微电子器件基础 思考题和习题答案第3章 双极型晶体管

描述双极型晶体管的基本工作情况。答：双极性晶体管有4个工作模式:截止,正向有源,反向有源,饱和。如果B-E电压为零或反偏(VBE<=0),那么发射区中的多子电子就不会注入到基区。由于B-C结也是反偏的;于是这种情况下,发射极电流和集电极电流是零。这种情况称为截止状态-所有的电流均为零。B-E结变为正偏后,发射极电流就产生了,电子注入基区从而产生集电极电流,如果Vcc足够大,而VR足够小,那么Vcb>0以为着B-C结反偏。这种工作状态就是工作在正向有源区。随着B-E结电压增大,集电极电流会增大,从而VR也会增大。VR增大以为着反偏的C-B电压降低,于是|VCB|减小。在某一点处,集电极电流会增大倒足够大。而使得VR和Vcc的组合在B-C结零偏置。过了这一点,集电极电流Ic的微笑增加会导致VR的微小增加,从而使得B-C结变为正偏(VCB<0)。这种情况称为饱和。工作于饱和模式时,B-E结和B-C结都是正偏的,并且集电极电流不再守控与B-E结电压。反偏有源出线在B-E结反偏而B-C结正偏时,在这种情况下晶体管的工作情况是颠倒的。发射极和集电极的较色反转过来。试画出处于放大偏置模式npn型晶体管的少子分布及载流子输运过程示意图。答：少子分布图：载流子输运过程：双极型晶体管的饱和态的特点是什么？画出饱和态时晶体管内各区的少子分布图。答：当发射结正偏，集电结也正偏时，双极型晶体管进入饱和状态，饱和状态时，集电极电流不再随基极电流的增加而增加。少子分布图：双极型晶体管为什么具有对微弱电信号的放大能力？怎样提高晶体管的放大系数？答：当采用共发射极接法时，输出电流是，输入电流是，直流电流增益是。在pnpBJT中，是电子电流，主要是空穴电流，它们通过E-B结的作用而结合在一起；也就是说，增大会成比例地增大。双结耦合在物理上把流过E-B结的小的电子电流和大的空穴电流分成图3-9所示的两个独立的电流环路，从而使通过小的控制大的成为可能。增加电流放大系数的途径：(1)减小基区宽度（最有效措施）；(2)增加发射区掺杂浓度，减少基区掺杂浓度，提升发射区与基区Gummel数“GE/GB”的比值；(3)增大基区杂质分布梯度，增强基区自建场的影响；(4)加强工艺控制，减少工艺缺陷，在提高DB和τB础上提高LnB。解释发射效率γ和基区输运系数的物理意义。答：注入效率描述在输入电流中注入到基区的那一部分所占的比例。基区输运系数是注入到基区的电流中顺利通过基区的那一部分所占的比例。画出晶体管共基极、共发射极直流输入、输出特性曲线，并讨论它们之间的异同。答：输入特性曲线：输出特性曲线：讨论略。试描述共发射极状态下晶体管的雪崩倍增过程。答：在晶体三极管集电极与发射极之间加有较高电压时,集电结空间电荷区中的电场随之加强,在强电场的作用下将形成电子空穴对.新产生的电子和空穴与原有的电子空穴一样向相反的方向运动,重新获得足够的能量后,又可通过碰撞再产生电子空穴对,这种现象称为载流子的"倍增效应".当反向电压增大到某一数值后,载流子的倍增情况就像发生雪崩一样增加得又多又快,从而使反向电流急剧增大,造成集电结雪崩击穿。试描述高频下双极型晶体管的电流放大系数为何会下降。答：双极型晶体管中存在发射结、集电结势垒电容等寄生电容，在低频下可以忽略寄生电容的影响，随着频率的加，寄生电容对电流放大系数的影响增加，同时频率越高，基区渡越对放大系数的影响增加。双极型晶体管为何具有开关作用？试描述双极型晶体管的开关过程。答：延迟过程过程：基极输入端施加压降后，输入回路中有了驱动电流，基极电流提供的空穴的一部分从基区侧填充发射结空间电荷区，中和离化的受主；发射极流入的电子在另一侧填充空间电荷区，中和离化的施主。导致发射结势垒区变窄，发射结从反偏转向正偏，这一过程实际上实现了发射结空间电荷区电容的充电。与此同时，集电结虽然在延迟过程中始终处于反偏状态，但反偏电压的数值逐渐减小，势垒变窄，这是靠基极电流提供的另一部分空穴，从发射区传输到集电结的电子对集电结耗尽区电容充电实现的。上升过程：延迟过程结束后，基极电流保持不变，继续对发射结势垒电容充电。由于发射结偏压升高，向两侧的少子注入明显增加，基区和发射区都积累了过剩载流子，同时集电极电流也开始增加，负载电阻上的电压降增大，使集电结反偏电压数值开始减小，直到使输出电流达到饱和值，集电结电压上升到零，晶体管达到临界饱和。存储过程：上升过程结束时，处于临界饱和状态。此时基极电流除补充基区复合损失外仍有多余，这部分多余的电荷引起晶体管内部电荷的进一步积累，形成超量存贮电荷。下降过程输入电压脉冲下降沿到来，此后超量储存电荷逐渐减少，发射结和集电结的偏压从饱和态的正值往下降。基极电流在发射结偏压未过零之前等于常数。通过基极向外抽出空穴，促使发射区和基区的储存电荷不断减少，同时发射结和集电结势垒电容放电。在基区由于储存电荷消失，载流子浓度梯度减小，发射结变反偏，集电极电流随之下降，一直下降到接近于反向电流值，下降过程结束。下降过程实质上是上升过程的逆过程，但是载流子复合在两种过程中的作用的不同。上升过程中复合阻碍过剩载流子积累，延缓上升速度，下降过程中复合加速储存电荷消失，加快下降过程。什么是双极型晶体管的截止频率？答：当保持输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的0.707倍，即用频响特性来表述即为-3dB点处即为截止频率在开关波形图中注明延迟时间td、上升时间tr、贮存时间ts、下降时间tf，说明其物理意义。答：延迟时间：从输入信号变为高电平开始，到集电极电流上升到最大值的0.1倍时所需的时间。上升时间：集电极电流从0.1上升至0.9所需的时间。贮存时间：从输入信号变为低电平或负脉冲开始，至下降到0.9所需的时间。下降时间：集电极电流从0.9下降到0.1所需的时间。12．在图3-8所示的pnp型晶体管中，已知IEp=1mA，IEn=100µA，ICp=0.98mA，ICn=0.1µA，试计算：（1）β*；（2）γ；（3）IE、IC和IB；（4）α0和β0；（5）ICBO和ICEO。（1）β*=ICp/IEp=0.98（2）γ=IEp/(IEp+IEn)=0.91（3）IE=IEp+IEn=1.1mAIC=ICp+ICn=1.08mAIB=IE-IC=0.02mA（4）α0=γβ*=0.891β0=α0/(1-)α0=8.174（5）ICBO=IC-α0IE=0.1mAICEO=ICBO/(1-α0)=0.917mA13．假设晶体管的3个电极按照下图所示的方式连接，假设发射结注入效率γ=1，求发射极、基极和集电极处的电流。答：如图所示的双极性晶体管发射结正偏，集电结零偏，此时晶体管处于临界放大状态。IC=IBβ0IE=IB+IC14．在信号频率为100MHz的条件下测试某高频晶体管的，当IC=1mA时测得其值为4，当IC为4mA时测得其值为4.5。试求该晶体管的发射结势垒电容CTE和基区渡越时间τb的值。答：由fT的测量式可知，当IC1=1mA时，fT1=4×100=400MHz当IC2=4mA时，fT2=4.5×100=450M