微电子器件(3-8)

1、 晶体管放大高频信号时，首先用被称为晶体管放大高频信号时，首先用被称为 或或 的直流电压或直流电流使晶体管工作在放大区，然后的直流电压或直流电流使晶体管工作在放大区，然后 。 当当 时，称为时，称为 。这时。这时晶体管内与信号有关的各电压、电流和电荷量，都由直流偏置晶体管内与信号有关的各电压、电流和电荷量，都由直流偏置和高频小信号两部分组成，其高频小信号的振幅都远小于相应和高频小信号两部分组成，其高频小信号的振幅都远小于相应的直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成的直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成 。 总瞬时值总瞬时值：其中的直流分量：其中的直流分量：其中的高频小信号分量：其中的高频小信

2、号分量：高频小信号的振幅：高频小信号的振幅：bBBiIibbbbde,djtiiIjitBIbI 由于各小信号电量的振幅都远小于相应的直流偏置，而且由于各小信号电量的振幅都远小于相应的直流偏置，而且是叠加在直流偏置上的，所以可是叠加在直流偏置上的，所以可 。仍以基极电流为例，即。仍以基极电流为例，即Bbdii BbdIi 或或 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，相角会的幅度会减小，相角会滞后。滞后。 以以 分别代表高频小信号的发射结注入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效率、基区输运系数、共基极和共发射极电流放大系数

3、 ，它们，它们都是复数。对极低的频率或直流小信号，即当都是复数。对极低的频率或直流小信号，即当 0 时，它们时，它们分别成为分别成为 。和、flglglg0000和、 以以 PNP 管为例，管为例，高频小信号电流从高频小信号电流从流入发射极的流入发射极的 ie 到到流出集电极的流出集电极的 ic ，会发生如下变化：会发生如下变化：pcccpcpccpcccpcpccpepcepe0eccbiiiiiiiiiiiiiivTE0epeCii ieipeipcipccicieicCTECDECTC *0DEpcCi dcpccxi TCcscCri rCS 基区中到达集电结的基区中到达集电结的少子电

4、流的少子电流的高频小信号分量高频小信号分量 与从发射与从发射区注入基区的区注入基区的少子形成的电流中的少子形成的电流中的高频小信号高频小信号分量分量 之比，称为之比，称为 ，记为，记为 。对于。对于 PNP 管，管， 基区输运系数随频率的变化主要是由少子的基区渡越时间基区输运系数随频率的变化主要是由少子的基区渡越时间所引起。所引起。pcpeii (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率为 ，因此到达集电结的，因此到达集电结的未复合少子占进入基区少子总数未复合少子占进入基

5、区少子总数 ，这就是，这就是 。这。这种损失对直流与高频信号都是相同的。种损失对直流与高频信号都是相同的。 (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的高频信号，集电结处的信号比发射结处在相位上滞后相位上滞后 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 。bej (3) 渡越时间的分散使渡越时间的分散使 减小减小bB1*bBB11*0*0*0* 已知在直流时，已知在直流时， ，现，现 上述关系也适用于高频上述关系也适用于高频小信号，即小信号，即 基区中高频小信号空穴电流的基区中高频小信号空穴电流的电荷控制方程为

6、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 。bbpepcBddqqiitBpCbQIbpcbb pcb,qiqi或bBq基区基区ipeipc将将 代入略去代入略去 后的空穴电荷控制方程中，后的空穴电荷控制方程中，bpepcddqiitbBqpebpc1iji 再将复合损失考虑进去，得再将复合损失考虑进去，得0bBbb111jjpcpeb11iijbb pcqipcbb pcddijit 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

7、的减小。的减小。b0B1 bej22b11 1b(tg)0022bbe11jj 1bbbb1,1, tg,b*022be1j * 20b222b|1|1|1OBOAOPOPOBjOBOB 0b1OBjOPA与与OAB 相似，因此，相似，因此，0b1j,|,|2OBOAOPOBOAOAOP 可见，半圆上点可见，半圆上点 P 的轨迹就是的轨迹就是 。0OA 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。但在交流情况因为这个假设是从直流情况下直接推广而来的。但在交流情况下，从发射结注入基区的少子电荷下，从发射结注入基区的少子

8、电荷 qb，要延迟一段时间后才会，要延迟一段时间后才会在集电结产生集电极电流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 ，可表为，可表为 b1mmbpcbqi 对于均匀基区，对于均匀基区， = = 0，m = = 0.22。098. 022. 0m 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，但是只有其中的其中的 时间才对时间才对 ipc 有贡献，因此有贡献，因此 ipc 的的表达式应当改为表达式应当改为mmm11bbbbbbb1 m mqqi1bbbbpc同时要在同时要在 上增加一个延迟因子上增加一个

9、延迟因子 。b1emjmb1mmbb001bbee11mjjmmjj 准确的准确的 表达式应为表达式应为 当当 下降到下降到 时的角频率与频率分别称为时的角频率与频率分别称为输运系数输运系数 ，记为，记为 与与 。|021f*bbb11122mmfb0022eee11jmjj 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b00bee11jmjmjj -1tg02ee1jmj 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，得到，得到的的 的轨迹，才是的轨迹，才是 的轨迹。的轨迹。 准确式中的因子准确式中的因子 的轨迹仍是半圆的轨迹仍是半圆 P，但

10、另一个，但另一个01jejmmPOcbpepcpccpccccc0eepepcpccpcpccviiiiiiiiiiiiiiTE0epeCii *0DEpcCi dcpccxi TCcscCri ieipeipcipccicieicCTECDECTCrCS 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 与发射极电流中的高频小信号分量之比，称为与发射极电流中的高频小信号分量之比，称为 ，记为，记为 。对于对于 PNP 管，管，epeiiieipeipcipccic 当不考虑扩散电容与寄生参数时，发射结的交流小信号等效当不考虑扩散电容与寄生参

11、数时，发射结的交流小信号等效电路由电路由 与电容与电容 构成。构成。BEeEDEd1dVkTrIgqIiereCTEeb 流过电阻流过电阻 re 的电流为的电流为ebectTETEebddviCjCvtebeerectTE eerTE ee11viiij Crij Crr 流过电容流过电容 CTE 的电流为的电流为eberpeneeviiiriectine 因此因此ieripe 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，10peeTE eeb1111iij CrjeerectpeectpeTE e1iiiiiij C r 再计入再计入 的

12、作用后，得的作用后，得式中，式中， ，称为，称为 。0EB1ebeb111RRjj口口eTEebrC0iereCTEebiectineieripe BEDEEBEBbBEBebddddddQQCVVqQVv 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）。 假设即假设即 代入代入 CDE ，得，得bpcb,qibpcb,qipcbDEebiCvWBx0QBQEqb = dQBqe = dQEieipeipcipccic 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，发射结的交流小信号等效当不考虑势垒电容与寄生参数时，发射结的交流小信号等效电

13、路由发射极增量电阻电路由发射极增量电阻 与扩散电容与扩散电容 构成。构成。ebecdDEDEebddviCj CvtebpeerecdDE eerDE ee11viiij Crij Crr 流过电容流过电容 CDE 的电流为的电流为eEkTrqIieipeipcreCDEebiecdiereberevir 因此因此iprpcbpcDE eebbebpciiCrrvipcpeDE e11iij Cr式中，式中， 再计入复合损失后得：再计入复合损失后得：0b1j 暂不考虑基区复合损失时，暂不考虑基区复合损失时， erpciipeerecdpcecdpcDE e1iiiiiij Crieipeipc

14、reCDEebiecdieripr 基区少子进入集电结耗尽区后，在强电场的作用下以饱和基区少子进入集电结耗尽区后，在强电场的作用下以饱和速度速度 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dctmaxxv 当空穴进入耗尽区后，会改变其中的空间电荷分布，从而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。一个简化的模型来表示这种影响。ieipeipcipccic 设电荷量为设电荷量为 qc 的基区

15、少子的基区少子 ( 空穴空穴 ) 进入集电结耗尽区后进入集电结耗尽区后 ，在它通过耗尽区的在它通过耗尽区的 t 期间，平均而言会在耗尽区两侧分别感应期间，平均而言会在耗尽区两侧分别感应出两个出两个 ( - -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，流出耗尽区的空穴电流比流入耗尽区的空穴电流少了空穴电流少了 ，所以，所以 ipcc 成为：成为：cd12dqtcddqtNPipcipccxdcqc-qc/ /2-qc/ /2

16、tpccpcpcctpccpc212iijiijicccpccpcpcddd11d2d2dqqqiiittt 平均来说，平均来说，ccpccct pcct pcctd,dqqiqijit代入上式，得代入上式，得式中，式中，tdcdmax,22xv称为称为 pcctpcd11112iijj 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，将产生电压时，将产生电压 icrcs 。虽然。虽然 vcb = = 0，但在本征集电结上（，但在本征集电结上（c 与与 b 之间）却有电压之间）却有电压c bc ccbc csvvvi rNPCTCrcsicvcb= = 0cbcieipeip

17、cipccic 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cpccTC csc1111iij C rj式中，式中， ，代表，代表 。cpccccpccTC cs ciiiij Cr icTC cspcc1ij CricsTCcrCc bcccTCTC csTC cs cddddviiCCrj Cr itt 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cbbpepcpcccc0eepepcpcc0ebbdce1111vj miiiiiiiiiijjjj 上式没有上式没有 PNP 与与 NPN 之分。式中，之分。式中，bb000ebTE eTEbE,11.2

18、20.098kTCrCqIm ，2tdcBbDE edcTC csBmax211,222xWCrCrDv 称为称为 ，代表信号从，代表信号从发射极到集电极总的延迟时间，则发射极到集电极总的延迟时间，则 可写为可写为 在频率不是特别高的情况下，在频率不是特别高的情况下， b0ebbdce1j mj 令令ecebbdc，bebbdc01222ebbdce1jmebbdc01222ebbdce1j 可见，在直流或极低频下，可见，在直流或极低频下， 随着随着频率的提高，频率的提高， 的幅度的幅度 下降，相角下降，相角 滞后。滞后。|ecbec00122ecb2ecbee11j mjjmm 。，相角，0

19、00ec00122ec2ece11jj 如果忽略如果忽略 ，则，则，bm 当当 下降到下降到 时的角频率和频率分别称为时的角频率和频率分别称为 ，记为，记为 和和 ，即，即021ecbebbdc11mecb122fm |fb0ecbe1j mjm b0e1j mj 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 (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 ebbdcb,bb000ecbbbeee1111jmjmjmjmjj 0000（2）对

20、）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bmTec12ff 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Tecebbdc1122f 但当但当 WB 已很小时，仅靠减小已很小时，仅靠减小 WB 来提高来提高 fT 的作用就开始减弱。的作用就开始减弱。特别是当特别是当 WB 0.1 m 后，再减小后，再减小 WB 对提高对提高 fT 几乎不起多少作几乎不起多少作用，反而产生诸如提高用，反而产生诸如提高 rbb ，降低，降低 VA 等副作用。等副作用。2dcBecTEcsTCTEBmax1211222xWkTCr CfqIDvTecebbdc1122f 可得可得 的关系曲线的关系曲线flg|lg102也有类似的频率特性。也有类似的频率特性。01ffj 由由 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 下降为下降为 1 时的频率，时的频率，而是在而是在 的条件下测量的条件下测量 （ 可以大于可以大于 1 ），然后），然后根据根据 ，即可得到，即可得到|Tfff|0T|ffffTT|,()fffff 由于上式，由于上式，fT 又称为晶体管的又称为晶体管