3. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – система двух взаимодействующих переходов, обязательным условием взаимодействия которых является…Что именно?

1. Нарисуйте зонною диаграмму для npn-транзистора, работающего в активном режиме и в режиме отсечки. Укажите факторы, ограничивающие частотный предел коэффициента передачи тока α.

2. Нарисуйте зонную диаграмму для npn-транзистора, работающего в режиме насыщения. Поясните механизм образования внутреннего поля в базе дрейфового транзистора.

3. npn-транзистор включен как диод (база и эмиттер закорочены). На диод подано прямое смещение U_Д =0,7 В. При I_Э0 = 10^-14 А α_N =0,98, α_I=0,4, φ_т=0,026 В. Найдите ток базы I_Б.

4. npn-транзистор включен как диод (база и эмиттер закорочены). На диод подано прямое смещение U_БЭ =0,65 В. При этом I_Э0 = 10^-14 А. Найдите общий ток диода, пользуясь уравнением Эберса-Молла.

5. Биполярный транзистор работает в активном режиме при I_Э0 = 10^-12 А, I_К0 = 2*10^-12 А, α_N =0,99, α_I=0,5, U_БЭ = 0,65 В, U_БК = 4,35 В. Найдите значения I_К, I_Б, I_Э.

6. npn-транзистор работает в режиме насыщения и имеет следующие параметры:

концентрация примеси в эмиттере N_ДЭ =10¹⁹ см^-3, толщина активной базы W=1,5*10-14 см, концентрация примеси в базе N_АБ=10¹⁷ см^-3, диффузионная длина дырок L_рЭ =1,5*10^-3 см, диффузионная длина электронов L_nБ =2*10^-3 см,

время жизни неосновных носителей (электронов ) τ_n = 2*10^-7 с, время жизни неосновных носителей (дырок ) τ_р =1*10^-6с. Найдите коэффициент усиления транзистора β (поверхностной рекомбинацией и зависимостью β от тока пренебречь).

7. Исходя из уравнения Эберса-Молла докажите, что если I_К =0, то U_КЭ = φ_т (ln α₁). Этот результат показывает, что если на диод база-эмиттер есть прямое смещение, а вывод коллектора оборван, то U_КЭ имеет ненулевое значение.

8. Докажите, что в области полупроводника, в которой примесная концентрация экспоненциально зависит от координаты, действует постоянное электрическое поле.

9. Рассчитайте примесную концентрацию на границе области объемного заряда коллекторного перехода в транзисторе с толщиной базы 0,3 мкм, постоянным полем в базе, равным 4*10³ В/см, и примесной концентрацией на границе эмиттер-база 10¹⁷ см^-3.

10. При комнатной температуре коллекторный ток I_К и базовый ток I_Б nрn-транзистора, работающего в активном режиме, обычно положительны. Пусть при повышении температуры ток I_К поддерживается на постоянном уровне. Если при этом изменять ток I_Б ,то окажется, что ток I_К уменьшается и в конечном счете даже меняет знак. Какими физическими эффектами можно объяснить такое поведение тока?

11. Пусть в nрn-транзисторе примесная концентрация в базе изменяется линейно от 10¹⁷ см^-3 у эмиттерного края до10¹⁶ см^-3 у коллекторного края, а толщина базы 1 мкм. Примесные концентрации в эмиттере и коллекторе одинаковы и равны 10¹⁹ см^-3. Нарисуйте: а) распределение по координате концентрации неосновных носителей при тепловом равновесии и в случае работы в активном режиме (при низком уровне инжекции); б) график зависимости электрического поля в базе от координаты.

12. Концентрация примесей в базе, эмиттере и коллекторе pnр-транзистора контролируется так, что только 1 % дырок, инжектируемых эмиттером, теряется при рекомбинации в базе. Пренебрегая токами утечки, найдите коэффициент передачи тока эмиттера, эффективность эмиттера, коэффициент переноса, если электронная составляющая тока эмиттера I_nЭ =0,01 I_Э (коэффициент умножения в коллекторном переходе принять равным единице).

Решение:

Эффективность эмиттера (коэффициент инжекции) равна

γ= I_рЭ(I_nЭ +I_рЭ)≈( I_Э - I_nЭ)/ =1- I_nЭ / I_Э =0,99.

Коэффициент переноса

χ= I_рК / I_рЭ =( I_рЭ -0,01 I_рЭ)/ I_рЭ =0,99.

Коэффициент передачи тока эмиттера α=γχМ, где коэффициент умножения М=1, следовательно, α=0,98.

13. В nрn-транзисторе избыточная концентрация электронов на эмиттерном переходе равна Δn=10²⁰ м^-3. Площади переходов одинаковы и равны S= 10^-6 м². Постройте график примерного распределения концентрации электронов в области базы и определите ток коллектора, если эффективная толщина базы W = 4*10^-5 м, а подвижность электронов при Т=300 К равна μ_n=0,39 м²/(В*с).

Решение:

Предположим, что толщина базы много меньше диффузионной длины электронов (неосновных носителей). Концентрация акцепторных примесей в базе значительно ниже концентрации донорных примесей в эмиттере и коллекторе, в базовой области отсутствует рекомбинация носителей, т.е. распределение электронов в базе линейное, концентрация неосновных носителей на коллекторном переходе равна нулю, как и показано на рис. 3.1.

Плотность тока неосновных носителей заряда (электронов) в базе j=qD_n dn_Э/dx. Коэффициент диффузии находим из соотношения Эйншнейна D_n=μ_n φ_т= 10^-2 м²/с².

Определим градиент концентрации электронов в базе:dn_Э/dx =-10²⁰/4*10^-5 м^-4.

Принимая за положительное направление тока коллектора в активном режиме, имеем

I_K ≈ -j_nS=-qSD_n dn_Э/dx=4 мкА.

14. Докажите, что в активном режиме в pnp-транзисторе отношение дырочного и электронного токов I_рЭ/I_nЭ, протекающих через эмиттерный переход, прямо пропорционально отношению удельных проводимостей материалов р- и n-типа.

15. В чем различие между обратным током одиночного перехода I₀ и обратным током коллекторного перехода I_K0?

16. Поясните, почему при положительных токах эмиттера ток коллектора становится равным нулю при прямых смещениях коллекторного перехода.

17. Поясните смысл граничной частоты в схеме с общей базой и схеме с общим эмиттером, частоты отсечки и максимальной частоты генерации.

18. По каким причинам возможно изменение распределения концентрации неравновесных носителей в базе.

19. Рассчитайте эффективность эмиттера интегрального прп­-транзистора, если расстояние от эмиттерного контакта до края эмиттерной электронейтральной области равно 0,8 мкм, а число Гуммеля для базы GN_Б = 3·10¹² см^-2; эмиттерная поверхностная концентрация примеси равна 6· 10²⁰ cм^-3 и экспоненциально убывает до 5·10¹⁶ см^-3 в точке х = 0,8 мкм; эффекты сильного легирования уменьшают число Гуммеля для эмиттера GN_Э до 2% от интегральной примесной концентрации.