC α= IE
VEB > 0 , VCB = 0
定义2：发射结正偏，集电结反偏时的 IC 与 IE 之比，称为 共基极静态电流放大系数，记为hFB，即：
hFB = IC IE
V EB > 0 ,VCB
共发射极 定义3：发射结正偏，集电结零偏时的 IC 与 IB 之比，称为 共发射极直流短路电流放大系数，记为β，即：
IC β= IB
VEB >0,VCB =0
定义4：发射结正偏，集电结反偏时的 IC 与 IB 之比，称为 共发射极静态电流放大系数，记为hFE，即：
IC IB
hFE =
VEB >0,VCB
IC 根据 I B = I E − IC ，及 α = 的关系，可得β与α之间有 IE 如下关系： IC IC I E α β= = = I B (I E − I C ) I E 1 − α
α=
β
1+ β
对于一般的晶体管，α= 0.950～0.995，β = 20～200 。