为电子器件与ic设计第三章bjt 3扩展

1BJT频率特性2第六节BJT的频率特性放大系数的分贝表示：6分贝/倍频αβ3dBfβfTf电流放大系数（dB）03dBfα＋＋＋－－－＋＋＋－－－＋＋＋－－－发射区(N)基区(P)空间电荷区3第六节BJT的频率特性一、高频下晶体管中载流子的输运（一）发射效率及发射结延迟时间Vbe交变

发射节空间电荷区宽度变化

CTE充放电ineipeine中一部分用于填充正空间电荷区基区提供空穴填充负空间电荷区iCTE4第六节BJT的频率特性一、高频下晶体管中载流子的输运（一）发射效率及发射结延迟时间等效电路Ine中一部分用于发射结势垒电容CTE充放电，转换为基极电流

信号延迟（相位变化） 发射效率|γ|下降ine+ipeiCTEEBiereCTErb5第六节BJT的频率特性一、高频下晶体管中载流子的输运（二）基区输运过程Vbe交变

基区积累电荷变化

CDE充放电irbineiCDEIne中一部分用于基区非平衡少子变化基区提供空穴用于基区多子变化 6第六节BJT的频率特性一、高频下晶体管中载流子的输运（二）基区输运过程 等效电路Ine中一部分用于发射结扩散电容CDE充放电，转换为基极电流

信号延迟（相位变化） 输运系数β*下降EBine+ipeieiCDEreCDErb－－－＋＋＋＋－－－＋＋＋＋基区空间电荷区集电区inc7第六节BJT的频率特性一、高频下晶体管中载流子的输运（三）集电结势垒区输运过程

正半周时进入集电结空间电荷区内的电子总量(负电荷量Q)

交变Vbe不变时集电结空间电荷区内总电荷量不变负空间电荷区-Q/2

正空间电荷区+Q/2

空电区边界移动－－－－＋＋＋－－－－＋＋＋

负半周时inc8第六节BJT的频率特性一、高频下晶体管中载流子的输运（三）集电结势垒区输运过程空间电荷区边界的移动借助于载流子流动

类似于电容充放电

－－－－＋＋＋－－－－＋＋＋－－－＋＋＋＋－－－＋＋＋＋

正半周时

负半周时基区空间电荷区集电区ine中一部分用于空电区边界移动转换为基极电流(信号幅度下降)电子穿过势垒区需要时间 (

信号相位变化)dQ/dt9第六节BJT的频率特性一、高频下晶体管中载流子的输运（四）集电区传输过程交流电流通过集电区体电阻Rc

Vbc

交变集电结势垒区宽度变

CTC充放电

inc中一部分用于填充正空间电荷区 同时基区提供空穴填充负空间电荷区CBinciciCTCreCTCrbrc发射结EBC集电结ieipeirineinci’ncicibi’ne10第六节BJT的频率特性一、高频下晶体管中载流子的输运iCDEiCTC空穴流电子流iCTEdQ/dT11第六节BJT的频率特性二、高频下晶体管电流放大系数中间参量与延迟时间、截止角频率（1）发射效率与发射结延迟时间τe发射结延迟时间发射极截止角频率

发射结等效电阻12第六节BJT的频率特性二、高频下晶体管电流放大系数中间参量与延迟时间、截止角频率（1）发射效率与发射结延迟时间τe由EM模型：当：Vbc

<0|Vbc|>>

kT/q

Vbe

>0时忽略与Vbc有关的项

13第六节BJT的频率特性二、高频下晶体管电流放大系数中间参量与延迟时间、截止角频率（1）发射效率与发射结延迟时间τe

CTE：正偏下的势垒电容

CTE≈(2.5～4)CTE(0)14第六节BJT的频率特性二、高频下晶体管电流放大系数中间参量与延迟时间、截止角频率（2）基区输运系数与基区渡越时间τb

re

和CDE

两端电压相等：

基区渡越时间基区输运系数截止角频率发射结等效电阻15第六节BJT的频率特性二、高频下晶体管电流放大系数中间参量与延迟时间、截止角频率（2）基区输运系数与基区渡越时间τb均匀基区晶体管：缓变基区晶体管：

可以证明τb

为载流子穿越基区的时间16第六节BJT的频率特性二、高频下晶体管电流放大系数中间参量与延迟时间、截止角频率（3）集电结势垒输运系数βd与集电结势垒渡越时间τb集电结势垒渡越时间集电结势垒渡越截止角频率载流子饱和漂移速度17第六节BJT的频率特性二、高频下晶体管电流放大系数中间参量与延迟时间、截止角频率（4）集电区衰减因子αC

与集电极延迟时间τc集电极延迟时间集电极截止角频率集电区体电阻18第六节BJT的频率特性三、电流放大系数与频率参数1、共基极电流放大系数α与截止频率fα展开分母，忽略二次幂以上的项其中：19第六节BJT的频率特性三、电流放大系数与频率参数1、共基极电流放大系数α与截止频率fα电流幅度增益：电流相位滞后：20第六节BJT的频率特性三、电流放大系数与频率参数2、共发射极电流放大系数β与截止频率fβ21第六节BJT的频率特性三、电流放大系数与频率参数

3.

特征频率fT22第六节BJT的频率特性三、电流放大系数与频率参数

4.讨论

23第六节BJT的频率特性四、提高晶体管频率特性的途径（1）减小基区渡越时间τb A．Wb↘：主要措施

B．Dnb↗：Nb↘(适当) C．λ↗：η↗(即Nb(0)↗)（2）减小发射结延迟时间τe A．re↘：Ie↗ B．CTE↘：Ae↘

（3）τd

xmc↘：ρc↘（Nc↗）（4）τc A．rcs↘：ρc↘、Wc↘ B．CTC↘：Ac↘BJT开关特性2425第七节BJT开关特性一、晶体管的开关作用tViRLRBVCC饱和区截止区VCEICVCCRLIB=026第七节BJT开关特性一、晶体管的开关作用（一）三个工作区特点

发射结集电结IC截止区反偏/零偏反偏≈0饱和区正偏正偏/零偏IC

≠

βIB放大区正偏反偏IC=βIB27第七节BJT开关特性一、晶体管的开关作用(二)开关时间定义td:延迟时间：正信号输入

Ic=0.1Icstr:上升时间：Ic=0.1Ics

Ic=0.9Ics

td＋tr＝ton

(开启时间)ts:存储时间：负信号输入

Ic

=0.9Icstf:下降时间：Ic=0.9Ics

Ic=0.1Ics

ts＋tf＝toff

(关闭时间)VB(t)tIB(t)ttstftontofftdIc(t)t0.1IcsIcs0.9Icstr28第七节BJT开关特性二、开关过程(一)、延迟过程

1.截止态:

特点：发射结反偏集电结反偏

流过集电结和发射结的电流为反偏电流

IC≈ICBO

IE≈IEBO发射结和集电结空间电荷区宽度较大E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB029第七节BJT开关特性二、开关过程(一)、延迟过程

2.延迟过程:

(1)载流子输运过程

(2)基极电流的作用：

IB≈

VBE/RB

(a)填充发射结空间电荷区

(CTE充电) (b)建立与0.1ICS相对应的空穴积累(少子的积累由发射区提) (c)补充基区空穴复合损失E(n)B(p)C(n)积累pE0pC0nB0复合30第七节BJT开关特性二、开关过程(一)、延迟过程

2.延迟过程:(3)减小延迟时间的措施：

(a)减小结面积，即减小CTE：

减小对空间电荷区充电的电荷总量

(b)减小截止时发射结反偏电压：

减小发射结空间电荷区宽度，即减小达到0.1Ics对应的空间电荷区所需的电荷总量

(c)提高基极电流：

提高由基极注入空穴的速度；但会使饱和后的饱和深度增大E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB031第七节BJT开关特性二、开关过程(二)、上升过程

(1)载流子传输IB继续向CTE充电

Vbe↗、

nB(x)梯度↗

IC↗到0.9ICSIC↗

VRL↗

VCE↘

直到等于VBE，即|VBC|↘到0

进入临界饱和

E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB032第七节BJT开关特性二、开关过程(二)、上升过程

(2)基极电流作用给CTE

CTC充电建立与0.9ICS相对应的空穴积累(少子的积累由发射区提供)补充基区空穴复合损失补充发射区空穴复合损失E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB033第七节BJT开关特性二、开关过程(二)、上升过程

(3)减小上升时间的措施

(A)减小结面积：

即减小CTC和CTE(B)减小基区宽度：

减小基区积累载流子总量， 加快建立对应的基区少子分布

(C)增大基区少子寿命τB

：

减小基区复合电流 加快建立对应的基区少子分布

(D)增大基极电流：

即，增大基极注入空穴的速；但会使饱和深度增大E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB0

QB34第七节BJT开关特性二、开关过程(三)饱和状态与超量存储电荷(1)

临界饱和状态

(A)特点：VBC＝0

集电结失去少子抽取作用

IC＝ICS≈VCC/RL

(B)IBS作用：补充基区中空穴的复合损失补充发射区中空穴的复合损失

(C)临界饱和条件∵当IB>

IBS

时进入饱和区 ∴IB＝IBS称为临界饱和条件复合复合E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0临界饱和驱动电流35第七节BJT开关特性二、开关过程(三)饱和状态与超量存储电荷(2)

饱和状态 当IB>IBS

时，IC受RL限制达饱和ICS，且不满足IC＝β0IB

关系。此时称：“IB处于过驱动状态”

过驱动电流:(A)

特点：发射结正偏、集电结正偏或零偏IC达饱和值ICS

IC不随IB变化

(

IC

≠βIB

)

IC

受RL限制(IC＝ICS≈VCC

/RL)IB由外电路决定(

IB＝(VB－Vbe)/

RB

)VCE很小（一般0.2～0.3V）达到饱和值VCES

36第七节BJT开关特性二、开关过程(三)饱和状态与超量存储电荷(2)

饱和状态

(B)

载流子传输与超量存储电荷：

基区超量存储电荷QBS

集电区超量存储电荷QCS

(C)基极电流作用补充基区中空穴复合损失补充发射区中空穴复合损失补充集电区中空穴复合损失E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0QCSQBS37第七节BJT开关特性二、开关过程(三)饱和状态与超量存储电荷(3)饱和深度S反映超量存储电荷的多少

S↗

超量存储电荷↗、饱和越深

关断时间越长

S＝1时(IB＝IBS)：临界饱和状态，无超量存储电荷一般取S≥438第七节BJT开关特性二、开关过程(四)电荷存储效应(1)超量存储电荷的消失过程IB

反向；IC几乎不变基区中少子梯度不变集电结电压减小；空间电荷区宽度变宽

超量存储电荷抽取E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB0超量存储电荷复合39第七节BJT开关特性二、开关过程(四)电荷存储效应(2)减小存储时间的措施（A）减小导通时基极电流IB，即饱和深度S不可太大

减小超量存储电荷QBS

、QCS

（B）减小集电区宽度WC或集电区少子扩散长度LPC

减小超量存储电荷QCS

，但必须保证足够的击穿电压（C）增大截止时的基极抽取电流IB

加快超量存储电荷抽取速度（D）减小集电区少子寿命τC(如在集电区掺金)

减小超量存储电荷QCS(∵τC↘LC↘)

加快复合使QCS下降更快40第七节BJT开关特性二、开关过程(五)下降过程(1)下载过程中载流子的输运IB的抽取基区中载流子的复合

QB↘,

nB(x)梯度↘

IB对集电结、发射结空间电荷区有载流子抽取作用

发射结电压降低直至反偏 集电结反偏电压增大

E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0

基区中存储的载流子41第七节BJT开关特性二、开关过程(五)下降过程(2)下载过程与上升过程比较上升过程下降过程基极电流注入多子抽取多子对CTECTC充电对CTECTC放电积累空穴QB抽取空穴QB复合作用阻碍QB积累（延缓上升过程）加快QB消失（加速下降过程）42第七节BJT开关特性二、开关过程(五)下降过程(3)减小下降时间的措施

(A)减小发射结、集电结势垒电容CTE

、CTC、 减小基区宽度WB (减少需要抽取的电荷)

(B)增大基极抽取电流

(加快电荷抽取速度)43第七节BJT开关特性三、提高开关速度的措施1．从晶体管结构考虑（1）缩短集电区少子寿命(如：SiNPN管掺金)

减少超量存储电荷QCS

关断时加速QCS的复合

(同时不影响电流增益)

（2）减小集电区厚度WC(可采用外延结构)

从空间上减小QCS

降低集电区电阻率ρC

(增大NC↗)

减小集电区少子寿命（3）减小结面积(

减小CTC、CTE) 缩短结电容充放电时间