结与晶体管

2．2　PN结与晶体管

2．2．1　PN结

P型与N型半导体相互接触，或者在掺杂半导体中掺入补偿杂质，均可形成PN结。PN结是构成各类半导体器件的物理基础，PN结作为一种非线性元件，其核心就是其单向导电特性。当PN结中施主与受主掺杂浓度分别为ND和NA时，则其形成的内建电场为

式中：n_i——本征载流子浓度；V_T＝kT/q为热电压。

当外加电场为零时，PN结保持电中性，载流子的扩散与电场漂移相平衡，净电流为零。PN结势垒区形成势垒电容，轻掺杂区域耗尽层宽度总是大于重掺杂区耗尽层宽度，且反偏下耗尽层展宽。载流子对耗尽层的充放电形成少子扩散电容。正偏条件下，势垒耗尽层减小，漂移扩散间的平衡被打破，注入的载流子形成PN结扩散电流。

在PN结上施加非平衡电压V，则半导体中的多子与少子密度满足以下限制条件

在V＝0的平衡条件下，np＝n_i²。以P型半导体为例，空穴多子p＝NA，电子n为少子。正偏PN结中，由N型半导体注入到P型半导体中的非平衡少子电子密度为

式中：n₀——P型半导体中的平衡少子浓度；V_j为结电压。

对于N型半导体中的非平衡少子空穴，可以写出类似的表达式。非平衡少子在半导体内的扩散长度为Ln，则形成的扩散电流为

由此形成的正偏PN结电流为

式中：I_S0为反向饱和电流。

对于反偏PN结，由于非平衡少子被耗尽，而少子浓度梯度主要由平衡少子浓度决定，因此反偏电流达到饱和使I_S0与反偏电压无关。正偏PN结在模拟电路中主要起偏置、直流电平移位、电压钳位和交流短路等作用，而反偏PN结则主要起反向隔离稳压和电容等作用。

2．2．2　双极型晶体管BJT

通过一定的工艺，将两个PN结结合在一起则可形成双极型晶体管BJT。当外界提供合适的电压或电流偏置时，BJT将具有电流或电压放大作用。从物理结构上看，发射区提供对基区的少子注入，因此其掺杂浓度最高；基区为避免耗尽区引起的基区宽度调制效应，其浓度适中；集电区因承担高反偏电压因此其掺杂浓度最低；此外，基区宽度应远低于少子扩散长度，以降低基区复合、提高电流放大倍数。

BJT正常的工作条件为发射结正偏而集电结反偏。以NPN晶体管为例，发射结负责向基区注入非平衡少子电子，少子在基区中只有极少部分被多子空穴复合，主要部分均扩散到集电结边缘，在集电结反偏电场的作用下被全部或部分收集而形成输出电流。设发射结正偏电压为V_BE、集电结输出电压为V_CE，则输出电流为

由于V_CE＝V_CB＋V_BE，即V_CB＝V_CE－V_BE。当V_CE》V_BE时，V_CB》0，集电结反偏，少子全部收集，电流达到饱和。在放大区，由于VCE引起的基区宽度调制效应使基区宽度减小、少子复合降低、导致基区电流减小、集电极电流增加，输出电流的饱和恒流特性不再理想。为此，引入调制系数λ＝1/VA，VA为厄利电压，则非理想恒流输出为

当V_CE＜V_BE时，V_CB＜0，对应于收集结正偏，电场方向与电子的运动方向相同，阻止少子的收集，即部分收集，形成比例输出电流，因此线性电阻区下的输出电流I_C随V_CE而线性变化。

BJT作为一种体内结构的少子扩散器件，电流电压满足指数关系，噪声低，电流驱动能力强，因而在模拟电路中获得了广泛的应用。BJT中载流子对势垒电容与少子扩散电容的充放电，影响器件的最高工作频率，而由基极电流I_B决定的静态功耗则成为BJT在大规模模拟集成电路应用中的主要限制因素。