第4章习题

-1-1第四章思考题：4.1画出高频晶体管内部各分电流的流向图及其小信号高频等效电路。答：高频晶体管内部各分电流的流向图见图4.1，高频小信号等效电路见图4.2。如图4.1所示：在高频条件下，发射极电流由三部分组成，用公式表述为TECpeneeiiii。式中nei为发射区注入到基区的电子电流，pei为基区注入到发射区的空穴电流，TECi为发射结势垒电容充、放电电流；基极电流由TECi、pei、DECi、rbi、DCCi、TCCi六部分组成，其中DECi是发射结扩散电容充、放电电流，rbi是注入到基区的电子被基区的空穴复合形成的电流，DCCi是集电结扩散电容充、放电电流，TCCi是集电结势垒电容充、放电电流；集电极电流由mcncxi、TCCi-两部分组成，可以表述为TCCmcnccixii。其中mcncxi是到达集电结边界被集电结收集的电子电流。-2-24.2试述高频下BJT的电流放大系数为何会下降？答：高频下BJT的电流放大系数之所以会下降，是因为其内部包含有两个PN结，每个PN结上都存在一定的势垒电容和扩散电容（合称为PN结电容）。在交流放大状态下PN结电容会随着外加电压的变化而充、放电。电容充、放电的结果是使得BJT在同等的基极电流下，集电极电流变小。这是因为一部分基极电流和一部分集电极电流被用来给发射结电容和集电结电容充、放电而损耗掉了，使得实际的基极电流反而变大，而实际的集电极电流反而变小。另一方面，PN结电容在交流电路中的容抗随着晶体管的工作频率增高而减小。也就是说，BJT的工作频率越高，电容充、放电所导致的电流损耗也越大，晶体管电流放大系数下降的幅度也就越大。如果用数学公式来描述交流电流放大系数，则有cdbej10其中表示BJT的工作频率，0表示直流放大系数，e、b、d、c是与结构参数有关的四个延迟时间。可以看出，工作频率等于零(直流工作状态下)时,分母中第二项为零，放大系数最大，等于0。但是随着频率逐渐升高，分母的绝对值越来越大，放大系数则越来越小。4.3什么是e、b、d、c？分别由哪些因素决定？对晶体管的性能有何影响？答：TEeeCr是发射结势垒电容的充、放电时间，简称发射极延迟时间。它与发射结势垒电容和发射结的等效电阻有关。这个时间越长，高频放大系数越小。nbbbDW2是基区渡越时间，它与基区宽度、基区杂质分布梯度以及基区少子扩散系数有关。其值越大，高频放大系数越小。slmcdvx2是集电结势垒延迟时间，它与集电结势垒区宽度，载流子的饱和漂移速度有关。其值越大，高频放大系数越小。TCcscCr是集电极延迟时间，它与集电结势垒电容、集电区电阻率，集电结有效面积、集电区厚度有关。其值越大，高频放大系数越小。4.4f、f、Tf、Mf各自的含义是什么？-3-3答：f是截止频率，它表示晶体管的共基极交流电流增益比直流电流增益0下降3db所对应的工作频率。f是截止频率，它表示晶体管的共射极交流电流增益比直流电流增益0下降3db所对应的工作频率。Tf是特征频率，它表示晶体管的共射极交流电流增益下降到（等于）1所对应的工作频率。Mf是最高振荡频率，它表示共射极最佳功率增益下降到（等于）1时的工作频率。4.5什么是6db/倍频关系？有何应用？答：对于给定的高频晶体管，其增益带宽积f是一常数，这个常数等于Tf。由此可以看出，在高频工作条件下，随着晶体管工作频率的增加，则减小。或者说工作频率每增加一倍，则减小6db。这一关系简称为6db/倍频关系。利用这一关系，可以在较低的频率下测得某一晶体管的特征频率Tf。与此相反，如果已知Tf，则可以预估某一工作频率下的晶体管共射极放大系数的大小。4.6BJT何以具有开关作用？试述BJT的开关过程。-4-4答：我们知道，良好的开关在闭合时，电阻很小，相当于短路，其两端的压降可以忽略不计，而在开关断开时，其电阻又很大，流过开关两端的电流接近于零。BJT处于饱和态时，在额定电流范围内的正向压降很小，约0.1~0.3V，可等效于开关闭合；而处于截止态时，在额定反压下的穿透电流ceoI又很小，约小于A1（对NPN晶体管），可等效于开关断开。正因为BJT具有上述特性，所以我们说它具有开关作用。下面以NPN晶体管为例简述BJT的开关过程：如图4.3a，在共射极接法中，基极在接入正脉冲IV以前，基极回路电压BBV使得发射结反偏，BJT处于截止态，输出电压CEOVV，集电极电流0CI,0,0tVIbB。在0tt时刻（见图4.3b），基极接入正脉冲IV，be结开始正偏，基极电流从0突变到过驱动基极电流1BI。注意，此时集电极电流CI并没有发生突变，它必须经历一个短暂的“延迟”和“上升”过程。这是因为基区的少数载流子（电子）有一个积累的过程，发射结势垒电容也有一个充电的过程。在延迟时间01tttd内，发射结从反偏、势垒区相对较宽的状态进入正偏、势垒区相对较窄的状态（势垒电容充电过程）。前一状态对应于少子“抽取”，后一状态对应于少子“注入”。此过程中的基极电流虽然达到了过驱动值1BI，但是集电极电流却仍小于CSI1.0。在上升时间12tttr内，集电极电流从CSI1.0上升到CSI9.0。也就是说，在这一过程中，基区少子分布的浓度梯度随着基区积累的少子数量增加而逐渐增大，相应的集电极电流也随着增大，但仍低于饱和值CSI。“延迟时间”和“上升时间”的总和称为晶体管的“开通时间”，计为ont。经过“开通时间”以后，晶体管进入饱和导通状态。这一状态的特点是集电极电流达到饱和值CSI，基区已积累有超量存储电荷BSQ，集电结也由原来的反偏状态转为正偏状态，晶体管的饱和压降CESV低于单个PN结的正向压降。在3tt时刻，基极正脉冲结束。发射结由原来的正向偏置转为反向偏置，基极电流突然反向。但是，集电极电流同样不会发生突变，它仍然保持原来的大小CSI并持续一段时间，然后才开始下降。这是因为，基区存储的大量少子电荷有一个反向抽取的过程。存储时间34ttts就是抽取基区超量电荷所需的时间。在4tt时刻集电极电流下降到CSI9.0，此-5-5时，基区的超量电荷已全部被抽走。随着发射结反向电压的继续，基区少子不断被抽取，基区少子分布的浓度梯度不断下降，集电极电流也由CSI9.0下降到CSI1.0。这一过程所对应的时间就是下降时间45tttf。我们把“存储时间”和“下降时间”的总和称为晶体管的“关断时间”，计为offt。4.7BJT饱和态的特点是什么？画出饱和态时BJT内各区“少子”分布图。答：BJT处于饱和态的特点是：①发射结和集电结均处于正向偏置；②基区和集电区均有超量存储电荷；③饱和压降可以表示为CECESVVV，其中，EV、CV分别为发射结和集电结的正向压降。饱和态时BJT内各区“少子”分布如图4.4所示：4.8BJT的开关时间有哪几个？它们是怎样形成的？答：BJT的开关时间有四个，分别为延迟时间dt、上升时间rt、存储时间st和下降时间ft。分别描述如下（参阅上题中的插图）：延迟时间dt：发射结由反向偏置转为正向偏置时，其势垒电容充电所需要的时间。上升时间rt：发射结进入正向偏置后，基区少子不断积累，积累基区电荷BQ所需要的时间。存储时间st；发射结由正向偏置转为反向偏置后，基区和集电区积累的电荷不断被抽取，抽取超量电荷BSQ和CSQ所需要的时间。下降时间ft：在发射结反向偏置情况下，抽取基区存储电荷BQ所需要的时间。4.9怎样提高BJT的开关速度？答：影响BJT开关速度的主要原因是下面几个过程：基区电荷的积累过程和抽取过程以及-6-6PN结电容的充、放电过程。其中最为重要的是超量电荷的积累和抽取过程。要想提高BJT的开关速度，就可以从上述几个方面入手，分别采取下列措施：①从减小PN结电容考虑，可以减小发射结有效面积AE和集电结面积AC；②从减少存储电荷考虑，可以减小外延层厚度、电阻率、少子寿命；③对于无外延层的晶体管要减小集电区少子扩散长度PCL，即缩短集电区少子寿命，制作工艺上通常采用在硅材料中掺金的方法；④从外电路上考虑可以加大基极抽取电流1BI，但是，1BI也不能太大，太大会使得晶体管的饱和深度过深，一般取饱和深度4S；⑤让晶体管工作在临界饱和态，可使存储时间趋近于零。在CCV与1BI一定时，选择较小的LR（参阅图4.3a）也可缩短存储时间st。4.10什么是基区电导调制效应？它对晶体管特性有何影响？答：在大注入条件下，注入到基区的少子浓度等于甚至超过基区多子的平衡浓度时，为了维持电中性，基区将有大量的多子聚集以维持与少子相同的浓度梯度。多子浓度的增加使得基区的电阻率显著下降，即电导率增加，这一现象称为基区电导调制效应。出现电导调制效应时，基区电阻率大大下降，注入比明显减小，可导致0下降。4.11何谓大注入？与小注入相比，缓变基区晶体管的工作状态与性能有哪些不同？答：把注入到基区的非平衡少数载流子浓度等于或超过基区多数载流子浓度时的这样一种注入状态称为“大注入”。“大注入”与“小注入”相比，缓变基区晶体管的工作状态与性能的不同点可见下表：名称工作状态性能大注入出现三大效应（电导调制效应、基区宽变效应、电流集边效应）；基区少子电流既有扩散电流，又有漂移电流。基区渡越时间b变大，Tf下降。,随着注入增加而下降小注入三大效应可以忽略；基区少子电流仅有扩散电流。,与注入无关4.12大注入自建电场是怎样产生的？它和杂质自建电场有何异同？答：以NPN晶体管为例，大注入时，有大量少子（电子）注入到基区，形成分布xnb-7-7（如图4.5）。为了保持区域电中性，基区也同时有大量的多子（空穴）聚集，形成分布xpb。由于基区中的多子与少子有相同的分布梯度，故这些多子就会和少子一样，从高浓度处的发射结一边向集电结一边扩散。少子扩散到边界就立即被集电结电场收集形成集电极电流。与少子的扩散不同，多子的扩散受到集电结势垒电场的排斥，因此，不能通过集电结而只能在靠近集电结的基区边界处积累起来，从而在基区中形成一个从集电结一边指向发射结一边的自建电场bnE，称其为大注入自建电场。大注入自建电场和杂质自建电场的异同点比较如下表：名称所在位置与外电场关系电场构成电场方向NPN管PNP管大注入自建电场基区与外部电场有关，外部电场取消，它亦自动取消；基区多子电荷和基区少子电荷之间的电场；空穴指向电子，或集电结指向发射结；空穴指向电子，或发射结指向集电结。杂质自建电场基区与外部电场无关，外部电场取消后，它依然存在；基区电离杂质电荷和多数载流子电荷之间的电场；空穴指向电离受主；电离施主指向电子。4.13试述PNNN晶体管强场下有效基区扩展效应的物理过程及其对BJT特性的影响。答：大电流密度下BJT的有效基区随着电流密度增大而展宽，准中性基区扩展进入集电区的现象称为有效基区扩展效应。由半导体物理可知：弱场情况下，硅单晶体中电子的漂移速度随着电场强度的增加而线性增加，但是在强场情况下，当cmVEEC410时，电子的漂移速度达到饱和漂移速度scmvsl710，并且不再随电场的变化而变化。CE称为临界电场。图4.6a示意给出了PNNN晶体管的集电结分区图。阴影区mcx表示小电流下势垒区宽度，mcbx表示集电结势垒在P区的展宽，mccx表示在N区的展宽。假设P区、N区、N+区掺杂均匀，且P区杂质浓度为BN，N区杂质浓度为CN，PN结是突变结，那么，势垒区在P区一侧的固定电荷密度为BqN，在N区一侧的固定电荷密度为CqN。下面的讨论假定电子的漂移速度已达到饱和值slv。如果通过集电结的电流密度为CJ，那么势垒区的可动电-8-8荷（电子）密度为slCCvJ。若用cn表示通过集电结势垒区的电子密度，那么通过集电结的漂移电流密度为slccvqnJ，因此，渡越集电结势垒区的电子密度可以写为slccqvJn。由此式结合泊松方程求解可以得到集电结势垒区