半导体物理的零碎

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整理些半导体物理的零碎知识点

(1)Si的晶体结构是简单晶格、还是复式晶格?Si的晶格振动模式?

正解:Si晶体虽然是由一种原子(Si原子)构成的,但是其中却存在两种所处环境不同的原子。因为Si是共价键晶体,每一个Si原子的周围有4个按照正四面体分布的Si原子;处于正四面体中心的原子与处于顶角上的原子是不同的(共价键的取向不同),所以Si晶格应该看成是由两种原子构成的复式晶格。每一个原胞中有两个原子,于是Si的晶格振动模式也有两种——声学波和光学波。

(2)Si禁带宽度的温度系数为负,产生的原因?

能带理论给出的是晶体原子和电子处于一定位置时、电子的能量状态,则能带以及禁带的宽度是由原子排列所形成的周期性势场所决定的,与电子的运动能量无关。只 有在讨论电子如何填充能带中的能级时,才需要考虑电子能量的高低(能量高者即可填充较高的能级,能量低者就只能填充较低的能级)。

因为能带(容许带)可以认为是由原子能级展宽而形成的(~紧束缚近似),则当温度升高时,体积发生热膨胀,使晶体原子间距增大,将导致能带(容许带)宽度减小、禁带宽度增大,于是禁带宽度具有正的温度系数。某些半导体的禁带宽度确实是正的温度系数,例如HgTe和PbTe等的禁带宽度就是如此。

但是实验表明,Si、Ge禁带宽度的温度系数的确为负。若采用热膨胀影响能带宽度的概念来解释的话就出现了矛盾。这主要是由于在Si、Ge半导体中,并不是一条原子能级就对应于一个扩展而成的能带(存在sp3杂化的缘故),使得情况变得很复杂,故导致了矛盾的产生;根据电子sp3杂化的定态能量与原子间距的关系,即可得知禁带宽度随温度的升高是变窄的。

(3)n型半导体中的电子多、空穴少,但为什么是电中性的?

半导体中的载流子主要有两种来源,即掺杂(掺入施主或者受主)和热激发。在一般情况下,热激发(即本征激发)产生出来的载流子浓度较小,除非在较高温度下才有大量的本征载流子(变成为本征半导体)。

对于n型半导体,其中的多数载流子——电子主要是掺杂所提供的,极少量是由热激发产生的;并且热激发产生的载流子是电子、空穴成对出现。例如,Si掺入施主浓度为1017cm-3时,室温下热激发产生的电子和空穴的浓度仅分别约为104cm-3。这就是说,n型半导体中的大量电子,基本上都是由施主提供的,少量的电子与空穴(少数载流子)同时产生。由于每一个施主原子在提供一个带负电的电子载流子的同时,本身就变成了带正电荷的离子(即为电离施主中心),因此,不管n型半导体中有多少电子,每一个电子都有一个电离施主中心与之相对应,保持为电中性,从而整个n型半导体并不呈现出多余的负电荷。

(4)什么是本征半导体?

实际上,电阻率很高的半导体,不一定都是本征半导体。

首先要搞清楚本征半导体的实质。凡是两种载流子都对导电起同样作用的半导体,就称为本征半导体。因此,平衡电子浓度和平衡空穴浓度相等的半导体,即为本征半导体;从而本征半导体的条件是:no=po=ni。

可见,未掺杂的半导体确实是本征半导体,但是掺杂半导体在高温下也可以转变为本征半导体。因为多数载流子主要是由掺杂提供的,则在杂质全电离时,多数载流子 浓度基本上不随温度变化;又因为少数载流子完全是由本征激发所产生的,而本征激发是一种热激发过程,产生的少数载流子浓度将随温度指数式增加。所以,当温 度升高到某一定程度时,少数载流子浓度就将等于多数载流子浓度,这时半导体就变成了本征半导体,但是这种本征半导体的导电性很好。

此外,未掺杂的本征半导体,因为载流子都是由热激发产生的,则在室温下数量很少,其电阻率确实很高。然而若同时掺有大量施主和受主的所谓补偿半导体,由于杂质的补偿(抵消)作用,使得有效的多数载流子浓度很少(等于两种杂质浓度的差),所以这时半导体也将具有很高的电阻率,但这决不是本征半导体。

(5)半导体的多数载流子浓度和少数载流子浓度与温度的关系是一样的吗?

半导体在任何温度下,都将遵从热平衡条件:np=ni2。 因此多数载流子与少数载流子是相互制约着的。多数载流子主要来自于掺杂,而少数载流子都来自于本征激发(属于本征载流子)。当通过掺杂、增大多数载流子浓 度时,则多数载流子与少数载流子相互复合的机会增加,将使得少数载流子浓度减小;当升高温度,少数载流子浓度将指数式增大,并且它与多数载流子相互复合的 机会也增加,仍然维持着热平衡关系。在温度不是很高时,增加的本征载流子浓度将远小于掺杂所提供的多数载流子浓度,因此对于多数载流子而言,可以认为其浓 度基本上就等于掺杂浓度,与温度的关系不大。当然,在温度高到使得本征载流子浓度增大到等于或大于多数载流子浓度时,就变成以本征载流子导电为主的半导体了,即为本征半导体,这时掺杂的贡献即可忽略了。

(6)半导体掺杂浓度越高,两种载流子的浓度是否都越大?

半导体中的电子和空穴,在热平衡时,它们的浓度保持为一定的常数;但这是一种动态平衡,它们一边复合、又一边产生,在一定的温度下即保持为确定的数值。

例如n型半导体,在热平衡情况下,如果再掺入施主使得电子浓度进一步增大,则电子与空穴复合的几率也相应地增大,于是会导致少数载流子——空穴的浓度有明显地降低。因此,半导体的掺杂浓度越高,多数载流子浓度就越大,而少数载流子浓度也就越小。半导体热平衡载流子浓度之间存在有一定的关系——热平衡条件:nopo=ni2。在杂质全电离情况下,多数载流子浓度no≈ND(掺杂浓度),则少数载流子浓度po=ni2/no≈ni2/ND。

(7)多数载流子和少数载流子的电流大小

载流子的输运方式主要有两种,即漂移运动和扩散运动。由于这两种输运方式分别与不同的因素有关,则不能简单地比较其输运电流等的效果。

对于在电场作用下的漂移运动,漂移电流与载流子浓度成正比,则多数载流子的漂移电流要远大于少数载流子的漂移电流。

但是,对于在浓度梯度驱动下的扩散运动,扩散电流与载流子浓度梯度成正比,而与载流子浓度本身的大小无关,所以即使是数量很小的少数载流子,也可以产生很大的扩散电流;相反地,数量很大的多数载流子因为难以产生浓度梯度,所以其扩散电流反而很小。

BJT和SCR就是少数载流子工作的器件,它们的电流可以高达数十、乃至数百安培。

MOSFET就是多数载流子工作的器件,但是它的电流却不一定很大(有时就小至数mA)。

(8)载流子的平均自由程与晶格常数

根据能带理论,规则排列的晶体原子是决定晶格周期性势场的主要因素,它决定着能带的结构。但是规则排列的晶体原子并不散射载流子,因为引起载流子散射的因素是那些破坏周期性势场的附加势场——杂质原子、缺陷等所产生的势场。由于晶体中杂质原子、缺陷的分布往往要比晶格常数大得多,所以载流子的平均自由程也要远远地大于晶格常数(数十倍以上)。

(9)载流子的漂移速度可以小于还是大于热运动速度?

基本概念:载流子在电场作用下所产生的沿着电场方向的一种运动称为漂移。表征漂移快慢的物理量是迁移率(等于单位电场下的漂移速度)。载流子的热运动是布朗运动,根据kT=mvth2/2即可求得其热运动速度为vth=(2kT/m)1/2,在室温下vth≈107cm/s

漂移速度是指沿着电场方向的速度;虽然在电场作用下,载流子作加速运动,但是这种加速运动是叠加在混乱的热运动基础之上的,因此总的沿着电场方向的速度还是 较小的,因此漂移速度总是小于热运动速度。(注:对于载流子在强电场作用下的瞬态输运,情况将有所不同,这时瞬态漂移速度有可能大于热运动速度,即可出现 所谓速度过冲效应。)

(10)非平衡载流子及其注入

若向半导体中注入了电子Δn,则必然会同时在半导体中增加相同数量的空穴Δp,即Δn=Δp,以保持电中性,则整个半导体就处于非平衡状态;并且注入的和相应增加的载流子具有相同的浓度梯度:d(Δn)/dx=d(Δp)/dx。

一般,向半导体中注入载流子,实际上只能注入少数载流子,而难以注入多数载流子。因为注入的多数载流子通过Coulomb排斥作用即很快地跑到表面或者杂质、缺陷上去了,体内仍然维持为电中性;这个过程很快,所需要的时间就是所谓介电弛豫时间(与多数载流子浓度有关),与少数载流子寿命比较起来可以忽略。因此,一般认为n型半导体中,只能注入少数载流子——空穴,而不能注入多数载流子——电子。也正因为如此,所以通常所说的非平衡载流子,也就是指的非平衡少数载流子。

在小注入情况下,虽然注入的少数载流子浓度很小,但是对于少数载流子而言却是很可观的;然而对于多数载流子而言,所增加的载流子却微乎其微,可以忽略不计。对于n型半导体,即有:

p=po+Δp,n=no+Δp=no+Δn≈no。

(11)Si和GaAs的非平衡少数载流子寿命比较

决定是间接复合还是直接复合机理的因素,主要是半导体的能带结构。

GaAs具有直接跃迁能带结构,电子和空穴都处在Brillouin区中心,动量都为0;则当电子与空穴复合时,可很快地把能量以光子的形式发射出来(光子的动量≈0),因此电子-空穴的复合几率很大,这种直接复合的寿命很短;并且禁带宽度越小,直接复合的几率也越大,寿命也越短,因此禁带宽度较窄的GaSb和InAs(都具有直接跃迁能带结构)的寿命就较短于GaAs的少数载流子寿命。

Si具有间接跃迁能带结构,空穴处在Brillouin区中心,它的动量为0;但电子处在Brillouin区近边缘处,动量较大,则当电子-空穴复合时,除了释放出能量以外,还需要释放出动量,因此在复合时必须还要有第三者(往往是声子)来接受所释放出的动量。这就意味着,Si中电子与空穴的直接复合过程,是一种三个粒子相互碰撞的过程,这种过程发生的几率很小,所以电子-空穴直接复合的寿命很长。相反,如果是通过复合中心的复合,即复合中心一边俘获电子、一边俘获空穴,来使得电子、空穴成对消失,这种间接复合的几率较大,因此Si中少数载流子的寿命主要决定于间接复合机理。而间接复合的寿命长短与复合中心的浓度和性质有关(与禁带宽度基本上无关);对于质量较好的半导体,其中的复合中心数量一般是很少的,所以有的材料的载流子寿命可以高达数百微秒。

总之,GaAs是直接跃迁能带结构,直接复合几率很大,则载流子寿命一般都很短;而Si是间接跃迁能带结构,间接复合几率远大于直接复合几率,则间接复合机理决定着载流子寿命,从而对于一般的高质量半导体,少数载流子寿命都较长。

半导体Ge的情况与Si的完全相同,因此其中载流子的寿命一般也较长.

(12)非平衡少数载流子和非平衡多数载流子的寿命

半导体非平衡载流子的寿命决定于其消失的机理。非平衡少数载流子的消失主要是通过直接复合或者间接复合来实现的;特别是对于Si、Ge半导体中的非平衡少数载流子而言,它们的复合基本上是借助于杂质、缺陷所形成的复合中心来完成的,所以这些半导体中的非平衡少数载流子寿命与复合中心的浓度和性质有关,有的寿命可长达数百微秒。

但是非平衡多数载流子的的消失主要是通过Coulomb排斥作用,使得它们可以很快地在体内消失(都跑到表面或者杂质、缺陷上去了),所以寿命很短,就等于介电弛豫时间(多数载流子浓度越大,该时间就越短)。

(13)非平衡载流子的扩散长度

扩散长度是非平衡载流子的一个重要特征参量。扩散长度就是指非平衡载流子在一边扩散、一边复合过程中,所能够走过的距离。因此扩散长度L与扩散系数D和寿命t有关:L=(Dt)1/2。

因为一般只能注入非平衡少数载流子,所以只考虑非平衡少数载流子的扩散及其复合(寿命),因此表征这二者综合性能的扩散长度就非常重要。实际上,扩散长度也就是非平衡少数载流子存在的有效范围的大小。例如p-n结势垒区两边的扩散区,其宽度也就等于扩散长度。

因为一般不能注入非平衡多数载流子,则可不必考虑非平衡多数载流子的扩散与复合,所以就谈不上它的扩散长度。实际上,非平衡多数载流子存在的有效范围很小,即介电长度。

(14)电子的简并和非简并

正解:n型半导体的电子是多数载流子,低掺杂,电子浓度小,当然少数载流子(空穴)的浓度更小,因此所有的载流子都是非简并的。

但是,不是载流子的价电子则不在此列,即价带中的价电子不是非简并的,而是像原子中的电子一样是简并的。这就是说,非简并n型半导体的导带电子是非简并电子,但价电子仍然是简并的电子。从能带图上又可以看出这一点,因为非简并n型半导体的Fermi能级是位于导带底以下,但远在价带顶之上,因此处在Fermi能级以下较远处的价电子自然是简并的电子。

(15)半导体中载流子碰撞电离的电离能

半导体处于强电场下时,其中的载流子被加速而获得较大的动能和动量,即形成热载流子;当这些热载流子与共价键上的价电子碰撞时,会把价电子从共价键中电离出来而成为自由电子(同时也产生出价键空位——空穴),产生这种电离效应所需要的能量就是碰撞电离的电离能。

半导体的禁带宽度实际上是通过热激发而产生本征载流子所需要的平均能量;即使在室温下,载流子热运动的平均能量kT(~0.026eV)小于禁带宽度,也会由于热涨落而出现一定的本征激发过程,则不掺杂的本征半导体中也总是存在一定数量的本征载流子。

碰撞电离虽然也是一种本征激发过程,但是它与热学本征激发不同;因为通过碰撞电离而产生出来的电子和空穴都将具有一定的动能和动量,而粒子的碰撞过程需要满足能量和动量守恒定律,因此碰撞电离的电离能实际上总是大于禁带宽度(至少为禁带宽度的1.5倍)。

此外,受到高能量光子的照射或者高能粒子的轰击而产生本征激发时,也与碰撞电离过程类似,所需要的电离能也将大于半导体的禁带宽度.

(16)p-n结的势垒高度:

p-n结包括有三个区域:界面附近的空间电荷区,空间电荷区两边的少数载流子扩散区,扩散区以外的两端电中性区。对一般的p-n结,空间电荷区也就是势垒区。

正解:p-n结的势垒是有内建电场的区域;内建电场是由空间电荷产生的,一个p-n结中的空间电荷的数量基本上是一定的,以产生出能恰好阻挡两边载流子扩散作用的内建电场。内建电场越强,阻挡作用就越强,则势垒高度也就越大。

①当p-n结两边(或者一边)半导体的掺杂浓度提高时,则载流子浓度增大,扩散作用增强,从而起阻挡作用的内建电场也就相应地增大。因此,掺杂浓度越大,p-n结势垒就越高;相反,掺杂浓度越低,势垒就越低。

实际上,从Fermi能级上来理解的话更加容易。因为半导体掺杂浓度越大,Fermi能级就越靠近能带极值(能带底和能带顶),而p-n结势垒高度就等于两边半导体的Fermi能级之差,所以提高掺杂浓度即可增大势垒高度。

②温度升高时,半导体的导电性将发生一定的变化,即少数载流子浓度随着温度的升高而指数式增大,相对来说多数载流子所占据的比例即越来越小,这就使得多数载流子往对方扩散的作用减弱,从而起阻挡作用的p-n结势垒高度也就降低。从Fermi能级的变化上来理解:温度越高,半导体Fermi能级就越靠近禁带中央(即趋于本征化),则两边半导体的Fermi能级之差也就越小,所以p-n结势垒高度也就越低。

(17)p-n结的势垒厚度:

在热平衡时,p-n结即具有一定的势垒高度和势垒厚度,以阻挡两边载流子的扩散作用;并且在掺杂浓度一定时,势垒厚度与势垒高度成正比。

①p-n结空间电荷区中的电荷主要是电离杂质中心的电荷(载流子数量很少,所以往往可以采用耗尽层近似);当提高两边或者一边半导体的掺杂浓度时,则电离杂质中心的浓度增大,因而空间电荷密度也就增大,则就使得内建电场增强,从而势垒高度增大;但是相应的势垒厚度却是减小的,因为掺杂浓度的提高对于多数载流子扩散作 用的影响不大,则用来平衡(阻挡)扩散作用的电场、因而空间电荷的数量也基本上是一定的,现在密度增大了,则就不再需要那么宽的势垒厚度即已经包含了足够数量的空间电荷。

②当提高环境温度时,p-n结的势垒厚度将随着势垒高度的降低而减小。当温度升高到使得p-n结两边的半导体都转变为本征半导体之后,则p-n结的势垒厚度和势垒厚度就都变成了0,p-n结即完全失效。

(18)反偏p-n结的电流

正解:p-n结在反偏时,它本身所通过的电流确实很小(除非是不好的p-n结);该反向电流主要是少数载流子的扩散电流(对于一个好的p-n结,其它电流成分很小),并且与反向电压的大小无关(即为所谓反向饱和电流)。

但是,因为反偏p-n结的势垒区中存在很强的电场,如果有另外的载流子到达势垒区的边缘的话,就会被电场扫过势垒区,而成为通过反偏p-n结的电流,这种电流的大小则决定于从外边过来的载流子数量。因此,这时通过反偏p-n结的电流就有可能达到很大。

典型的例子就是BJT的集电结。当放大工作时,集电结反偏,则集电结本身通过的电流很小(是Icbo);但是,当有发射结注入到基区、并扩散到达集电结势垒区边缘的少数载流子时,这些少数载流子即被集电结势垒区的电场扫过,而成为输出集电极电流,该输出电流有时是很大的,而且从性质上来说是一种反向电流(只不过不是集电结本身的反向电流而已)。正因为BJT的输出集电极电流具有反向电流的性质,所以输出集电极电流基本上与集电结电压无关,即输出电流是饱和的(实际上往往不完全饱和,这是由于Early效应影响的结果)。

另一个典型的例子就是光接收检测二极管,即由它的光电流来检测光的一种器件(其它光电池、太阳电池和红外探测器等,原理上都是一样的)。光接收二极管的核心实际上就是一个p-n结,即使未加电压,它的势垒区中也存在较强的电场。当没有光照射时,自然就不会有电流通过二极管;而当有光照射时,就产生出大量的所谓光生载流子——电子-空穴对,这些电子和空穴即被p-n结势垒区中的电场分开、让它们分别从p-n结势垒区的两边流出,而成为光电流(总电流等于电子电流和空穴电流之和)。光电流从性质上来说也是一种反向电流,但是这种反向电流却也可能是很大的。

总之,通过反偏p-n结的电流,在没有任何其它的作用时,单个p-n结本身的反向电流是很小的;但是当有其它作用时,情况就大不一样,则通过反偏p-n结的电流就可能很大。

(19)p-n结的电流与掺杂浓度的关系

因为p-n结两边的掺杂浓度越高,势垒高度就越大(因为势垒高度等于两边的Fermi能级之差),这实际上也就反映了势垒中的电场相应地越强,从而注入到对面去的载流子数量就越少,所以随着掺杂浓度的提高,通过p-n结的电流也就越小。

(20)p-n结的电流与温度的关系

通过p-n结的电流主要由两个方面的因素决定,一是越过p-n结势垒的载流子数量,二是扩散的快慢(即扩散系数)。因为温度越高,半导体的Fermi能级就越往禁带中央靠近,则p-n结的势垒高度也就越低,所以越过p-n结势垒的载流子就越多(指数式地增大);虽然温度升高使得载流子遭受晶格散射的几率有所增大,但其温度关系较小(不是指数函数关系)。因此这时决定p-n结电流大小的主要因素不是扩散过程,而是势垒高度的限制,所以通过p-n结的电流将随着温度的升高而增大,即电流具有正温度系数。

(21)通过p-n结的电流主要是漂移电流还是扩散电流?

因为通过p-n结的电流是由越过p-n结势垒的载流子数量和扩散的快慢这两个方面的因素来决定的;而在温度一定时,势垒高度一定,即势垒中电场的漂移作用一定,从而通过p-n结的电流大小将主要决定于少数载流子在p-n结两边扩散区中扩散的快慢,所以说通过p-n结的电流主要是扩散电流。

(22)载流子运动的速度与温度的关系;BJT电流与温度的关系

载流子的运动有热运动和定向运动两种,定向运动又分为漂移运动和扩散运动两种。热运动是不断遭受散射、方向混乱的一种无规运动(布朗运动)。而漂移和扩散运动都是在热运动基础之上的定向运动,即是一边受到散射、一边往一定的方向运动,所以漂移和扩散的速度直接与散射几率有关。

当半导体的温度升高时,其中载流子的热运动速度增大、热运动能量增加;与此同时,其中的原子热振动也加剧,即声子数量增加。因此,温度越高,声子数量就越多,则载流子遭受声子散射的几率也就越大,从而载流子漂移和扩散运动的速度也就越低。对于BJT基区中少数载流子的扩散而言,随着温度的升高,扩散速度是下降的,所以这不能说明电流随着温度的升高而增大的现象。但是,对于FET,这可以说明其电流的负温度系数;因为在栅极电压不太低时,随着温度的升高,沟道载流子遭受散射的几率增大,迁移率下降,则输出电流也就随着温度的升高而降低。

实际上,导致BJT输出电流随温度升高而增大的主要原因是注射效率增加的结果。因为温度升高时,Fermi能级的变化使得发射结势垒高度有所下降,造成注入电流增大,从而输出电流增大——电流具有正的温度系数。

只有在很低的温度下,声子数量很少、电离杂质散射起主要作用时,载流子的热运动速度随着温度的升高,使得电离杂质散射的几率下降,从而才能导致载流子漂移和扩散运动的速度增大。

(23)对于增强型n-MOSFET,在较大源漏电压时,MOSFET的沟道为什么会在漏极端夹断?

①在本质上,沟道就是半导体表面的反型层,并且在沟道的下面还存在较厚的耗尽层;在栅极电压大于阈值电压、耗尽层厚度达到了最大时,才产生出反型层——沟道。这就意味着:当栅极与衬底之间的电压大于阈值电压时才出现沟道,否则就只有一定厚度的耗尽层。②沟道存在一定的电阻,因此当源漏电压加在沟道的两端时,在沟道中各点的电位是不相同的——越靠近漏极、电位越高;则当漏极端的电位升高到接近栅极的电位时,那么栅极与衬底之间的电压就会小于阈值电压,从而沟道消失——夹断。所以沟道将首先在漏极端开始夹断。

(24)MOSFET的沟道在夹断以后,能否导电?

首先要区分清楚“没有沟道”与“沟道夹断”这两个不同的概念。对于增强型晶体管,当栅极电压小于阈值电压时,就“没有沟道”,当然这时不会导电;但是当栅极电压大于阈值电压时,就出现了沟道,则能够导电;进一步,当栅极电压大于阈值电压、而且源漏电压又大于栅源电压与阈值电压之差时,则“沟道夹断”,这时导电沟道实际上是缩短了,所以能够更好地导电。

因为夹断区实际上就是耗尽层——高电场区,源漏电压大多都降落在该夹断区,这时只要有从沟道过来的电子到达夹断区边缘,就被其中的电场很快扫过、去到漏极。所以,沟道夹断以后,电流达到最大;并且源漏电压增大,夹断区就增宽,则源漏电流也相应地有所增加,这就是所谓沟道长度调制效应。

与BJT相比,MOSFET的夹断区实际上就相当于反偏的集电结势垒区(耗尽层)。BJT的集电结虽然是反偏的,并不导电,但是若有载流子扩散到它的势垒区边缘时,即很快被其中的电场扫过集电结、而输出集电极电流。

(25)耗尽层能否导电?

耗尽层中因为存在较强的内建电场,则载流子都被驱赶出去了,其中剩余的空间电荷即都是不能移动的电离杂质中心,从而耗尽层本身的确像绝缘体一样,并不导电,并且也呈现出相同的电容效应和绝缘击穿效应等。但是耗尽层又不完全与绝缘体相同,因为当有载流子到达它的边缘时,就将很快地被其中的电场扫过而产生电流,因此这时耗尽层又能够导电了。

耗尽层导电的典型例子:①BJT的集电结势垒区,在反偏时可近似为耗尽层,但是很大的集电极电流都是从发射极进入、通过基区、再通过集电结耗尽层而输出的。②场效应晶体管的沟道夹断区,可看成是耗尽层,但是很大的源漏电流也都是通过夹断区而输出的。

(26)B-C短路的发射结二极管的电流通路

由于晶体管仍处于放大状态,则整个电流并不完全是从基极流过的,相反却绝大部分都是经过集电结而流出的;若晶体管的电流放大系数为β,那么基极电流将只是总电流的β分之一。

(27)B-C短路的发射结二极管的电阻

这时的晶体管实际上是处于临界饱和状态(发射结正偏、集电结0偏),故这种二极管的直流电阻较小,交流电阻很大,因而其正向压降较低,并且能很好地用作为有源负载。此外,由于发射区掺杂浓度很高,则该二极管工作的温度稳定性较高、反向饱和电流也较小。所以,这种二极管在IC中用得最多。DTL电路的输入门二极管一般就都采用这种二极管。

(28)共基极BJT与共发射极BJT的输入、输出交流电阻

基本知识:交流电阻就是伏安特性曲线上某点切线的斜率的倒数(与工作点有关)。BJT的输入电阻近似为发射结的电阻,其交流输入电阻小于直流输入电阻;BJT的输出电阻近似为集电结的的电阻,其交流输出电阻远大于直流输出电阻。Early效应(基区宽度调制效应)将使得BJT的输出伏安特性曲线不饱和(往上翘),即输出电流随集电结电压而增大。

实际上,共基极BJT与共发射极BJT的输入、输出伏安特性曲线是有所不同的,因而它们的输入、输出交流电阻也将有所不同。

对于共发射极BJT,输入电流是多数载流子的基极电流,与发射结的注入无关,则基区宽度的变化(Early效应)对基极电流的影响很小,故使得输入交流电阻基本上不变。而共发射极BJT输出电流主要是少数载流子扩散电流,与发射结注入效率和基区输运系数有关,则基区宽度的变化(Early效应)对集电极电流的影响很大,故使得输出交流电阻会明显地降低。

对于共基极BJT,输入电流是发射结注入的少数载流子电流,与发射结的注入有关,则基区宽度的变化(Early效应)对发射极电流有影响,故使得输入交流电阻明显下降。而共基极BJT输出电流虽然也主要是少数载流子扩散电流,但是因为该输出电流本来就较小(小于发射极电流),则基区宽度的变化(Early效应)对输出电流的影响不明显,故输出交流电阻不会显著降低,所以共基极BJT的输出交流电阻要大于共发射极BJT的输出交流电阻,并因而共基极BJT的小信号电压增益也要大于共发射极BJT。

(29)BJT和MOSFET的功耗比较

因为BJT的跨导远大于MOSFET,则对于具有相同跨导的器件,在高增益电路应用时,BJT的工作电流将远小于MOSFET(只是MOSFET的25%),从而BJT的功耗也就显著地小于MOSFET。所以在低功耗电路中,应该采用BJT;BJT的这种长处对于降低电路功耗具有重要的意义,尤其是在便携式电子设备中可以有效地减小电池的消耗。

(30)BJT放大管和开关管对电流放大系数的要求

放大管当然需要很高的电流放大系数,但是开关管也同样需要具有一定的电流放大系数。因为要使晶体管进入开态(饱和态)的驱动电流为Ib=Vcc/βRl(式中β是共发射极电流放大系数,Rl是负载电阻),则如果晶体管的电流放大系数β很小,那么就需要很大的驱动电流,因此β太小的晶体管就难以进行开关工作。所以一个较好的开关管,应该是具有相当大电流放大系数的管子。正因为开关管对于电流放大系数也有一定的要求,所以晶体管作为开关工作时往往就采用电流放大系数较大的共发射极组态(而少有用共基极组态的)。

即使是BJT的非饱和开关工作,为了使开关顺利进行,同样也需要晶体管具有一定的电流放大系数。

- THE END -
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评论 ( 1 )
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    又发现一个好站,收藏了~以后会经常光顾的 (。•ˇ‸ˇ•。)

    2020年11月04日 回复
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