器件物理第五章

▲双极性晶体管工作原理（结构条件，外加电压条件）答：①右图为理想的一维结构p-n-p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p-n结。浓度最高的p+区域称为发射区；中间比较窄的n型区域，其杂项浓度中等，称为基区，基区宽度远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电极区。②图（a）是一热平衡状态下的理想p-n-p双极型晶体管，即其三端点接在一起；或者三端点都接地，阴影区域分别表示两个PN结的耗尽区。显示三段掺杂区域的杂质浓度，发射区的掺杂浓度远比极电区大，基区的浓度比发射区低，但高于集电区浓度。图（c）表示耗尽区的电场强度分布情况。图（d）是晶体管的能带图，它只是将平衡状态下的p-n结能带直接延伸，应用到两个相邻的耦合p+—n结与n-p结③图（a）为工作在放大模式下的共基组态p-n-p型晶体管；即基极被输入与输出电路所共用，图（b）与图（c）表示偏压状态下电荷密度与电场强度分布的情形，与热平衡状态下比较，射基结的耗尽区宽度变窄，而集基结耗尽区宽度变宽。图（d）是晶体管工作在放大模式下的能带图，射基结为正向偏压，因此空穴由p+发射区注入基区，而电子由基区注入发射区。▲推导双晶体管理想电流，电压方程中五点假设及其具体推导过程。为什么基区少数载流子分布可近似为一条直线？答：为推导出理想晶体管的电流，电压表示式，需作下列五点假设：⑴晶体管中各区域的浓度为均匀掺杂；⑵基区中的空穴漂移电流和集基极反向饱和电流可以忽略；⑶载流子注入属于小注入；⑷耗尽区中没有产生一复合电流；⑸晶体管中无串联电阻。假设在正向偏压的状况下空穴由发射区注入基区，然后这些空穴再以扩散的方式穿过基区到达集基结，一旦确定了少数载流子的分布（n区域中的空穴），就可以由少数载流子的浓度梯度得出电流。_____________________________________________________。即少数载流子分布趋近于一直线。此近似是合理的，因为在晶体管的设计中基极区域的宽度远远小于少数载流子的扩散长度。如图可见，由线性载流子分布的合理假设可化简电流-电压特性的推导过程。▲什么叫小信号工作？跨导，输入电导和输出电导的定义及其表达式。答：小信号意指交流电压和电流峰值小于直流的电压电流值。跨导：________________________；输入电导：_________________________；输出电导：_______________。▲双极晶体管的截止频率定义。共基极截止频率、共射极截止频率之间的相互关系特征频率的表达式。答截止频率：如右图中，跨导mg和输入电导EBg与晶体管的共基电流增益有关。在低频时，共基电流增益是一个固定值，不会因工作频率而改变，然而当频率升高到一关键点后，共基电流增益会降低。右下图是一典型的共基电流增益相对于工作频率的示意图。加入频率的参量后，共基电流增益为___________。其中0是低频（或者直流）共基电流增益，f是共基的截止频率，当工作频率ff时，α的值为0.7070（下降3dB）。右图也显示了共射电流增益，由上式可得________________________。其中f称为共射截止频率_____。由于10，所以f远远小于f。另外，一截止频率Tf（又称特征频率）定义为β的绝对值变为1的频率，将前式等号，右边的值定位1，可得出_________________。▲基区渡越时间表达式推导及其缩短基区渡越时间的方法。答：特征频率Tf也可以表示为1)2(T，其中T表示载流子从发射极传输到集电极所需的时间，包含了发射区延时E，基区渡越时间B，以及集电区渡越时间C。其中最主要的时间是B。少数载流子在dt时间段中所走的距离是dx=v(x)dt，其中v(x)是基区中的少数载流子的有效速度，此速度与电流的关系为：______________________。其中A是器件的截面积，p(x)是少数载流子的分布，空穴经过基区所需的时间B为_________________。以线性空穴分布为例，将_________________________。因此Tf很接近但稍小于f要改善频率响应，必须缩短少数载流子穿越基区所需要的时间，所以高频晶体管都设计成短基区宽度。由于在硅材料中电子的扩散系数是空穴的三倍，所有的高频硅晶体都是n-p-n的形式（基区中的少数载流子是电子），另一个降低基区渡越时间的方法是利用有内建电场的缓变掺杂浓度低产生的内建电场将有助于载流子往集电极移动，因而缩短基区渡越时间。▲双极晶体管开关时间及其开关过程的解释。（电荷，电场，电势的动态关系）。答：开关时间是指晶体管状态从关变为开或者从开变为关所需要的时间，图（a）显示一输入电流脉冲在t=0时加在射基端点上，晶体管导通，在2tt时，电流瞬间为零，晶体管关闭。集电极电流的暂态行为可由储存在基区中的超少量少数载流子电荷)(tQB来决定；图（b）是)(tQB与时间的关系图。在导通的过程中基区储存电荷将由零增加到)(2tQB，在关闭的过程中，基区储存电荷由)(2tQB减少到零。当sBQtQ)(时，晶体管工作放大模式下，其中sQ是CBV=0时基区中的电荷量（如图d，在饱和区的边缘）。具体解释CI对时间的变化显示在图（c）中，在导通的过程中，基区储存电荷量达到sQ，电荷量在1tt时达到饱和区边缘。当sBQQ时，晶体管进入饱和模式，而发射极和集电极电流大致维持定值。图（d）显示1tt时，空穴分布)(xPn与1tt时平行，所以在x=0和x=W处空穴浓度梯度即电流维持相同。在关闭的过程中，器件起初是在饱和模式下，集电极的电流大约维持不变，直到BQ降至sQ，如图（d）。▲异质结构晶体管为什么具有较高的速度，采用公式推导说明异质结不同材料禁带宽度如何影响其电流增益。答：异质结双极型晶体管（HBT）是指晶体管中的一个或两个结由不同的半导体材料所构成。HBT的主要优点是发射效率高，基本应用与双极型晶体管相同，但HBT具有较高的速率，可以工作在更高的频率。因为其具有这些特性，HBT在光电，微波和数字应用上非常受欢迎。如在微波应用方面，HBT常用来制造固态微波及毫米波功率放大器，震荡器和混频器。HBT的电流增益：由于HBT发射区和基区是不同的半导体材料它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响，当基区输送系数T非常接近1时，共射电流增益可表示为______。发射区和基区的少数载流子浓度可写为_________________________。其中EN和BN分别是发射区和基区的掺杂浓度，CN和VN分别是导带和价带底的有效状态密度，gEE是发射区半导体的禁带宽度，'CN、'VN和gBE则是基区半导体上相应参数。因此，由于HBT发射区和基区半导体材料不同，它们的禁带宽度差将对HBT的电流增益造成影响，且__________________________________。▲异质结容易出现导带能带不连续，这个问题如何解决？答：导带上的能带不连续CE是我们所不希望看到的。因为此不连续迫使异质结中的载流子必须以热电子发射或隧穿的方法才能越过势垒，因而降低发射效率和集电极电流，此缺点可由缓变层和缓变基区异质结来改善。下图显示一缓变层加在射基异质结中的能带图，其中CE已经被消除，缓变层的厚度为gW。基极区域也可用缓变分布，以将由发射区到基区的禁带宽度减小，图中虚线显示缓变基区HBT的能带图，其中存在一个内建电场biE于准中性基区内，导致少数载流子渡越时间降低，增加了HBT的共射电流增益与截止频率。▲p-n-p-n二极管及其可控硅器件各自的特点答：p-n-p-n二极管正向区域是个双稳态器件，可以由高阻抗低电流的关闭状态转换到低阻抗高电流的开启状态，反之亦然。可控硅器件的电流-电压特性与p-n-p-n二极管类似，但多了gI，当栅极电流增加时，可以降低产生正向转折电压。