理学微电子器件PPT学习教案

1、会计学1 理学微电子器件理学微电子器件 随着信号频率随着信号频率 f 的提高，的提高， 和和 的幅度会减小，相角会滞后。的幅度会减小，相角会滞后。 以以 分别代表高频小信号的发射结注入效率、基区输运系数、共基极和共发射极电流放大系数分别代表高频小信号的发射结注入效率、基区输运系数、共基极和共发射极电流放大系数 ，它们都是复数。对极低的频率或直流小信号，即当，它们都是复数。对极低的频率或直流小信号，即当 0 时，它们分别成为时，它们分别成为 。 和、 flg lg lg 0000 和、 第1页/共44页 以以 PNP 管为例，高频小信号电流从流入发射极的管为例，高频小信号电流从流入发射极的 ie

2、 到流出集电极的到流出集电极的 ic ，会发生如下变化：，会发生如下变化： pcc c pc pcc pcc c pc pcc pe pc e pe 0 e c cb i i i i i i i i i i i i i i v pee TE ii C ie ipeipcipccic ieic CTECDECTC pc DE i C pcc dc i x c TC i C 3.8.1 高频小信号电流在晶体管中的变化高频小信号电流在晶体管中的变化 第2页/共44页 3.8.2 基区输运系数与频率的关系基区输运系数与频率的关系 1、高频小信号基区输运系数的定义高频小信号基区输运系数的定义 基区中到达

3、集电结的基区中到达集电结的少子电流的少子电流的高频小信号分量高频小信号分量 ipc 与从发射结注入基区的与从发射结注入基区的少子形成的少子形成的高频小信号高频小信号电流分量电流分量 ipe 之比，称为之比，称为高频小信号基区输运系数高频小信号基区输运系数，记为，记为 ，即：，即： 基区输运系数随频率的变化主要由少子的基区渡越时间所引起。基区输运系数随频率的变化主要由少子的基区渡越时间所引起。 pc pe i i 第3页/共44页 (1) 复合损失使复合损失使 的物理意义：基区中单位时间内的复合率为的物理意义：基区中单位时间内的复合率为 ，少子在渡越时间，少子在渡越时间 b 内的复合率为内的复合

4、率为 ，因此到达集电结的未复合少子占进入基区少子总数，因此到达集电结的未复合少子占进入基区少子总数 ，这就是，这就是 。这种损失对直流与高频信号都是相同的。这种损失对直流与高频信号都是相同的。 2、基区基区渡越时间渡越时间 的作用的作用 (2) 时间延迟使相位滞后时间延迟使相位滞后 对角频率为对角频率为 的高频信号，集电结处的信号比发射结处在相位上滞后的高频信号，集电结处的信号比发射结处在相位上滞后 b ，因此在，因此在 的表达式中应含有因子的表达式中应含有因子 。 b e j (3) 渡越时间的分散使渡越时间的分散使 减小减小 bB 1 * bB B 1 1 * 0 * 0 * 0 * 第4

5、页/共44页 已知在直流时，已知在直流时， ，现，现 假定假定 上述关系也适用于高频小信号，即：上述关系也适用于高频小信号，即： 3、由电荷控制法求、由电荷控制法求 高频小信号空穴电流的电荷控制方程为高频小信号空穴电流的电荷控制方程为 当暂不考虑复合损失时，可先略去复合项当暂不考虑复合损失时，可先略去复合项 。 bb pepc B d d qq ii t B pC b Q I b pcbb pc b , q iqi 或 b B q 基区基区 ipeipc 第5页/共44页 代入略去代入略去 后的空穴电荷控制方程中，得：后的空穴电荷控制方程中，得： pc b pepcbb pc d d dd i

6、 q iiji tt b B q pebpc (1)iji 再将复合损失考虑进去，得：再将复合损失考虑进去，得： 0 b 1j pc peb 1 1 i ij 第6页/共44页 上式可改写为上式可改写为 一般情况下，一般情况下，得：得： 式中，式中， 代表复合损失，代表复合损失， 代表相位的滞后，代表相位的滞后， 代表代表 b 的分散使的分散使 的减小。的减小。 b 0 B 1 b e j 22 b 1 1 1 b (tg) 0 22 b e 1 j 1 bbb b 1 ,1, tg, b 0 22 b e 1 j * 第7页/共44页 4、 在复平面上的表示在复平面上的表示 2 0b 222

7、 b |1 |(1) |1 OBOA OPOPOBj OBOB 0b (1)OBj OPA与与OAB 相似，因此，相似，因此， 0 b 1j , | | |, | | | | 2 OB OA OP OB OA OA OP 可见，半圆上可见，半圆上 P 点的轨迹就是点的轨迹就是 。 0 OA 第8页/共44页 由于采用了由于采用了 的假设而使的假设而使 的表达式不够精确的表达式不够精确 ，因为这个假设是从直流情况下直接推广而来的。但是在交流情况下，从发射结注入基区的少子电荷，因为这个假设是从直流情况下直接推广而来的。但是在交流情况下，从发射结注入基区的少子电荷 qb ，要延迟一段时间后才会在集电

8、结产生集电极电流，要延迟一段时间后才会在集电结产生集电极电流 ipc 。 计算表明，这段延迟时间为计算表明，这段延迟时间为 ，m 称为称为 超相移因子超相移因子，或，或 剩余相因子剩余相因子，可表为，可表为 5、延迟时间、延迟时间 b 1 m m b pc b q i 对于均匀基区，对于均匀基区， = 0， m = 0.22 。 098. 022. 0m 第9页/共44页 这样，虽然少子在基区内持续的平均时间是这样，虽然少子在基区内持续的平均时间是 b ，但是只有其中的，但是只有其中的 时间才对时间才对 ipc 有贡献，因此有贡献，因此 ipc 的表达式应当改为的表达式应当改为 mm m 11

9、 b bbb 延迟时间延迟时间 b b m qq i 1 b b b b pc 同时要增加一个延迟因子同时要增加一个延迟因子 。 b 1 e m j m 第10页/共44页 b b 00 1 bb ee 11 m j jm m jj 准确的准确的 表达式应为表达式应为 6、基区输运系数的准确式子基区输运系数的准确式子 定义：定义：当当 下降到下降到 时的角频率与频率分别称为输运系数时的角频率与频率分别称为输运系数 的截止角频率的截止角频率 与与 截止频率截止频率 ，记为，记为 与与 。 | 0 2 1 f * bb b 11 1 22 m m f 第11页/共44页 b 00 22 eee 1

10、1 jmj j 当当 时，上式可表为时，上式可表为 于是于是 又可表为又可表为 00 ee 11 f jmjm f f jj f 第12页/共44页 因子因子 使点使点 P 还须再转一个相角还须再转一个相角 后到达点后到达点 P ，得，得 到的到的 的轨迹，才是的轨迹，才是 的轨迹。的轨迹。 输运系数的准确式子在复平面上的表示输运系数的准确式子在复平面上的表示 准确式中的因子的轨迹仍是半圆准确式中的因子的轨迹仍是半圆 P ，但另一个，但另一个 j1 0 e jm m PO 第13页/共44页 3.8.3 高频小信号电流放大系数高频小信号电流放大系数 1、发射结势垒电容充放电时间常数、发射结势垒

11、电容充放电时间常数 由发射区注入基区的少子形成的电流中的高频小信号分量由发射区注入基区的少子形成的电流中的高频小信号分量 ipe 与发射极电流中的高频小信号分量与发射极电流中的高频小信号分量 ie 之比，称为之比，称为 高频小信号注入效率高频小信号注入效率，记为，记为 ，即，即： e pe i i pcc c pc pcc pcc c pc pcc pe pc e pe 0 e c cb i i i i i i i i i i i i i i v 第14页/共44页 当不考虑扩散电容与寄生参数时，当不考虑扩散电容与寄生参数时，PN 结的交流小信号等效电路是结的交流小信号等效电路是 发射极增量电

12、阻发射极增量电阻 与电容与电容 CTE 的并联。的并联。 BE e EDE d1 d VkT r IgqI ie re CTE e b 流过电阻流过电阻 re 的电流为的电流为 eb ectTETEeb dv iCj C v dt eb eerectTE eerTE e e (1)(1) v iiij C rij C r r 流过电容流过电容 CTE 的电流为的电流为 eb erpene e v iii r iect ier 因此因此 第15页/共44页 暂不考虑从基区注入发射区形成的暂不考虑从基区注入发射区形成的 ine（即假设（即假设 ）时，）时， 1 0 pe eTE eeb 11 11

13、 i ij C rj eerectpeectpeTE e (1)iiiiiij Cr 再计入再计入 的作用后，得：的作用后，得： 式中，式中， ，称为，称为 发射结势垒电容充放电时间常数发射结势垒电容充放电时间常数。 0 eb 1j eTEeb rC 0 第16页/共44页 2、发射结扩散电容充放电时间常数、发射结扩散电容充放电时间常数 BE DE EBEB bB EBeb dd dd d d QQ C VV qQ Vv 本小节从本小节从 CDE 的角度来推导的角度来推导 （近似式）。（近似式）。 假设即代入假设即代入 CDE ，得：，得： b pc b , q i bpcb, qi pcb

14、DE eb i C v WB x 0 QB QE qb = dQB qe = dQE pcpe DE ii C 第17页/共44页 流过电阻流过电阻 re 的电流为的电流为 当不考虑势垒电容与寄生参数时，当不考虑势垒电容与寄生参数时，PN 结的交流小信号等效电路是发射极增量电阻结的交流小信号等效电路是发射极增量电阻 与电容与电容 CDE 的并联。的并联。 eb ecdDEDEeb dv iCj Cv dt eb peerecdDE eerDE e e (1)(1) v iiij Crij Cr r 流过电容流过电容 CDE 的电流为的电流为 e E kT r qI ie ipe ipc re

15、CDE e b iecd ier eb er e v i r 因此因此 第18页/共44页 pcbpc DE eebb ebpc ii Crr vi pc peDE e 1 1 i ij Cr 式中，式中， 再计入复合损失后得：再计入复合损失后得： 0 b 1j 这与不含超相移因子的这与不含超相移因子的 的近似式完全一致。的近似式完全一致。 暂不考虑基区复合损失时，暂不考虑基区复合损失时， erpc ii peerecdpcecdpcDE e (1)iiiiiij Cr 第19页/共44页 3、集电结耗尽区延迟时间、集电结耗尽区延迟时间 当基区少子进入集电结耗尽区后，在其中强电场的作用下以饱和

16、速度当基区少子进入集电结耗尽区后，在其中强电场的作用下以饱和速度 vmax 作漂移运动，通过宽度为作漂移运动，通过宽度为 xdc 的耗尽区所需的时间为的耗尽区所需的时间为 dc t max x v 当空穴进入耗尽区后，会改变其中的空间电荷分布，从而改变电场分布和电位分布，这又会反过来影响电流。这里采用一个简化的模型来表示这种影响。当空穴进入耗尽区后，会改变其中的空间电荷分布，从而改变电场分布和电位分布，这又会反过来影响电流。这里采用一个简化的模型来表示这种影响。 第20页/共44页 设电荷量为设电荷量为 qc 的基区少子（空穴）进入集电结耗尽区后，在它通过耗尽区的的基区少子（空穴）进入集电结耗

17、尽区后，在它通过耗尽区的 t 期间，平均而言会在耗尽区两侧分别感应出两个期间，平均而言会在耗尽区两侧分别感应出两个 ( - -qc / /2 ) 的电荷。的电荷。 当集电区一侧感应出当集电区一侧感应出 ( - -qc / /2 ) 时，将产生一个向右的电流时，将产生一个向右的电流 。另一方面。另一方面 ，流出耗尽区的空穴电流比流入耗尽区的空穴电流少了，流出耗尽区的空穴电流比流入耗尽区的空穴电流少了 ，所以，所以 ipcc 成为成为 c d1 2d q t c d d q t NP ipcipcc xdc qc-qc/ /2-qc/ /2 第21页/共44页 t pccpcpcc t pccpc

18、 2 1 2 iiji iji ccc pccpcpc ddd11 2dd2d qqq iii ttt 平均而言，平均而言， cc pccct pcct pcc t d , d qq iqiji t 代入上式，得：代入上式，得： 式中，式中， tdc d max , 22 x v 称为称为 集电结耗尽区延迟时间集电结耗尽区延迟时间。 pcc t pcd 11 1 1 2 i ij j 第22页/共44页 4、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数 当电流当电流 ic 流经集电区体电阻流经集电区体电阻 rcs 时，产生压降时，产生压降 icrcs 。虽然。

19、虽然 vcb = 0 ，但本征集电结上（，但本征集电结上（c 与与 b 之间）却有压降，之间）却有压降， c bc ccbc cs vvvi r 图中图中 c 为紧靠势垒区的为紧靠势垒区的 本征集电极本征集电极，或称为，或称为 内集电极内集电极。 c bc ccTCTC csTC cs c dd dd vi iCC rj C r i tt NP CTC rcs ic vcb= 0 c b c vcb 将对将对 CTC 进行充放电，充放电电流为进行充放电，充放电电流为 第23页/共44页 总的高频小信号集电极电流为总的高频小信号集电极电流为 c pccTC csc 11 11 i ij C rj

20、 式中，式中， ，代表，代表 集电结势垒电容经集电区的充放电时间常数集电结势垒电容经集电区的充放电时间常数。 cpccccpccTC cs c iiiij Cr i cTC cspcc (1)ij Cri csTCc rC 第24页/共44页 cb b pepcpcc cc 0 eepepcpcc 0 ebbdc e (1)(1)(1)(1) v j m iii ii iiiii jjjj 5、共基极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率、共基极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率 000 式中，式中， bb ebTE eTEb E , 11.220.098 kT C rC qIm ， 2

21、tdcB bDE edcTC cs 2 Bmax 21 1, 222 xW CrCr Dv 第25页/共44页 当当 IE 很大时，很大时， 这时这时0 ； 0 与与 的关系的关系 CBOEC III 在在 IE 很小或很大时，很小或很大时， 都会有所下降。都会有所下降。 , 0 d d E I 在正常的在正常的 IE 范围内，范围内，几乎不随几乎不随 IE 变化，变化， 这时这时 , 0 d d E I , 0 d d E I 0 与与 也有类似的关系也有类似的关系 。 E E E C 0 d d I I I I 2 EB 0 2 B1B 21 11 2 RW RL 口 口 第26页/共44

22、页 称为称为 信号延迟时间信号延迟时间，代表信号从发射极到集电极总的延迟时间，则，代表信号从发射极到集电极总的延迟时间，则 可写为可写为 当当 时，时， ebbdc ()1 b 0 ebbdc e 1() j m j 令令 ecebbdc ， bebbdc () 0 1 22 2 ebbdc e 1() jm ebbdc () 0 1 22 2 ebbdc e 1() j 第27页/共44页 可见，在直流或极低频下，可见，在直流或极低频下， 随着频率的提高，随着频率的提高， 的幅度的幅度 下降，相角下降，相角 滞后。滞后。 | ec 定义：定义：当当 下降到下降到 时的角频率和频率分别称为时的

23、角频率和频率分别称为 的截止角频率的截止角频率 和和 截止频率截止频率，记为，记为 和和 ，即：，即： 0 2 1 ebbdcecb 11 m b ec 0 ecb 0 1 22 2 ecb e 1() e 1() j m j jm m ecb 1 22 () f m | 。，相角，00 0 f 第28页/共44页 这时这时 与与 的区别仅在于用的区别仅在于用 代替代替 。 的频率特性主要由的频率特性主要由 WB 和和 决定，即：决定，即： 讨论两种情况讨论两种情况 (1) 对截止频率不是特别高的一般高频管，例如对截止频率不是特别高的一般高频管，例如 fa 1 m，此时，此时 ， bebdc

24、() ebbdcb , b 00 b b ee 1 1 1 jm j m j j 000 0 第29页/共44页 （2）对）对 fa 500 MHz 的现代微波管，的现代微波管，WB 500 MHz 的现代微波管，可忽略的现代微波管，可忽略 ，这时，这时 b m T ff 对于对于 fa 500 MHz 的晶体管，的晶体管， ec 中以中以 b 为主，这时为主，这时 第36页/共44页 可得可得 的关系曲线的关系曲线 flg|lg10 2 也有类似的频率特性。也有类似的频率特性。 f f j 1 0 由由 第37页/共44页 实际测量实际测量 fT 时，不一定要测到使时，不一定要测到使 下降为

25、下降为 1 时的频率，而是在时的频率，而是在 的条件下测量的条件下测量 （ 可以大于可以大于 1 ），然后根据），然后根据 ，即可得到，即可得到 | T fff | 0 T | f f ff TT |,()fffff 由于上式，由于上式，fT 又称为晶体管的又称为晶体管的 增益带宽乘积增益带宽乘积。 高频管的工作频率一般介于高频管的工作频率一般介于 f 与与 fT 之间。之间。 3、特征频率的测量、特征频率的测量 第38页/共44页 4、特征频率随偏置电流的变化、特征频率随偏置电流的变化 第39页/共44页 2 dcB eceTEcsTC TEBmax 121 1 222 xWkT rCr C fqIDv 小电流时小电流时, ,随着随着 IE 或或 IC 的增大，的增大， eb 减小，使减小，使 fT 提高，所以提高，所以 fT 在小电流时随电流的增大而提高。但是当电流很大时，在小电流时随电流的增大而提高。但是当电流很大时， eb 的影响变小，甚至可以略去。的影响变小，甚至可以略去。 大电流下，当基区发生纵向扩展大电流下，当基区发生纵向扩展 WB 时，使基区渡越时间时，使基区渡越时间 b 增加。同时，集电结势垒区厚度将减小增加。同时，集电结势垒区厚度将减小 WB ，使集电结势垒区延迟时间，使集电结势垒区延迟时间 d 变小。但是变小。但是 b 的增加要