半导体物理器件3V2.ppt

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1、第三章 双极结型晶体管,双极结型晶体管的结构 基本工作原理 理想双极结型晶体管中的电流传输 爱伯斯-莫尔方程 缓变基区晶体管 基区扩展电阻和电流密聚 基区宽度调变效应 晶体管的频率响应 混接 型等效电路 晶体管的开关特性 击穿电压 P-N-P-N结构 异质结双极晶体管,1947.12.23日第一只点接触晶体管诞生-Bell Lab.(Bardeen、Shockley、Brattain) 1949年提出PN结和双极结型晶体管理论-Bell Lab.(Shockley) 1951年制造出第一只锗结型晶体管-Bell Lab.(Shockley) 1956年制造出第一只硅结型晶体管-美德州仪器公司（

2、TI） 1956年Bardeen、Shockley、Brattain获诺贝尔奖 1956年中国制造出第一只锗结型晶体管-（吉林大学 高鼎三） 1970年硅平面工艺成熟，双极结型晶体管大批量生产,发展历史,3.1双极结型晶体管的结构,1.双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型,3.1双极结型晶体管的结构,2.双极型晶体管工艺复合图,3.1双极结型晶体管的结构,光刻硼扩散窗口,1）衬底制备 衬底为低阻N型硅，电阻率在 左右，沿（111）面切成厚约 的圆片，研磨抛光到表面光亮如镜。,3.制造工艺,2）外延 外延层为N型，按电参数要求确定其电阻率及厚度。,3）一次氧化 高温生长的氧化层用

3、来阻挡硼、磷等杂质向硅中扩散，同时也起表面钝化作用。,3.1双极结型晶体管的结构,5）硼扩散和二次氧化 硼扩散后在外延层上形成P型区，热生长的氧化层用来阻挡磷向硅中扩散，并起钝化作用。,6）光刻磷扩散窗口,磷扩散和三次氧化 磷扩散后在P型区磷杂质补偿硼而形成N+区，热氧化层用作金属与硅片间电绝缘介质。,光刻发射极和基极接触孔,9） 蒸发铝,10）在铝上光刻出电极图形,3.2基本工作原理,双极晶体管四种工作模式（工作区）,基极对集电极电压,基极对发射极电压,（1）正向有源模式：,（2）反向有源模式：,（3）饱和模式：,（4）截止模式：,加在各 PN 结上的电压为,根据两个结上电压的正负，晶体管有

4、 4 种工作状态，,3.2基本工作原理,3.2.1共基极连接晶体管的放大作用,图3-6 （b）NPN晶体管共基极能带图,晶体管放大电路有两种基本类型：共基极接法 与 共发射极接法 。,3.2基本工作原理,3.2.2电流分量,从发射区注入到基区中的电子流。 到达集电结的电子流。 基区注入电子通过基区时复合所引起的复合电流 从基区注入到发射区的空穴电流 发射结空间电荷区内的复合电流。 集电结反向电流，它包括集电结反向饱和电流和集电结空间电荷区产生电流。,3.2基本工作原理,3.2.2电流分量,（3-1）,（3-2）,（3-3）,（3-4）,3.2基本工作原理,为描述晶体管的增益特性引进以下物理量

5、发射极注射效率,（3-5）,（3-7）,基区输运因子,共基极直流电流增益,（3-6）,3.2.3.电流增益,3.2基本工作原理,（3-8）,（3-10）,利用（3-3）式，（3-7）式可以改写成,考虑到集电结正反两种偏压条件 的完全表达式为,（3-9）,3.2.3.电流增益,3.2基本工作原理,图3-8 集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形,3.2基本工作原理,式中定义,共发射极接法,（3-11）,（3-12）,（3-13）,（3-14）,3.2基本工作原理,学习要求 掌握四个概念：发射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益 了解典型BJT的基本结构和工艺过程

6、。 掌握BJT的四种工作模式。 画出BJT电流分量示意图，写出各极电流及其相互关系公式。 分别用能带图和载流子输运的观点解释BJT的放大作用。 为什么公式（3-9）可以写成公式（3-10）。 解释理想BJT共基极连接正向有源模式下集电极电流与集电压无关的现象。 解释理想BJT共发射极连接正向有源模式下集电极电流与集电极发射极间的电压无关的现象。 解释理想BJT共基极连接和共发射极连接的输出特性曲线。,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,（1）各区杂质都是均匀分布的，因此中性区不存在内建电场； （2）结是理想的平面结，载流子作一维运动； （3）横向尺寸远大于基区宽度，并且不考虑边缘效应，所以载

7、流 子运动是一维的； （4）基区宽度远小于少子扩散长度； （5）中性区的电导率足够高，串联电阻可以忽略，偏压加在结空间电荷区上； （6）发射结面积和集电结面积相等； （7）小注入，等等,3.3.1电流传输,理想晶体管的主要假设及其意义：,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.1电流传输,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,边界条件为：,中性基区（0 ）少子电子分布及其电流：,（3-16）,（3-17）,（3-18）,3.3.1电流传输,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,1.电子电流,（3-16）,（3-19）,（3-20）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,2.发射区少子空穴

8、分布及其电流： 边界条件：,（3-21）,（3-23a）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,若 ，（3-23a）式可以写作：,（3-23b）,（3-24）,空穴电流为：,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.集电区少子空穴分布及其电流 边界条件：,（3-23）,（3-26）,（3-25）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,3.3.2正向有源模式 1.少数载流子分布,（3-27a）,在 的情况下，（3-27a）式简化,（3-27b）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,图3-11 正向有源模式下晶体管各区少数载流子分布,正向有源模式下少数载流子分布曲线,3.3理想双极结型晶体管中的

9、电流传输,3.电流分量 1)发射区和收集区电子电流：,（3-28）,（3-29）,（3-30）,（3-32）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,2)发射区和收集区空穴电流,（3-24）,（3-33）,3）正偏压发射结空间电荷区复合电流：,（3-34）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,（3-35）,（3-36）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,4.晶体管的输出特性曲线,图3-12 NPN 晶体管的静态电流电压特性,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,5.共发射极电流增益,（3-37）,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,共发射极电流增益与工作电流的关系,图3-13 电流增益对

10、集电结电流的依赖关系,3.3理想双极结型晶体管中的电流传输,学习要求 理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。 写出发射区、基区、集电区少子满足的扩散方程并解之求出少子分布。,3.4爱伯斯-莫尔方程,双极晶体管有四种工作模式，取决于发射结和集电结的偏置状况。,(1)正向有源工作模式： 0， 0,(3)饱和工作模式： 0， 0,(4) 截止工作模式: 0， 0,3.4.1工作模式和少子分布,基区少子满足的边界条件为,相应的边界条件为:,相应的边界条件为:,相应的边界条件为:,3.4爱伯斯-莫尔方程,此外，,0,图3-14 晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布,对于 的情形（3-19)简化

11、为:,3.4爱伯斯-莫尔方程,（在电路分析中，不考虑（3-19）式和（3-24）式中的负号）。,（3-19）,（3-24）,3.4.2 爱伯斯莫尔（Ebers-Moll）方程,发射极注入到基极的电子电流为:,基极注入到发射极的空穴电流为:,暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流，则,（3-40）,用类似的方法得到,其中,（3-41）,（3-42）,（3-43）,(3-40）和（3-42）称为爱伯斯莫尔方程，简称为 E-M 方程。,3.4爱伯斯-莫尔方程,式中,爱伯斯莫尔模型的等效电路图,图3-15 Ebers-Moll 模型 （a）NPN一维晶体管，（b）将晶体管表示为有公共区域的背靠背

12、连接的二极管，（c）Ebers-Moll 模型等效电路,（c）,叫做正向共基极电流增益。,叫做反向共基极电流增益。,3.4爱伯斯-莫尔方程,根据图3-15C可以写出,（3-44）,（3-45）,其中,和,分别为两个二极管反向饱和电流。,端电流为：,（3-46）,（3-47）,联立（3-44），（3-45），（3-46）和（3-47）式得到,（3-48）,（3-49）,（3-48）和（3-49）式即为E-M方程,3.4爱伯斯-莫尔方程,将（3-48）式与（3-40）式比较，（3-49）式与（3-42）式比较，得到,（3-50）,由于,有,（3-51）式称为互易关系。,（3-51）,3.4爱伯斯-

13、莫尔方程,以上讨论的E-M方程，只是一种非线性直流模型，通常将它记为 模型。在 模型的基础上计及非线性电荷贮存效应和欧姆电阻，就构成第二级复杂程度的 模型。第三级复杂程度的 模型则还包括多种二级效应，如基区宽度调制，基区展宽效应以及器件参数随温度的变化等等。,3.4爱伯斯-莫尔方程,了解EM方程中四个参数的物理意义 根据EM方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。,（3-48）,（3-49）,3.4爱伯斯-莫尔方程,学习要求 理解并记忆BJT四种工作模式下的少子分布边界条件 画出BJT四种工作模式下少子分布示意图。 理解写出方程（3-42）的根据。 根据爱拜耳斯莫尔模型的等效电路图导出

14、EM方程,3.5缓变基区晶体管,均匀基区晶体管：基区掺杂为均匀分布。少子在基区主要作扩散运动，又称为 扩散晶体管。,1. 2N3866晶体管的杂质分布：,距离x （m）,图3-16 2N3866晶体管的杂质分布,缓变基区晶体管：基区掺杂近似为指数分布，少子在基区主要作漂移运动，又称为 漂移晶体管。,3.基区少子分布,（3-52）,（3-55）,式（3-56）中负号表示电流沿x方向。,4.电子电流,（3-56）,3.5缓变基区晶体管,2.基区的缓变杂质分布，引起内建电场,这个电场沿着杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。这时电子通过扩散和漂移越过基区薄层，致使输运因子增加。,把整

15、个基区复合电流取为,（3-57）,（3-58）,根据基区输运因子的定义,把式（3-55）代入式（3-58）并使用,，便得到,（3-59）,3.5缓变基区晶体管,5.基区输运因子,对于均匀基区，（3-58）式化简为（3-32）式。,学习要求 1.导出缓变基区晶体管基区内建电场公式（3-52）。 2.导出少子分布公式（3-55）。 3.导出电流公式（3-56）。 4 比较基区输运因子公式（3-59）与均匀掺杂的基区输运因子公式（3-32）。 5.扩展知识：导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电流分布表达式（考研参考）。,3.5缓变基区晶体管,如果把基极电流 IB 从基极引线经非工作基区流到

16、工作基区所产生的电压降，当作是由一个电阻产生的，则称这个电阻为基极扩展电阻，用 rbb 表示。由于基区很薄，rbb 的截面积很小，使 rbb 的数值相当可观，对晶体管的特性会产生明显的影响。,工作基区：指正对着发射区下方的在 WB 范围内的基区，也称为 有源基区 或 内基区 。,非工作基区：指在发射区下方以外从表面到 xjc 处的基区，也称为 无源基区 或 外基区 。,3.6基区扩展电阻和电流集聚,1.基区扩展电阻和电流集聚,3.6基区扩展电阻和电流集聚,有源电阻和无源电阻,图3-17 基区中的横向基极电流和欧姆电压降，导致在发射结中，边缘 处有最大正向偏压,1.基区扩展电阻和电流集聚,电流集

17、聚效应： 少数载流子的注入从基区边缘起随着向内的深度而下降。非均匀载流子的注入使得沿着发射结出现非均匀的电流分布。造成在靠近边缘处有更高的电流密度，这种现象称为电流集聚效应,2.中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图,图3-18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图,3.6基区扩展电阻和电流集聚,分析： 交叉指状电极能有效克服电流集聚效应？,学习要求 了解BJT基极扩展电阻和电流集聚效应。 掌握有源电阻、无源电阻、基区扩展电阻和电流集聚的概念。 为什么交叉指状电极能有效克服电流集聚效应。,3.6基区扩展电阻和电流集聚,3.7基区宽度调变效应,1.问题的提出,在共发射极电路正向有源模式下，对于

18、给定的基极电流，集电极电流应当与集电极电压无关。图3-8(b)中的曲线斜率应为零。但图3-8(b)中的电流却随集电极电压的增加而增加。这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应，也称为Early效应。,图3-8 集电结电流电压特性：（a）共基极情形，（b）共发射极情形,前面的讨论中默认有效基区宽度 是不变的，实际上 是集电结偏压的函数。,（3-60）,共发射极电流增益正比于 ，当 增加时，集电结空间电荷区展宽，使有效基区宽度 减小，如图3-21所示。 减小使 增加，从而集电极电流 将随的 增加而增加。,3.7基区宽度调变效应,2.基区宽度调变效应的分析：,2） 的变化：,（3-61）,3.7基区宽

19、度调变效应,3.基区宽度减小使少子浓度梯度增加：,图3-21 晶体管中的少数载流子分布 (a)有源区工作， =常数， 改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化 (b) 和 对应的基区少数载流子分布,3.7基区宽度调变效应,设NPN双极结型晶体管有效基区边界分别为0和 。在下列三种边界条件下解扩散方程求少子分布和电流分布。讨论三种边界条件下电流的大小。 根据所得结果得出结论：当 增加时，集电结空间电荷区展宽，使有效基区宽度减小，基区宽度 减小,使少子浓度梯度增加因 而增加。,3.7基区宽度调变效应,4.扩展知识（考研参考）：,学习要求 解释基区宽度调变效应,推导 随 的变化,从基区宽度减小使少子

20、浓度梯度增加因而 增加的角度定量解释基区宽度调变效应（扩展知识考研参考）。,3.7基区宽度调变效应,推导 随 的变化,3.8晶体管的频率响应,2.电流增益与频率的关系称为晶体管的频率响应：,图3-22 电流增益作为频率的函数,1.小信号的共基极和共发射极电流增益定义为：,共基极截止频率 ： 的大小下降为0.707 （即 的模量的平方等于 的一半或者说下降3dB）时的频率。,共发射极截止频率 ： 的大小下降为0.707 （下降3dB）时的频率。 和 也称为3dB频率。,增益带宽乘积 ，它是 的模量变为1时的频率，也叫做特征频率。 相对频率的曲线的斜率为20dB/十进位，它可用下式来描述,（3-6

21、2）,可见在 ， 的大小为0.707,相对频率的曲线的斜率为20dB/十进位，在 时 的大小下降 3dB，因而也称 为3dB频率。,3.8晶体管的频率响应,图中的各种频率定义为：,利用 和 之间的关系求得,（3-63）,式中,是模量为1时的频率，由（3-63）式，取 ， 有，,（3-65）,由于,3.8晶体管的频率响应,低得多，但增益带宽之积接近于,再由,以上讨论说明共发射极截止频率要比,3.8晶体管的频率响应,（3-67）,1）基区渡越时间 假设基区少数载流子电子以有效速度 渡越基区，则基区电子电流为,一个电子渡过基区所需要的时间,（3-68）,3.8晶体管的频率响应,3.晶体管中的时间延迟

22、,四个最重要的因素：,根据（3-55）式,（3-69）,（3-70）,小的,意味着短的信号延迟或高的工作频率。,3.8晶体管的频率响应,对于均匀基区晶体管,正向偏置的发射结过渡电容CTE 与结电阻 并联，充电时间常数为,（3-71）,正向偏置的发射结过渡电容粗略估计是（2-76）式中 =0时给出的零偏 压电容值的4倍,3.8晶体管的频率响应,2）发射结过渡电容充电时间,由,（3-71）,4）集电结电容充电时间,集电结处在反向偏压下使得与结电容并联的电阻很大。结果是，充电时间常数由电容CTC和集电极串联电阻rSC所决定：,（3-73）,由于重掺杂的外延衬底，图（3-1）中平面型外延晶体管的集电极

23、电阻很小， 因而可以忽略。但在集成晶体管中应把它计算进去。,3.8晶体管的频率响应,3）集电结耗尽层渡越时间,（3-74）,截止频率 等于从发射极到集电极的信号传播中的全部时间延迟的倒数。因而有,截止频率对工作电流的依赖关系：,1）当发射极电流增加时，发射结时间常数 变得更小，因此式（3-74）中的 增加。这说明，频率特性的改进可以通过增加工作电流来实现。 2）科尔克（Kirk）效应。,3.8晶体管的频率响应,4.截止频率,掌握概念：频率响应、共基极截止频率、共发射极截止频率、特征频率（带宽）、基区渡越时间,（3-66）,（3-64）,（3-68）,3.8晶体管的频率响应,教学要求,解释Kir

24、k效应。,导出基区渡越时间公式。,分析关系式,分析公式,3.9混接型等效电路,1.混接型（ H-P模型）又称为复合模型 代表工作在共发射极电路中的正向有源模式的晶体管。,图3-23 复合式等效电路,1）跨导,（3-75）,它反映了发射结电压对集电极电流的调制。,（3-78）,2）正偏发射结扩散电导：,（3-79）,它是正偏发射结电阻（也叫做PN结扩散电阻）的倒数。,3.9混接型等效电路,图中各参数的意义如下：,于是,（3-80）,（3-81）,（3-82）,3）扩散电容：,3.9混接型等效电路,略去空间电荷区复合电流,贮存在基区的总电荷为,（3-83）,（3-84）,故,4）耗尽层电容,可以证

25、明共发射极短路电流增益的截止频率为,（3-85）,3.9混接型等效电路,对于CDCTE+CTC的情形，增益带宽乘积为,（3-86）,注意：增益带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是完全相同的。,3.9混接型等效电路,导出公式（3-78）、（3-81）、（3-84） 。 画出混接型等效电路。,3.9混接型等效电路,学习要求,3.10 晶体管的开关特性,由图3-25b中的电流脉冲驱动，使得晶体管运用于截止区与饱和区。,图3-25 双极晶体管的开关运用：（a）电路图，（b）基极电流驱动， （c）输出,特性，（d）输出电流波形,在截止状态, 发射结和集电结都处于反偏状态。集电极电流很小,

26、阻抗很高，晶体管处于“关”态。 在饱和状态集电极电流很大而且它的阻抗很低，所以晶体管被认为是“通”态。,3.10 晶体管的开关特性,硅晶体管在饱和区,在饱和状态，集电极电流被负载电阻所限制：,（3-87）,（3-88）,在“通”和“断”两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的。,载流子分布不能立刻改变。需要一个过渡时间，称为开关时间。集电极电流的典型开关波形示于图3-25,（d）中，开关时间的定义:,1.导通延迟时间,导通延迟时间td是从加上输入阶跃脉冲至输出电流达到最终值的百分之十所经历的时间。它受到下列因素的限制：,（1）从反偏压改变到新电平，结的耗尽层电容的充电时间； （2）载流

27、子通过基区和集电结耗尽层的渡越时间。,驱动晶体管进入饱和所需要的最小基极电流为：,3.10 晶体管的开关特性,图3-26 饱和时的贮存在基区和集电区中的电荷 同时表示了处在截止和有源区的基区电荷,3.10 晶体管的开关特性,2.上升和下降时间,关断的下降时间 ：表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分之十的时间间隔。这是上升时间的逆过程，并且受到同样的因素限制。,3.贮存时间 从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到 之间的时间。,上升时间 ：电流 从 （ ）的百分之十上升到百分之九十所需要的时间。它对应于在基区建立少数载流子分布以达到集电极饱和电流的百分之九十。该时间受输出时间常数的 影

28、响。,3.10 晶体管的开关特性,对连续性方程（1-213a）从0至 求一次积分（令 ）,3.10 晶体管的开关特性,用 代替 （0），用 代替 ，并用 代替 ，便得到正向有源模式的基区电荷控制方程：,在稳态条件下，式中依赖于时间的项为零。由上式，基极电流可表示为,当进入饱和时，总电荷为,，电荷控制方程变为,以及,3.10 晶体管的开关特性,于是有,或,方程（3.93a）的通解为：,特解为,-（ ）,3.10 晶体管的开关特性,在 时，全部过量少数载流子被去除掉， 。因此求得,在t= 时，方程（3.93）中的时间依赖项为零，并利用（3.95）式得到过量电荷为,3.10 晶体管的开关特性,这是方

29、程（3.93a）的初始条件。于是得方程（3.93a）的解为,学习要求 了解晶体管开关工作原理。 为什么晶体管开关需要开关时间？ 了解晶体管开关时间所涉及的物理过程。,3.10 晶体管的开关特性,3.11击穿电压,1.共基极连接 在发射极开路的情况下，晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏压 : 经验公式（对于共基极电路）：,图3-27中，在 处 突然增加.从集电极电流与发射极电流之间的关系来看，包含雪崩效应的有效电流增益增大M倍，即,（3-99）,（3-100）,晶体管中最高电压的根本限制与在P-N结二极管中的相同，即雪崩击穿或齐纳击穿。但是，击穿电压不仅依赖于所涉及的P-N结的性质，它还

30、依赖于外部的电路结构。,当M接近无穷时满足击穿条件。,3.11击穿电压,图3-27 共发射极和共基极电路的击穿电压,共发射极击穿电压比共基极击穿电压低很多。,由于 ，因此，包含雪崩效应的共发射极电流增益为,（3-101）,当达到的条件 时，新的电流增益变为无穷，即发生击穿。,由于 非常接近于1，当 不要比1大很多时就能满足共发射极击穿条件。,基极开路情况下的击穿电压用 表示。令（3-99）式中的 并使 等于 ，可以解得,（3-102）,硅的 数值在2到4之间，在 值较大时，共发射极击穿电压 可比共基极击穿电压低很多。,3.11击穿电压,2.共发射极连接,穿通电压：若在发生雪崩击穿之前集电结的空

31、间电荷层到达了发射结，则晶体管穿通，这个击穿电压就叫做穿通电压。 穿通机制：一个晶体管的空间电荷区及能带分布示于图3-28中。在这种条件下，发射区和集电区被连接成好象一个连续的空间电荷区，使发射结处的势垒被穿通时的集电结电压降低了。结果是，使得大的发射极电流得以在晶体管当中流过并发生击穿。 穿通击穿的特点：穿通击穿的I-V曲线不象雪崩击穿那样陡直。,3.11击穿电压,3.穿通击穿,图3-28 晶体管的穿通：（a）穿通前的空间电荷区（b）能带图（c）穿通后的空间电荷区,3.11击穿电压,3.穿通电压的计算：,解：对于两边杂质浓度接近的PN结，空间电荷区宽度可以表示为：,（1）,（2）,3.11击

32、穿电压,计算穿通击穿电压。,如图所示，为基区的冶金学宽度，是BC结延伸到基区中的空间电荷区宽度。忽略BE结在零偏或正偏压时的空间电荷区宽度，当反偏压使时出现基区穿通。,忽略BE结在零偏或正偏压时的SCR宽度，那么当 时会出现基区穿通，从而根据注公式（1）有,穿通时， 令集电结反偏压为 BVBC, 故穿通电压为,（3）,3.11击穿电压,2)一均匀基区硅BJT的基区宽度为 ，基区杂质浓度 。若穿通击穿电压期望值为BVBC=25V，集电区掺杂浓度为若干？如果不使集电区穿通，集电区宽度至少应大于多少？ （硅相对介电常数 k11.9， 8.85 F/M，q1.6c ）,得到,3.11击穿电压,解：根据公式（3）：,集电区空间电荷区宽度,忽略 ，穿通击穿时，BVBC=25V，则,（4）,集电区宽度至少要大于,3.11击穿电压,学习要求 掌握晶体管两种击穿机制。,3.11击穿电压,