微电子器件原理-第5章-三极管的时间与频率特性

第五章三极管的时间与频率特性P-n结的开关特性电荷控制分析晶体管的频率特性5.1P-n结的开关特性耗尽层电容充电时间当一个二极管从关（零片或反偏）到开（正偏），需要一定的时间才能达到稳定状态。这个时间与耗尽层电容的充电及过剩少数载流子充满n区或p区有关。当一个二极管从开（正偏）到关（零片或反偏），同样也需要一定的时间才能达到稳定状态。这个时间与耗尽层电容的放电及n区或p区的过剩少数载流子有关。如Cd=1fF/m2，从关到开，从开到关电压摆幅为1V，电流密度为1mA//m2，充放电时间CdV/J约为10-12s。耗尽层电容的充放电时间比p和n区少子的充放电时间要短得多。5.1.1基区过剩少数载流子和基区充电时间---长基区二极管n+—p二极管，基区宽度为w（p区）；正偏时，少子注入基区。长基区二极管：少子随距离的增加指数下降，到达x=W处，所有少子均被复合。基区过剩少子（电子）电量QB：（2.119）（2.107）（2.108）dxnnqQWppB00)()/exp()/exp(00napppppLxkTqVnnn)/exp()0(02kTqVLpnqDxJappnpinn5.1.1基区过剩少数载流子和基区充电时间---长基区二极管（续）把方程（2.107）和（2.108）代入（2.119）得（2.120）上式利用了和少子充满基区时间：在宽基区二极管中，少子充满基区的时间等于少子寿命。(2.98)nnBBxJQt)0(nnnxppBxJLnnqQ)0(|)(001/nLW0)/exp(nLWnnnDL/25.1.1基区过剩少数载流子和基区充电时间---短基区二极管短基区二极管：所有少子均能通过基区而没有被复合。（2.111）（2.112）对于短基区，把方程（2.111）和（2.112）代入（2.119）得：（2.121）)1)(/exp(00WxkTqVnnnappppp)/exp()0(02kTqVWpnqDxJapppinn2|)()(00WnnqnarrowbaseQxppB5.1.1基区过剩少数载流子和基区充电时间---短基区二极管（续）基区传输时间tB定义为：（2.122）上式利用了上式也等于少数载流子通过短基区的平均时间。在短基区二极管中，少子充满基区的时间等于基区传输时间。200ippnpnnnBBDWxJnarrowbaseQt2)0()(25.1.2通过短基区二极管的平均时间由方程（2.111），在窄基区二极管中，任一点的过剩少数载流子浓度为：（2.123）v(x)是x点过剩载流子速度，有过剩载流子在x点产生的电流密度为：（2.124）由方程（2.112）给出的电流密度为：（2.112）上式利用了（2.111）式（2.125）)1(|)()1)(/exp(0000WxnnWxkTqVnnnxppappppp)1(|))((|))(()(000WxnnxqvnnxqvxJxppxppn)/exp()0(02kTqVWpnqDxJapppinn00002|)()/exp()/exp()0(xppnapppnapppinnnnWqDkTqVnWqDkTqVpnWqDxJ5.1.2通过短基区二极管的平均时间（续）假设忽略窄基区中载流子的复合，电流连续要求Jn(x)与x无关，则由（2.124）和（2.125）得：（2.126）通过短基区二极管的平均时间：（2.127）比较（2.122）和（2.127）可知，基区传输时间等于少子通过窄基区的传输时间。例：WB=0.1m，NB=21018cm-3，n=300cm2/Vs，tB110-11s，少子寿命为110-7s数量级，由此可见，可以忽略基区复合效应。xWDxvn)(nWavgDWxvdxt2)(205.1.3正偏二极管的放电时间（正偏到反偏）假设：（1）二极管有一个单位横截面积；（2）外加正向偏压VF和反向偏压VR它的内建电势。5.1.3正偏二极管的放电时间（续）（1）t0时，正向电流IFVF/R；（2）t=0时，由正向偏压VF变为反向偏压VR；（3）0tts，基区过剩电子开始反向扩散到二极管耗尽区，电子在耗尽区边缘迅速被电场扫过。电流为常数。IR=VR/R，放电时间受电阻限制。Vsat=1107cm/s，Xdep=0.1m，通过耗尽层的时间在10-12s数量级基区过剩少数载流子完全耗尽的时间。因此，放电时间受外加电阻R的限制。（4）t=ts，临界时间。过剩电子继续减小，电流开始减小。过剩少子（电子）已经耗尽到反向电流受少子限制，而不是外加电阻；（5）tts，过剩电子耗尽后，反向电流受二极管漏电流制约。5.1.3正偏二极管的放电时间（计算）由电流连续方程[方程（2.92）]可知：（2.128）电子寿命（2.93）Rn，Gn为电子的复合和产生率（2.128）式两边乘以—q，然后积分得：（2.129）或（2.130）nppnppnnxtiqtnn00)(1)(nnnGRnn0WppnWnWppdxnnqdxxtidxnntq00000)()()(nBnnBtQtitWidttdQ)(),0(),()(5.1.3正偏二极管的放电时间（计算）（续）是外电阻R上的电流，方程（2.130）变为：（2.131）解之得：（2.132）（2.133）QB(0)是二极管由正偏变为反偏时的过剩电荷。WppBdxnnqtQ00)()(),(),0(tWitinnRnBBItQdttdQ)()()/exp(])0([)(nnRBnRBtIQItQ)/exp()]/exp(1[)0()0()(nnBnRBBttQIQtQ5.1.3正偏二极管的放电时间（讨论）--长基区二极管的放电时间图2.20QB(t)/QB(0)与t/的关系由方程（2.120）知，对于电子QB为“负”，方程（2.133）为：FnBIQ)0(QB(t)/QB(0)与t/的关系电荷控制分析基本的放大器放大器中的电阻和电流晶体管的频率特性忽略寄生电阻后的小信号等效电路模型截止频率的倒数与集电极电流倒数的关系截止频率与集电极电流关系的测量结果fT,fmaxandVA与基区掺杂浓度的实验结果fT,fmaxandVA与基区厚度的实验结果最近报道的n-p-n晶体管的BVCE0与fT