第三章 双极型晶体管频率特性

1、1第三章第三章 双极型晶体管的频率特性双极型晶体管的频率特性 在实际运用中，晶体管大多数都是在直流偏压下放在实际运用中，晶体管大多数都是在直流偏压下放大交流信号。随着工作频率的增加，晶体管内部各个部位大交流信号。随着工作频率的增加，晶体管内部各个部位的电容效应将起着越来越重要的作用，因而致使晶体管的的电容效应将起着越来越重要的作用，因而致使晶体管的特性发生明显的变化。特性发生明显的变化。 本章讨论在高频信号作用下晶体管的哪些特性参数本章讨论在高频信号作用下晶体管的哪些特性参数发生什么样的变化以及这些这些变化与工作频率的关系等，发生什么样的变化以及这些这些变化与工作频率的关系等，以便能更好地认识

2、高频下晶体管特性的变化规律，更重要以便能更好地认识高频下晶体管特性的变化规律，更重要的是了解应设计制造什么样的晶体管以满足高频工作条件的是了解应设计制造什么样的晶体管以满足高频工作条件的要求。为此，首先介绍晶体管高频工作下的特殊参数，的要求。为此，首先介绍晶体管高频工作下的特殊参数，然后再讨论这些参数与结构、工作条件的关系等。然后再讨论这些参数与结构、工作条件的关系等。2 双极型三极管的参数参 数型 号 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126* 83BX31C 125 125 40 2

3、46* 83CG101C3CG101C 100 30 450.1 1003DG123C3DG123C 500 50 40 300.353DD101D3DD101D 5W 5A 300 25042mA3DK100B3DK100B 100 30 25 150.1 3003DK23G 250W 30A 400 325 8注：*为 f 功率特性功率特性3 双极型三极管的参数参 数型 号 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126* 83BX31C 125 125 40 246* 83CG101C3

4、CG101C 100 30 450.1 1003DG123C3DG123C 500 50 40 300.353DD101D3DD101D 5W 5A 300 25042mA3DK100B3DK100B 100 30 25 150.1 3003DK23G 250W 30A 400 325 8注：*为 f 反向特性反向特性4 双极型三极管的参数参 数型 号 PCM mW ICM mAVR CBO VVR CEO VVR EBO V IC BO A f T MHz3AX31D 125 125 20 126* 83BX31C 125 125 40 246* 83CG101C3CG101C 100 30

5、 450.1 1003DG123C3DG123C 500 50 40 300.353DD101D3DD101D 5W 5A 300 25042mA3DK100B3DK100B 100 30 25 150.1 3003DK23G 250W 30A 400 325 8注：*为 f 频率频率特性特性hfe放大特性放大特性开关管开关特性参数开关管开关特性参数5第三章第三章 双极型晶体管的频率特性双极型晶体管的频率特性3.1 晶体管晶体管交流电流放大系数交流电流放大系数与与频率参数频率参数3.2 晶体管的晶体管的交流特性交流特性分析分析3.3 晶体管的晶体管的高频参数高频参数及及等效电路等效电路3.4

6、高频下晶体管中高频下晶体管中载流子的输运载流子的输运及及中间参数中间参数3.5 晶体管电流放大系数的频率关系晶体管电流放大系数的频率关系3.6 晶体管的晶体管的高频功率增益高频功率增益3.7 工作条件工作条件对晶体管对晶体管fT、KPm的影响的影响6eciibcii11一、交流短路电流放大系数一、交流短路电流放大系数共基极交流短路电流放大系数：共基极交流短路电流放大系数：共发射极极交流短路电流放大系数：共发射极极交流短路电流放大系数：两者之间的关系：两者之间的关系： 3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数晶体管交流电流放大系数与频率参数7二、晶体管的频率参数二、晶体管的频率参数 截止频率截止

7、频率 f ： 共基极电流放大系数减小到低频值的共基极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值21 截止频率截止频率 f ：共发射极电流放大系数减小到低频值的：共发射极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值所对应的频率值21200由ff200由ff8特征频率特征频率fT：共发射极交流短路电流放大系数为：共发射极交流短路电流放大系数为1时时 对应的工作频率对应的工作频率最高振荡频率最高振荡频率fM：功率增益为：功率增益为1时对应的频率时对应的频率10由Tff时，Mff ）（输入信号功率输出信号功率功率增益dB01iopppK二、晶体管的频率参数二、晶体管的频率参数9二、晶体管的

8、频率参数二、晶体管的频率参数10 3.2 晶体管的交流特性分析晶体管的交流特性分析 晶体管在实际应用时大多是在直流偏压上叠加上交晶体管在实际应用时大多是在直流偏压上叠加上交流小信号，即作用在结上的总电压应为交、直流两部分流小信号，即作用在结上的总电压应为交、直流两部分电压之和，如果所叠加的交流信号为正弦波，则电压之和，如果所叠加的交流信号为正弦波，则作用在发射结上的总电压为：作用在发射结上的总电压为：作用在集电结上的总电压为：作用在集电结上的总电压为：tjeEeEeeuV(t)uVVtjcCcCceuV(t)uVV 11注意：一维模型中规定的电流方向注意：一维模型中规定的电流方向 与与npn管

9、实际电流方向相反管实际电流方向相反12一、均匀基区晶体管（以一、均匀基区晶体管（以npn管为例）管为例）交流信号作用下交流信号作用下基区电子一维扩散方程基区电子一维扩散方程基区电子密度分布基区电子密度分布（直流、交流叠加）（直流、交流叠加）分解与时间有关项分解与时间有关项和与时间无关项和与时间无关项基区电子电流密度基区电子电流密度交流分量交流分量通过发射结的空穴通过发射结的空穴电流密度交流分量电流密度交流分量交流信号作用下交流信号作用下发射区空穴一维扩散方程发射区空穴一维扩散方程均匀基区晶体管均匀基区晶体管交流电流交流电流-电压方程电压方程高频参数高频参数频率特性频率特性13一、均匀基区晶体管

10、（以一、均匀基区晶体管（以npn管为例）管为例）nnnnnnnxnDtndxdnDxjnxjtn22)( 一维扩散方程：扩散定律：一维连续性方程：在交流信号作用下基区电子的一维扩散方程：在交流信号作用下基区电子的一维扩散方程：tjbbnbnbbbbexnxntxnxntxnttxnDLntxnxtxn)()(),()(),(),(1),(),(101020221401)()()()()(0)()(21212121212200202nbnbtjnbnbtjtjnbbLjxndxxndexnDjLexnxexnLnxnxxnnnbnbCLj21令0)()(12212xnCdxxndnxCxCnnB

11、eAexn)(115xCxCnnBeAexn)(1边界条件：边界条件：x=0时时，kTtqukTqVbkTtuVqbbeEeEeenenn/ )(0)(0)0(tjeEtjtjekTqVbkTqVbennenneukTqenenEE) 0() 0(1000边界条件：边界条件：x=WbtjcCbbennWn)(kTqunnenncCckTqVbCC0其中：其中：16tjeEbnbnbEtjebnbnbkTqVbbekTqunWCshxWshCWxnenWCshxWshCWxentxnE)()()1 ()()()1 (),(0tjebnbntjxWCxWCbnecCtjxCbncWCexCbnWC

12、ecenWCshxWshCeeeWCshntxnnqkTVeeWCshneneWCshenntxnbnbnnbnnbn)()( )(2),(0)(2)(2),()()(1117通过基区的电子电流密度交流分量通过基区的电子电流密度交流分量tjxCbncWCexCbnWCecnnbnbneeWCshneneWCshennCqDxtxnqDtxjnbnnbn)(2)(2),(),(1tjbncCbneEnnbtjbnebnWCWCennbneneWChkTqunWCcthkTqunCqDeWCshnWCsheenCqDjtjbnbn)(csc)()()(2(), 0(tjbncCbneEnnbncb

13、neWCcthkTqunWChkTqunCqDjtWj)()(csc),(同理，可求出通过发射结的空穴电流密度的交流分量同理，可求出通过发射结的空穴电流密度的交流分量tjeepepEeuWCshxWshCkTqptxp)()(),(1tjeeppEpepepepeeuWCcthCkTqpqDxtxpqDtjj)(),(), 0(121pepepLjC18通过发射结的交流电流分量：通过发射结的交流电流分量：集电极电流的交流分量：集电极电流的交流分量：tjeepEppecbnCebnEnnbpenepeneeeuWCkTqpCDuWCkTqnuWCkTqnCDAqjjAiii)cth()csch(

14、)cth()(tjcbnCebnEnnbncncceuWCkTqnuWCkTqnCqDAjAii)cth()csch(*此二式即为此二式即为均匀基区晶体管交流电流均匀基区晶体管交流电流电压方程电压方程19基区宽变效应：基区宽度随结电压变化而变化，从而引起输出电流的变化cbVW基区宽变因子：计入基区宽变效应：计入基区宽变效应：27)-(3 )(thsh)th(126)-(3 )(sh1th)th(1*tjccbbnnnCebnnbbnbnEctjccbbnnnCenbpEbnnbbnbnEeeuVWWCCIuWCLWjkTqIieuVWWCCIujkTqIWCLWjkTqIi20二、缓变基区晶体

15、管二、缓变基区晶体管基区电子的一维连续性方程基区电子的一维连续性方程tjnbbbnbnbexnxntxnxntxnttxnntxnxtxnExtxnD)()(),()(),(),(),(),(),(101002221 3.3 晶体管的高频参数及等效电路晶体管的高频参数及等效电路一、晶体管高频一、晶体管高频Y参数及其等效电路参数及其等效电路二、晶体管高频二、晶体管高频h参数及其等效电路参数及其等效电路 将晶体管看作四端网络来讨论其高频特性（输入、输将晶体管看作四端网络来讨论其高频特性（输入、输出关系）出关系） 描述四端网络的高频参数（方程组）有描述四端网络的高频参数（方程组）有 Y参数参数短路导

16、纳参数短路导纳参数 Z参数参数开路阻抗参数开路阻抗参数 h参数参数混合参数混合参数 S参数参数散射参数散射参数 等等 Y参数的表达形式与晶体管的参数的表达形式与晶体管的I-V方程一致，可直接由方程一致，可直接由I-V方程得到，且物理意义明显方程得到，且物理意义明显 h参数更符合晶体管的实际特点，易于实际测量参数更符合晶体管的实际特点，易于实际测量22n晶体管高频参数是高频特性方程组中的一组参数晶体管高频参数是高频特性方程组中的一组参数n一方面，将晶体管的结构参数与四端网络的特性一方面，将晶体管的结构参数与四端网络的特性参数相联系参数相联系n另一方面，通过等效电路反映晶体管内部结构与另一方面，通

17、过等效电路反映晶体管内部结构与外电路的关系，使晶体管的外电路的关系，使晶体管的CAD及计算机模拟得及计算机模拟得以实现以实现 3.3 晶体管的高频参数及等效电路晶体管的高频参数及等效电路23一、晶体管高频一、晶体管高频Y参数及其等效电路参数及其等效电路由交流由交流I-V方程可以直接得到最基本的方程可以直接得到最基本的Y参数，称为参数，称为本征参数本征参数加上（必要的）非本征参数构成较完整的高频等效电路加上（必要的）非本征参数构成较完整的高频等效电路Ie、Ic的幅值：的幅值：34)-(3 )(thsh)th(133)-(3 )(sh1th)th(1)(*)()(*)()()()(ccbbnnnC

18、ebnnbbnbnEcccbbnnnCenbpEbnnbbnbnEeuVWWCCIuWCLWjkTqIIuVWWCCIujkTqIWCLWjkTqII27)-(3 )(thsh)th(126)-(3 )(sh1th)th(1*tjccbbnnnCebnnbbnbnEctjccbbnnnCenbpEbnnbbnbnEeeuVWWCCIuWCLWjkTqIieuVWWCCIujkTqIWCLWjkTqIi24cecceeuuIuuI cccececceceeeeuYuYIuYuYI按四端网络定义方向整理后：按四端网络定义方向整理后：34a)-(3 )(thsh)th(133a)-(3 )(sh1t

19、h)th(1*ccbbnnnCebnnbbnbnEcccbbnnnCenbpEbnnbbnbnEeuVWWCCIuWCLWjkTqIIuVWWCCIujkTqIWCLWjkTqII2539)-(3 )(38)-(3 )(137)-(3 )()(36)-(3 1)(1*cbbnnnCiccbnnbbnbnEicecbbnnnCiecnbpEbnnbbnbnEieeVWWthCCIYWshCLWthjkTqIYVWWCshCIYjkTqIWthCLWthjkTqIY由连续性方程所得，称本征由连续性方程所得，称本征Y参数，且没有频率限制参数，且没有频率限制261、共基极本征输入导纳、共基极本征输入导

20、纳Ycei0cueeieeuIY输出端交流短路时，输入端交流电流幅输出端交流短路时，输入端交流电流幅值随输入电压的变化值随输入电压的变化 设设 =1，即忽略，即忽略IpE 认为认为 Wb/Lnb为一阶无穷小，展开双曲函数，略去高为一阶无穷小，展开双曲函数，略去高次项，还原次项，还原Cn36)-(3 1)(1nbpEbnnbbnbnEieejkTqIWthCLWthjkTqIY40)-(3 )31 (3)1 (1 )31)(1222nbbnEnbbnbnEbnbnnbbnbnEieeDWjkTqILWjkTqIWCWCLWjkTqIY27DeeieeDenbbenEeCjgYCDWgkTqIg3

21、,2进而令令nbbeDeEepEDWgCkTqIgI2 ,缓缓变变基基区区时时计计入入物理本质是一样的物理本质是一样的形式（区域）不同，其形式（区域）不同，其即系数之差是因为分布即系数之差是因为分布，的区域为的区域为结中积累电荷结中积累电荷，在，在和和取决于取决于，晶体管基区积累电荷，晶体管基区积累电荷说明：相同正向电流下说明：相同正向电流下在发射结中在发射结中）在二极管中（在二极管中（ n-p)( 2 )211 (1291222nbbnbnbbnbbnbenbbeDepDDpFLWDLWLWgDWgCgCCjgjkTqIY282、共基极本征输出导纳、共基极本征输出导纳Ycci0euccicc

22、uIY输入端交流短路时，输出端交流电流幅输入端交流短路时，输出端交流电流幅值随输出电压的变化值随输出电压的变化DccnbbccbbnnnCiccieeCjgDWjgVWWCthCIYY )31 ( )()( 12*类类似似的的变变换换，经经与与设设集集电电区区倍倍增增因因子子nbbcDccbnbbnbnCcDWgCVWLWthLIg3)()(2 其中，其中，293、共基极本征正向转移导纳、共基极本征正向转移导纳Ycei0cueciceuIY输出端交流短路时，输入端交流电压对输出端交流短路时，输入端交流电压对输出端交流电流的影响输出端交流电流的影响ieeicenbbuecieeueeecueci

23、cenbbieenbbnbbeiceYYDWjIIYuIIIuIYDWjYDWjDWjgYccc于是，于是，由定义由定义211)()(211211)31 (2*000222说明：正向转移导纳可看作将输入导纳转移到说明：正向转移导纳可看作将输入导纳转移到 （被（被 放大了的）输出端的等效导纳，或放大了的）输出端的等效导纳，或 者说，是输出端输出的，被放大了的输者说，是输出端输出的，被放大了的输 入导纳入导纳 即：由输入电压即：由输入电压ue输入电流输入电流Ie输出电流输出电流Ic304、共基极本征反向转移导纳、共基极本征反向转移导纳Yeci0euceiecuIY输入端交流短路时，输出端交流电压对

24、输入端交流短路时，输出端交流电压对输入端电流的影响输入端电流的影响ecicecbbnbbeieccbbecbbEcbbnccbnbbnbnccnbbciecYVWqkTWDWjgYVWqkTWgVWqkTkTWqIVWWIVWLWthLIgDWjgY)(1)61 ()()()()()()61 (20002310)(1 eICEcbbecVVVWqkTW 其中，其中， 无量纲，称为无量纲，称为电压反馈系数电压反馈系数 当保持发射极交流开路时，即当保持发射极交流开路时，即Ie=0，IE不变，不变，集电极电压变化对发射极电压的影响集电极电压变化对发射极电压的影响 也称也称反向电压放大系数反向电压放大

25、系数 发射极交流开路，意味着发射极电流维持直流发射极交流开路，意味着发射极电流维持直流偏置电流不变（恒流），当偏置电流不变（恒流），当VcVc时，时，Wb产产生生Wb的变化，引起基区少子分布变化，为了的变化，引起基区少子分布变化，为了使使IE不变不变(Ie=0)，应有，应有VE使使nE变化变化nEn(x)nEnb(x)xn(x)bW En 32DcciccnbbeicenbbciecDeeieeCjgYDWjgYDWjgYCjgYY)61 ()61 ( 22参数表达为：综上，共基极大大正正向向转转移移导导纳纳被被反反向向放放反反向向转转移移导导纳纳输输入入导导纳纳输输出出的的被被放放大大了了的

26、的输输出出端端正正向向转转移移导导纳纳iceeciecieeiceYYYY3334二、晶体管高频二、晶体管高频h参数及其等效电路参数及其等效电路oiooiiuhIhIuhIhu22211211种种情情况况讨讨论论：分分共共基基极极、共共发发射射极极两两得得相相应应的的参参数数。阻阻输输出出端端短短路路，就就可可测测使使低低阻阻输输入入端端开开路路或或高高配配好好，易易于于测测量量。特特点点是是与与晶晶体体管管特特性性匹匹：参参数数为为混混合合小小信信号号参参数数为导纳量纲为阻抗量纲无量纲22112112hh、hhh 35二、晶体管高频二、晶体管高频h参数及其等效电路参数及其等效电路cobefb

27、ccrbeibeuhIhIuhIhu1、共基极、共基极h参数及其等效电路参数及其等效电路 输入端电压为两部分电压串联输入端电压为两部分电压串联 输入电流在输入阻抗上的压降输入电流在输入阻抗上的压降 输出电压对输入回路的反作用（电压源）输出电压对输入回路的反作用（电压源） 输出电流为两部分电流并联输出电流为两部分电流并联 被放大的输入电流（电流源）被放大的输入电流（电流源） 输出电压在输出阻抗上产生的电流输出电压在输出阻抗上产生的电流+-+-iehrbucichibhfbIchobbec36出出导导纳纳输输入入端端交交流流开开路路时时的的输输或或正正向向电电流流传传输输系系数数流流放放大大系系数

28、数，输输出出端端交交流流短短路路时时的的电电压压反反馈馈比比输输入入端端交交流流开开路路时时的的电电入入阻阻抗抗输输出出端端交交流流短短路路时时的的输输参参数数分分别别表表示示：四四个个0000ececIccobuecfbIcerbueeibuIhIIhuuhIuhh h参数与参数与Y参数只是从不同角度反映晶体管内部电流、参数只是从不同角度反映晶体管内部电流、电压关系，电压关系，因而其间可以互相转换因而其间可以互相转换 低频时可忽略电容效应低频时可忽略电容效应 高频时可忽略基区宽变效应高频时可忽略基区宽变效应37低频时可忽略电容效应低频时可忽略电容效应高频时可忽略基区宽变效应高频时可忽略基区宽

29、变效应38 h11和h12的意义 h21和h22的意义2、共发射极、共发射极h参数及其等效电路参数及其等效电路 coebfeccrebiebuhihiuhihuoiooiiuhihiuhihu22211211 h参数都是小信号参数，即参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。微变参数或交流参数。 h参数与工作点有关，在放参数与工作点有关，在放大区基本不变。大区基本不变。 h参数都是微变参数，所以参数都是微变参数，所以只适合对交流小信号的分析只适合对交流小信号的分析394041n目的目的：高频下晶体管电流放大系数随工作频率变化的物理实质（关系）n方法方法：利用晶体管的等效电路，逐步分析载流子的运

30、动过程（中间参数）n实质实质：RC回路对高频信号产生延迟和相移（电容的分流作用） 3.4 高频下晶体管中载流子的输运过程高频下晶体管中载流子的输运过程发射结发射发射结发射基区输运基区输运集电结收集集电结收集集电极输出集电极输出42一、发射效率及发射结延迟时间一、发射效率及发射结延迟时间1x2x1x2x1x2xeipeneiiTeCiEerTeC对对CTe进行充、放电的电流对输出没有贡献，导致进行充、放电的电流对输出没有贡献，导致降低降低43因re、CTe并联，具有等电压关系TeCpeneneeneiiiiii由定义：peneTeCiiipeneneiii11TeCepeneCjiriiTe1)

31、(TeeeeCr 1令ej20)(1 e发射效率的幅值：)(earctg相位：000045222，时，当je发射极截止角频率发射结延迟时间TeepeneCCrjiiiTe peneTeCiii 10 ej 10202011)()(eeej CTe的作用的作用：1、对、对 Ie的分流作用使发射效率幅的分流作用使发射效率幅 值随频率升高而下降值随频率升高而下降 2、RC延迟作用使注入电流滞后于延迟作用使注入电流滞后于 输入电流一个相位角输入电流一个相位角44二、基区输运系数及基区渡越时间二、基区输运系数及基区渡越时间基区输运系数随信号频率升高而减小：基区输运系数随信号频率升高而减小： 实质是高频信

32、号首先对发射结扩散电容充放电实质是高频信号首先对发射结扩散电容充放电（基区积累电荷的数量改变），这一电流仅形成基（基区积累电荷的数量改变），这一电流仅形成基极电流，对输出电流没有贡献，导致输运系数降低极电流，对输出电流没有贡献，导致输运系数降低及信号延迟及信号延迟45二、基区输运系数及基区渡越时间二、基区输运系数及基区渡越时间tjbncCbneEnnbncbnbtjbncCbneEnnbnenbeWCkTqunWCkTqunCqDjtWjeWCkTqunWCkTqunCqDjtj)(cth)(csch),()(csch)(cth), 0()(sech)(ch1)0()(*bnbnnbbnbWC

33、WCjWj注意：以集电极交流短注意：以集电极交流短路为条件，即路为条件，即uc=035)-(2 )(sech*0nbbLW低频下21nbnbnLjC)(sech)(sech*0*nbbbnLWWC67)-(3 )(ch1)(sech212212nbbnbbDWjDWj46进行整理、简化，得bbjejm1*0*称为基区渡越时间角频率称为基区输运系数截止称为超相移因子其中，bbm 22)1 (bnbbWDm 对均匀基区对均匀基区m0.22nbbbbDmW2)1 (122)1 (bnbbWDmnbbbbDmW)1 (12对基区杂质按指数分对基区杂质按指数分布的缓变基区晶体管布的缓变基区晶体管098.

34、 022. 0m47对于均匀基区，如果对于均匀基区，如果(3-67)展开双展开双曲函数后取一级近似，则有曲函数后取一级近似，则有nbbDWj2*0*21DeeCrj1*0*比较上两式，有比较上两式，有nbbDeebbDWCr212因re和CDe并联等电压，则有DeeDeeneCCrjCjriiDe1*10neCCnenenencCnencnenciiiiiiiiiiiiDeDeDe另一方面，由定义48对于均匀基区渡越时间有以下三个表达式：对于均匀基区渡越时间有以下三个表达式：nbbDeebbDWCr3121,即取忽略导纳时，在计算共基极本征输入peinbbDeebbDWCr44. 21222.

35、 0m取二阶近似，流密度，由连续性方程解得的电nbbDeebbDWCr2120mb最大，近似，展开双曲函数后取一阶 m的实质是基区少子建立准稳态分布的弛豫时间与的实质是基区少子建立准稳态分布的弛豫时间与对扩散电容充放电延迟时间之比对扩散电容充放电延迟时间之比 由于不同的近似或省略造成系数上的差别，其本由于不同的近似或省略造成系数上的差别，其本质都是发射结扩散电容充放电（改变基区积累的电荷质都是发射结扩散电容充放电（改变基区积累的电荷数）引起基区渡越延迟时间，即基区渡越时间。数）引起基区渡越延迟时间，即基区渡越时间。认为 Wb/Lnb为一阶无穷小49 发射结上电压的交变同时引起发射结上电压的交变

36、同时引起CDe和和CTe的充放电，这两部分电容的充放电，这两部分电容的充放电电流最后均转变成基极电的充放电电流最后均转变成基极电流，使总发射极电流随频率升高而流，使总发射极电流随频率升高而增大，发射效率下降。增大，发射效率下降。 在等效电路上在等效电路上CTe 和和CDe 是并联的，是并联的，但实质上但实质上CTe 反映的电荷变化发生反映的电荷变化发生在在eb结势垒区，而结势垒区，而CDe反映的电荷反映的电荷变化发生在基区中变化发生在基区中。eiBerTeCncibrDeCE发射结等效电路发射结等效电路50三、集电结势垒输运系数及渡越时间三、集电结势垒输运系数及渡越时间 通过基区输运到集电结通

37、过基区输运到集电结势垒边界的载流子，在反偏势垒边界的载流子，在反偏集电结空间电荷区强电场作集电结空间电荷区强电场作用下漂移通过空间电荷区，用下漂移通过空间电荷区，同时产生同时产生幅值的下降和相移幅值的下降和相移， 其实质是交流信号作用其实质是交流信号作用下，集电结空间电荷区边界下，集电结空间电荷区边界平移，载流子对空间电荷区平移，载流子对空间电荷区充放电而引起的充放电而引起的正半周正半周负半周负半周集电结空间电荷区没有交流信号没有交流信号51负半周负半周集电结空间电荷区没有交流信号没有交流信号正半周正半周 电子穿过集电结空间电荷区电子穿过集电结空间电荷区引起其中电荷分布的变化引起其中电荷分布的

38、变化 直流时，这种变化是稳定的，直流时，这种变化是稳定的，小注入下可以忽略（耗尽层小注入下可以忽略（耗尽层近似）近似） 交流时，这种变化是交变的交流时，这种变化是交变的 在信号在信号正半周正半周，流入电子（负电荷），流入电子（负电荷）密度增大密度增大，负电荷区电荷密度，负电荷区电荷密度增大增大，正电荷区电荷密度，正电荷区电荷密度减小减小；一定的结电压下，前者；一定的结电压下，前者变窄变窄，后者，后者变宽变宽 在信号在信号负半周负半周，流入电子（负电荷），流入电子（负电荷）密度减小密度减小，负电荷区电荷密度负电荷区电荷密度减小减小，正电荷区电荷密度，正电荷区电荷密度增大增大；一定的结电压下，前者

39、；一定的结电压下，前者变宽变宽，后者，后者变窄变窄 正负电荷区宽度的变化由载流子的流动实现，相当于电容的充、放正负电荷区宽度的变化由载流子的流动实现，相当于电容的充、放电，电子由穿过集电区的电子流分流，空穴由基极电流提供电，电子由穿过集电区的电子流分流，空穴由基极电流提供52关于集电结势垒渡越时间（空间电荷区延迟时间）有平行板电容器模型晶体管原理张屏英 周佑谟单边突变结模型微电子技术基础曹培栋参考 (P166)Qd=Q/2模型双极型和场效应晶体管武世香自学53附加电场的电力线终止在极板上，使极板上感应出相应的电荷 极板a上感应正电荷，对应基极电流提供的空穴 极板b上感应正电荷，对应集电区侧空间

40、电荷区展宽，电子流出，形成传导电流因此，运动电荷尚未到达b极板，极板上已因感应而产生传导电流集电结空间电荷区是载流子耗尽的高阻区，相当于平行板电容器 空间电荷区边界相当于电容器的极板 空间电荷区宽度相当于电容器极板间距离 集电结电压相当于板间所加电压输出端交流短路时，板间电压为集电结反向偏置电压若有一面密度为Qs的负电荷层在板间电场作用下，以速度v由a向b运动 运动电荷产生徙动电流Qv 电荷层前后产生附加电场Ea、EbEaEbQsab基区基区集电区集电区速度速度v0 xx1xmcVCB54)1 ( 1 ,0)( 1010011mcsasmcbsbasmcbaxxQExQxEQEEQxxExE可

41、解出：由高斯定理选一封闭曲面包围为零电场产生的附加电势差交流短路状态下，附加vxQtEtEEEQmcsbabas00 位移电流，其密度为随时间变化而产生、，使附加电场在空间电荷区内运动时EaEbQsab基区基区集电区集电区速度速度v0 xx1xmcVCB55的时间。的时间。穿越集电结空间电荷区穿越集电结空间电荷区表示载流子以极限速度表示载流子以极限速度表示薄层中电荷总量，表示薄层中电荷总量，式中式中电极感应电流电极感应电流通过空间电荷区，则集通过空间电荷区，则集度度若载流子以极限漂移速若载流子以极限漂移速板面积上的位移电流板面积上的位移电流应等于应等于板）上传导电流板）上传导电流集电极（集电极

42、（slmcsscsslmcscmncslmcscmncmncvxQAQQvxQAxivvxQAxixi )( )( b)(bvxQtEtEmcsba00以上讨论的是一个电荷薄层在集电结空间电荷区运动的情况以上讨论的是一个电荷薄层在集电结空间电荷区运动的情况56sjncsjslcsmcncjslcxvxjvxjvxtjsltjjetijevtqnAQtxitejvtqnAdxetnqAQetnenvxtntxntxentnxsssmcslslsl1), 0(1), 0(),( )1 (), 0(), 0( ), 0()0(), 0(),( )0(), 0( 00c)(导电流时刻引起集电极感生传这

43、些电荷在总量空间电荷区中运动电荷流子浓度分布函数）时刻的载流子浓度（载处，空间电荷区中处的交变载流子空间电荷区边界若由基区输运至集电结57ddsdsjcmcncdsjncsjslcmcncjjjjetitxijetijevtqnAtxisss 1111211 1), 0(),( 1), 0(1), 0(),( 级近似，则上式变为级近似，则上式变为将式中指数展开，取一将式中指数展开，取一系数系数于是，集电结势垒输运于是，集电结势垒输运211 2 ddddsd 时，时，当当止角频率止角频率称为集电结势垒渡越截称为集电结势垒渡越截延迟）时间延迟）时间称为集电结势垒渡越（称为集电结势垒渡越（式中式中5

44、8n集电结势垒延迟时间等于载流子穿越空间电荷区所需延迟时间的一半n集电极电流并不是渡越势垒的载流子到达集电极“极板”才产生的，当载流子还在穿越空间电荷区的过程中，就在集电极产生了感应电流n集电极电流是空间电荷区内运动的载流子在集电极所产生的感应电流的平均表现n当信号波长远大于势垒区宽度时，所得结果才成立sjncsjslcmcncjslcxvxjjetijevtqnAtxitejvtqnAdxetnqsssmcsl1), 0(1), 0(),( )1 (), 0(), 0(AQ 0c导电流时刻引起集电极感生传这些电荷在总量空间电荷区中运动电荷？59四、集电区倍增因子与集电极延迟时间四、集电区倍增

45、因子与集电极延迟时间集电极电流在集电极串联电阻上的压降形成电场，该集电极电流在集电极串联电阻上的压降形成电场，该电场促进少子空穴流向集电结，使集电极电流增大。电场促进少子空穴流向集电结，使集电极电流增大。一般情况下可认为一般情况下可认为集电区倍增因子集电区倍增因子等于等于1输出端交流短路时，集电极串联电阻输出端交流短路时，集电极串联电阻rcs上的交流压降上的交流压降引起集电结势垒电容引起集电结势垒电容CTc两端电压交变，导致其充放电两端电压交变，导致其充放电电流对输出电流分流，使输出电流减小电流对输出电流分流，使输出电流减小定义定义集电极衰减因子集电极衰减因子集电极截止角频率集电极截止角频率集

46、电极延迟时间集电极延迟时间集电结势垒输运和集电极延迟同时发生在集电结势垒集电结势垒输运和集电极延迟同时发生在集电结势垒区中，只是从物理概念上分别讨论区中，只是从物理概念上分别讨论TccsccncccCrii160n交变电流流过集电结势垒区引起其中电荷密度的变化交变电流流过集电结势垒区引起其中电荷密度的变化n交变电流流过集电区在串联电阻上产生压降引起集电交变电流流过集电区在串联电阻上产生压降引起集电结势垒电容上电压交变结势垒电容上电压交变n两者都通过集电结势垒电容的充放电对输出电流分流两者都通过集电结势垒电容的充放电对输出电流分流并产生延迟并产生延迟n两者同时发生在集电结中两者同时发生在集电结中

47、Vbc恒定恒定（交流短路）（交流短路）rcs集集电电极极CinciciCTeTccsCccncccTccscCTcCcscCrjiiiiiCrjiiCjiriTcTcTc11121111ccccTccscjCr时，当，则令61 交变信号作用下交变信号作用下n晶体管各部分电容充放电使晶体管各部分电容充放电使载流子运动产生载流子运动产生延迟延迟；n充放电电流的分流作用使充放电电流的分流作用使输出电流幅值下降，输出电流幅值下降，电流放大系数下降电流放大系数下降n发射结势垒电容发射结势垒电容充放电引起充放电引起发射效率下降和注入发射效率下降和注入基区的电流延迟基区的电流延迟n发射结扩散电容发射结扩散电

48、容充放电使充放电使基区输运系数下降和基基区输运系数下降和基区渡越延迟区渡越延迟n集电结势垒电容集电结势垒电容因交变电流改变其中电荷密度及因交变电流改变其中电荷密度及n串联电阻上压降改变其两端电压而分别产生串联电阻上压降改变其两端电压而分别产生集电集电结势垒渡越延迟结势垒渡越延迟和和集电极延迟集电极延迟6263TeeeeCr 1nbbbbDmW )(112bbjejm 10*cjc 11TccsccCr 1djd 11simcddx 21 ej 10发射效率及发射效率及发射结延迟时间发射结延迟时间基区输运系数基区输运系数及基区渡越时间及基区渡越时间集电结势垒输运系数集电结势垒输运系数及渡越时间及

49、渡越时间集电区倍增集电区倍增(衰减衰减)因子因子与集电极延迟时间与集电极延迟时间64 3.5 晶体管电流放大系数与频率的关系晶体管电流放大系数与频率的关系一、共基极运用一、共基极运用cdnccncncnenceneeciiiiiiiiii * jebjm 10时，略去二次幂得时，略去二次幂得当当cdbe , cdbecdbe 111111其中其中201)( )( bmarctg65二、共发射极运用二、共发射极运用 1的短路条件不同、（一）（一）随频率的变化随频率的变化是是c、b短路短路是是c c、e e短路短路jeiibcejmecoue1000 1 ceceueceeeubciiii ,)(

50、)(*DeTeeeeeeTcedccscCCrjiiriCjiiri 101其中TccssmcnbbTeeTccssmcnbbTcTeeCrxDmWCrCrxDmWCCr 21121122)()()(jebjm1066220)()1(1bm22200)11()1()11(11bbeemmj 代入、整理、代入、整理、化简化简 110, 1用到20时，时，当当)11(10bm 1时时，当当TbTm 111 比较上两式有比较上两式有 0TffTT 或高频端高频端放大系数幅值与放大系数幅值与工作频率成反比工作频率成反比满足满足6dB/倍频程倍频程67)1 (0m mT 1 122)1 ()()1 (2

51、1 TccsslmcnbbTcTeeTCrxDmWCCrmf 1202)1 ()(1 TccsslmcnbbTcTeeCrxDmWCCr 略小于略小于，而，而远小于远小于T以以此此化化简简有有最最大大，往往往往通通常常情情况况下下中中，四四个个中中间间参参数数截截止止频频率率、在在晶晶体体管管bbcdbe 68（二）讨论（二）讨论 共发射极截止频率远低于共基极截共发射极截止频率远低于共基极截止频率，特征频率略小于共基极截止频率，特征频率略小于共基极截止频率，随频率增高，止频率，随频率增高，下降的速下降的速度比度比的下降速度快的下降速度快( (早早) )。 略小于，而远小于、T12、时，基极电流

52、的主要成分是充、放电电流，而时，基极电流的主要成分是充、放电电流，而在低频情况下在低频情况下，基极电流主要是复合电流，基极电流主要是复合电流。共基宽带共基宽带共射选频共射选频69三、影响三、影响fT的因素和提高的因素和提高fT的途径的途径1、基区渡越时间、基区渡越时间nbbbbDmW)1 (122、发射结延迟时间、发射结延迟时间)0(41TTTeeeeCCCr，一般3、集电结势垒渡越时间、集电结势垒渡越时间 和集电极延迟时间和集电极延迟时间 远小于前两项远小于前两项dc提高提高fT的措施的措施eeFerkTqIg，可缩短，改变工作电流，减小 一般最大，是一般最大，是fT的主要限制因素的主要限制

53、因素 Wb增大一倍，增大一倍， b增大增大4倍倍 提高基区杂质浓度梯度，增大电场提高基区杂质浓度梯度，增大电场因子因子 ，自建电场的漂移作用将使，自建电场的漂移作用将使 b减小；但表面浓度增大将减小减小；但表面浓度增大将减小Dnb，又使，又使 b增大，故增大，故 =25 特征频率特征频率fT是晶体管最重要的也是最实用的是晶体管最重要的也是最实用的高频参数之一，因为它不仅仅是晶体管作电流高频参数之一，因为它不仅仅是晶体管作电流放大用的最高频率极限，也直接影响着晶体管放大用的最高频率极限，也直接影响着晶体管高频下的功率放大能力和开关特性。因而在设高频下的功率放大能力和开关特性。因而在设计与制造中总

54、是设法提高其数值。计与制造中总是设法提高其数值。70n减薄基区宽度，可采用浅结扩散或离子注入技术。减薄基区宽度，可采用浅结扩散或离子注入技术。n降低基区掺杂浓度降低基区掺杂浓度Nb以提高以提高Dnb；适当提高基区杂质浓度梯度；适当提高基区杂质浓度梯度以建立一定的基区自建电场。以建立一定的基区自建电场。n减小结面积减小结面积Ae、Ac，以减小结电容。，以减小结电容。n减小集电区电阻及厚度，采用外延结构，以减小减小集电区电阻及厚度，采用外延结构，以减小xmc及及rcs，但，但集电区电阻率及外延层厚度的选择要照顾到对击穿电压的影响。集电区电阻率及外延层厚度的选择要照顾到对击穿电压的影响。n做好做好A

55、l电极欧姆接触。电极欧姆接触。n注意管壳的设计及选择，以减小杂散电容。注意管壳的设计及选择，以减小杂散电容。n在结构参数均相同时，在结构参数均相同时，npn管较管较pnp管有较高的管有较高的fT(DnDp)。提高提高fT的措施的措施71 3.6 晶体管的高频功率增益晶体管的高频功率增益一、最佳高频功率增益一、最佳高频功率增益KPm 为了得到晶体管最大有用功率增益，输入端和输出端为了得到晶体管最大有用功率增益，输入端和输出端必须满足必须满足共轭匹配共轭匹配条件。在满足阻抗匹配时的最大功率增条件。在满足阻抗匹配时的最大功率增益称为益称为最佳功率增益最佳功率增益。 功率增益取决于电流放大系数，故与工

56、作频率有关。功率增益取决于电流放大系数，故与工作频率有关。)(lg10dBPPKPPKioPioP ，或或用用分分贝贝表表示示功功率率增增益益bLbcPLcobbirRiiKRiPriP222 )( 11 11)(3 02 110TcTeeebcdbebTTcTTcTcTeDeeTctetetbctTctTcTcTcTeDetCCr mmCCCCCrCCrCrCruCCCCCCCCC 、的并联阻抗的并联阻抗与与可略去可略去阻抗阻抗较大，高频时较大，高频时、馈作用馈作用可略去对输入端电压反可略去对输入端电压反，、：为讨论方便，近似假设为讨论方便，近似假设72的电流的电流而是通过负载电阻而是通过负

57、载电阻非短路电流非短路电流，因为此时，因为此时此处此处LcbcRiii 输入、输出端满足共轭匹配条件时，可获得最大功率增益输入、输出端满足共轭匹配条件时，可获得最大功率增益bLbcPrRiiK 2输入端为纯电阻性匹配，输出端输出阻抗为容性。阻抗为：输入端为纯电阻性匹配，输出端输出阻抗为容性。阻抗为：ccToCjCZ 1xpadTcccCCCCC 为集电极输出总电容为集电极输出总电容其中其中要求负载阻抗为：要求负载阻抗为：cccTLcLCLLCCRCjRZ211;111 !73cbTcbTcTbPmCfrfCrCrK222844 ffTT上式说明，上式说明，KPm与与fT成正比，与成正比，与rb

58、、Cc成反比，与成反比，与f 2成反比成反比随随f上升，上升，KPm下降，下降，f增大一倍，增大一倍，KPm下降为下降为1/4（-6dB）即）即-6dB/倍频程倍频程LCc 1 21bcbcTciiiCLC各流过各流过分流分流电阻对电阻对两个两个并联谐振，相当于开路并联谐振，相当于开路下降下降随随、阻抗比、阻抗比下降下降随随、下降，是因为下降，是因为随随frfCffKbcPm 212 1bLbcPrRiiK 2CTbCr112274181181181PmTcbcbPmTcbcbTcbPmTKfCrCrKfCrCrfCrKff，则，使得较大，即阻抗比比较小若，则，使得较小，即阻抗比比较大若时，当

59、可见可见fT并不能作为晶体管是否具有功率放大能力的判据并不能作为晶体管是否具有功率放大能力的判据二、高频优值和最高振荡频率二、高频优值和最高振荡频率当当KPm=1时，时，cbTMCrfff 8 1pmM Kff时，时，当当2pm2MfKf fM称为晶体管的最高振荡频率功率放大的最高频率cbTPmcbTPmCrffKCfrfK 8822称为晶体管的高频优值cbTPmCfrfK28 75三、提高功率增益或最高振荡频率的途径三、提高功率增益或最高振荡频率的途径提高提高Kpm、fM、fM2三者是一致的，不外乎是提高三者是一致的，不外乎是提高fT，减小基区电阻减小基区电阻rb、输出电容、输出电容Cc及发

60、射极引线电感及发射极引线电感Le等等1、浅结扩散、浅结扩散2、浓硼扩散、浓硼扩散3、减少输出电容、减少输出电容Cc4、减少发射极引线电感、减少发射极引线电感Lepppnn浅结扩散既可获得薄的基区宽浅结扩散既可获得薄的基区宽度，又可有效减小基区方块阻度，又可有效减小基区方块阻xpadTcccCCCCC 为集电极输出总电容为集电极输出总电容线等在高频管中采用带状引计入发射极引线电感22M22pm)(8)(8)(8)21(4fKLfrCffLfrCfffLfrCfLrCKpeTbcTMeTbcTeTbcTeTbcT7677 3.7 工作条件对晶体管工作条件对晶体管fT、Kpm的影响的影响一、工作条件