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第二章 双极结型晶体管第二章 双极结型晶体管双极结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT）是最早出现的具有放大功能的三端半导体器件，自1948年诞生以来，一直在高速电路、模拟电路和功率电路中占据着主导地位，因此，双极结型晶体管也是我们学习的重点。通常所说的晶体管就是指双极结型晶体管。 2.1 晶体管的结构1晶体管的基本结构BJT是由靠得很近的两个PN结构成的半导体器件。BJT一般包含NPN或PNP三个区域，前者称为NPN晶体管，后者称为PNP晶体管，这两种晶体管及其电路符号如图所示。发射极、基极和集电极分别用英文字母E、B、C表示，发射区和基区之间的PN结称为发射结，集电区和基区之间的PN结称为集电结。基区的宽度必须远远小于该层材料种少数载流子的扩散长度，否则就成了两个背靠背的独立PN结。 2均匀基区晶体管和缓变基区晶体管在晶体管内部，载流子在基区中的传输过程是决定晶体管许多性能（如电流增益、频率特性等）的重要环节。而在基区宽度确定之后，基区杂质分布是影响载流子基区输运过程的关键因素。尽管晶体管有很多制造工艺，但在理论上分析其性能时，为了方便起见，通常根据晶体管基区的杂质分布情况不同，将晶体管分为均匀基区晶体管和缓变基区晶体管。本章将重点介绍均匀基区晶体管一些特性原理。（1）均匀基区晶体管均匀基区晶体管的基区杂质是均匀分布的，在这类晶体管中，载流子在基区内的传输主要靠扩散机理进行，所以又称为扩散型晶体管。其中合金法制造的晶体管就是典型的均匀基区晶体管，合金管（如锗PNP合金管）的制造工艺和杂质分布如图所示。在N型锗片的一面放上受主杂质铟镓（族元素）球做发射极，另一面放上铟球做集电极，经烧结冷却后而形成PNP结构。 （2）缓变基区晶体管缓变基区晶体管的基区杂质分布是缓变的，这类晶体管的基区存在自建电场，载流子在基区除了扩散运动外，还存在漂移运动且往往以漂移运动为主，故也称为漂移晶体管。用各种扩散法制造的晶体管可以看着是缓变基区晶体管。下图表示了一种缓变基区晶体管的制造过程和杂质分布。在N型硅片上生长一层SiO2膜，在氧化膜上光刻出一个窗口，进行硼（族元素）扩散，形成P型基区，然后在此P型层的氧化膜上再光刻一个窗口，进行高浓度的磷（族元素）扩散，得到N型发射区，并用铝蒸发工艺以制出基极与发射极的引出电极，N型基片则用做集电极。硅片表面全都被扩散层和氧化层所覆盖，像一个平面一样，所以这种工艺制出的晶体管又称为平面晶体管，是目前生产的最主要的一种晶体管。 2.2 四种工作模式本章主要以均匀基区的N+PN晶体管为例来讨论晶体管的各项性能指标参数，并假设： 发射区和集电区宽度远大于少子扩散长度，基区宽度远小于少子扩散长度； 发射区和集电区电阻率足够低，外加电压全部降落在势垒区，势垒区外无电场； 发射结和集电结空间电荷区宽度远小于少子扩散长度，且不存在载流子的产生与复合； 各区杂质均匀分布，不考虑表面的影响，且载流子仅做一维传输； 小注入，即注入的非平衡载流子浓度远小于多子浓度； 发射结和集电结为理想的突变结，且面积相等。根据发射结和集电结所处偏压的不同，晶体管有四种工作模式。如图所示，我们令为基极对发射极的电压，基极对集电极的电压，下面介绍四种工作模式及其少子的分布。1正向有源模式：，少子的分布如图所示，少子边界条件为 其中，发射区热平衡少子空穴浓度；基区热平衡少子电子浓度；集电区热平衡少子空穴浓度。2反向有源模式：，少子的分布如图所示，少子边界条件为 3饱和模式：，少子的分布如图所示，少子边界条件为 4截止模式：，少子的分布如图所示，少子边界条件为 2.3 晶体管的电流放大原理晶体管工作在正向有源模式下（，）具有放大电信号的功能，这是晶体管最主要的作用。单个PN结只具有整流作用而不能放大电信号，但是当两个彼此很靠近的PN结形成晶体管时，两个结之间就会相互作用而发生载流子交换，晶体管的电流放大作用正是通过载流子的输运体现出来的。1平衡晶体管的能带在晶体管的三个端不加外电压时（即平衡状态下），晶体管具有统一的费米能级，其能带和载流子的分布如图（a）所示。（a）平衡晶体管的能带 （b）非平衡晶体管的能带2正向有源模式下的能带晶体管处于放大模式下的能带和少子分布如图所示。由于发射结正偏，势垒降低了，电子将从发射区向基区注入，空穴将从基区向发射区注入，基区出现过量电子，发射区出现过量空穴。过量载流子浓度取决于发射结偏压的大小和掺杂浓度。当基区宽度很小（远远小于电子的扩散长度）时，从发射区注入到基区的电子除少部分被复合掉外，其余大部分能到达集电结耗尽层边缘，集电结处于反向偏压，集电结势垒增加了。来到集电结的电子被电场扫入集电区，成为集电极电流。这个注入电子电流远大于反偏集电结所提供的反向饱和电流，是集电极电流的主要部分。如果在集电极回路中接入适当的负载就可以实现信号放大。从以上分析可见，基区宽度很窄是晶体管实现放大作用的必要条件之一。如果基区较宽（大于电子扩散长度），注入到基区的过量电子在到达集电结之前被复合殆尽，此时晶体管是两个背靠背的PN，不可能有放大作用。3电流分量下图表示处于放大状态的NPN晶体管内的各电流分量。发射极和基极处于输入回路，基极和集电极处于输出回路，基极作为公共端，这种连接方法称为共基极接法。（1）发射极电流发射极电流由三部分组成： 从发射区注入到基区中的电子扩散电流，这股电流大部分能够传输到集电极，成为集电极电流的主要部分； 从基区注入到发射区的空穴扩散电流，这股电流对集电极电流无贡献，且还是基极电流的一部分； 发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流，这部分电流很小，根据假设通常不考虑。所以有（2）基极电流基极电流由四部分组成： 发射结正偏，由基区注入到发射区的空穴扩散电流； 基区复合电流，它代表进入基区的电子与空穴复合形成的电流； 集电结反偏的反向饱和电流，这部分电流是由少子的漂移形成，通常要比和小很多； 发射结空间电荷区耗尽层内的复合电流（很小忽略）。所以有（3）集电极电流集电极电流主要有两部分： 扩散到集电结边界的电子扩散电流，这些电子在集电结电场作用下漂移，通过集电结空间电荷区，变为电子漂移电流，它是一股反向大电流，是集电极电流的主要部分； 集电结反向漏电流。所以有根据以上各关系式，可得由此可见，总的发射极电流等于到达集电极的电子电流和通过基极流入的空穴电流之和。一只好的晶体管，与十分接近，而很小（例如只有的12）。4晶体管的直流电压关系上面定性地分析了晶体管载流子的传输过程，各电流的形成和它们的基本关系，那么这些电流与器件的结构参数、材料参数及外加电压又是什么关系呢？从上面分析可知，只要求出、的关系式，就可方便地得到晶体管各端电流与电压的关系式了，下面将分别讨论。（1）求是从发射区注入到基区的电子在基区扩散形成的电流。根据假定，基区宽度（）远小于少子电子在基区中的扩散长度，则少子电子通过基区由于复合而损失的那部分是很小的，基区电子可近似看成线性分布（如图中虚线）。根据PN结理论，由图可知，中性基区边界处和处电子浓度分别为 其中为基区平衡少子电子浓度，则可得基区电子线性分布函数为根据PN结理论（见PN结那一章），并考虑到，可得到 （其中将换成了）（2）求是由基区注入发射区的空穴扩散电流。在发射区，少子空穴浓度呈指数分布，且发射区宽度远大于少子扩散长度，所以根据PN结理论，直接可以得到发射结空间电荷区边界处少子空穴浓度为注入发射区的空穴扩散电流为式中，发射区空穴扩散长度；发射区空穴扩散系数。（3）求是由发射区注入基区中的电子与基区中的空穴复合形成的电流。从前面的讨论知道，电子在扩散通过基区的过程中要与空穴复合，基区中积累的注入电子数目决定了基区复合电流的大小。基区复合电流就是指单位时间内基区中复合的电子数与电子电荷量之积，或者说单位时间内基区中复合的总电子电荷量，即的大小为 （为基区中电子寿命）在基区很窄、电子分布为线性的假设下，基区中积累的注入电子总数，大致等于载流子线性浓度分布曲线下的面积，即所以 （4）求是由于集电结反偏，少子漂移形成的反向电流，它由电子漂移电流和空穴漂移电流两部分组成，即。根据反偏PN结的理论，可得 （因，将换成）所以有 （时）（5）各电流分量、以上各式描述了晶体管的各电流与外加偏压、晶体管的结构参数、工艺参数和制作晶体管的材料参数之间的关系，是分析晶体管其它性能参数的基础。5晶体管的直流电流放大系数（1）电流放大系数的定义1）共基极电流放大系数右图给出了共基极接法，其特点是基极作为输入和输出的公共端。共基极直流电流放大系数定义为集电极输出电流与发射极输入电流之比，即表征从发射极输入的电流中有多大比例传输到集电极成为输出电流，或者说发射极发射的电子有多大比例传输到了集电极。越大，说明晶体管的放大性能越好。在共基极电路中，通过控制，总是小于（相差），可见小于1。但是，性能良好的晶体管的是很接近于1的。虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但由于集电极允许接入阻抗较大的负载，所以仍能够获得电压放大和功率放大。2）共发射极电流放大系数右图给出了共发射极接法，其特点是发射极作为输入和输出的公共端。共发射极直流电流放大系数定义为集电极输出电流与基极输入电流之比，即也是晶体管的重要参数之一。共发射极电路是用去控制以实现电流放大的。3）与的关系根据，有因为非常接近于1，所以就远大于1。由此可以看出，的微小变化将引起的很大变化，因而晶体管具有电流放大能力。晶体管（对于NPN晶体管）要具有放大能力，必须满足下列条件： 发射区高掺杂，能发射大量的电子； 基区低掺杂且基区宽度很窄，减少电子的复合损失； 晶体管处于正向有源工作模式下，即：发射结正偏，发射电子；集电结反偏，收集电子。（2）发射效率和基区输运系数前面分析知道总是小于的（相差），即总是小于1。那么为什么总是小于呢？主要原因在于发射极发射的电子在传输到集电极的过程中，有两个阶段电子会损失： 一是发射区的电子与来自基区的少子空穴的复合损失，该复合形成了空穴电流； 一是电子在穿越基区往集电结扩散的过程中，与基区中空穴的复合损失，形成体内复合电流。为了表征两个阶段电子损失比例的大小，引入两个参量如下。1）发射效率发射效率定义为注入基区的电子电流与发射极电流的比值，即由和的表达式可得其中用到关系式，发射区空穴迁移率，基区电子迁移率。若近似认为，并用和分别代表基区和发射区的电阻率，则，所以有上式表明： 发射区掺杂浓度越高（越小），基区掺杂浓度越低（越大），注射效率越大； 基区宽度越小，也越大。2）基区输运系数基区输运系数定义为到达集电结的电子电流与注入基区的电子电流的比值，即 又因为（注意到）代入式可得上式表明：基区宽度（）与基区少子电子扩散长度之比越小，越大。也就是说，如果，就可以使。（3）电流放大系数1）表达式由于通常，所以对上式展开并整理后，可近似得到2）表达式由定义可知，所以有从上式可以看出：和是由晶体管的结构（）和材料性质（、和）决定的，而与外电路无关。和越小，和就越大；越大，和也越大。其中的影响最为显著。通常主要是通过减小和来提高和。6影响晶体管直流电流放大系数的因素（1）发射结空间电荷区复合的影响前面讨论中，认为通过发射结的电子电流和空穴电流在流过空间电荷区前后保持不变。实际上，PN结空间电荷区复合作用并不是总可以忽略的，特别是在小电流（小注入）情况下，PN结空间电荷区复合还占了比较重要的地位。由于发射结空间电荷区的复合作用，使电子从发射区注入到基区前，已有一部分在空间电荷区和空穴复合而转换为空穴电流，变为基极电流的一部分。这种复合减少了注入到基区的电子数，因而降低了发射结注射效率。减小的途径是尽可能减小空间电荷区中的复合中心。通常认为，这些复合中心来自原始硅单晶或后续工艺过程中引入的重金属杂质（铜、镍、铁、锰等）。（2）发射区重掺杂的影响在前面的分析中知道，要提高晶体管的发射效率，必须降低基区杂质浓度，提高发射区杂质浓度。但是，若偏低，则基极电阻过大，会使晶体管的功率增益下降，大电流特性变坏。所以，往往通过提高发射区杂质浓度来提高发射效率。但是，过分地提高又会引起发射区禁带宽度变窄及俄歇复合加强，这样反而导致发射效率降低。（3）基区表面复合的影响在前面推导电流放大系数的过程中，只考虑了电子在基区的体内复合。实际上从发射区注入基区的电子，还有一部分流向表面，由于表面存在表面正电荷和界面态，所以在P型基区表面将形成附加的复合电流，这部分电流变成了基极电流而不能到达集电极，所以会使和下降。要减少基区表面复合的影响，就要减小基区表面复合电流。而减小因受其它参数、工艺、成品率等的限制，主要是靠减小表面复合速度s，而s的大小主要取决于表面状况。所以，在制造合金晶体管时，必须对管芯进行适当的表面处理（例如电解腐蚀等），以减小s。对于硅平面晶体管来说，因其表面有一层氧化层覆盖着，表面复合的影响可大大减小。但是，在发射极电流较小时表面复合的影响还是比较大的。（4）基区宽度调变效应的影响当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽度也将发生变化，因而有效基区宽度也随着变化，这种由于外加电压变化，引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽变效应。因为 （非常接近于1） （）所以，当集电结反向偏压增加时，集电结空间电荷加宽，使有效基区宽度减小，减小使增加。（5）温度的影响温度对电流放大系数的影响是比较显著的。当温度升高时，增加，主要原因是： 发射区总是重掺杂的，在重掺杂下禁带变窄，使注射效率随温度升高而增大。 发射区掺杂浓度在以上时，少子空穴的迁移率几乎不随温度变化。而根据爱因斯坦关系，扩散系数却随温度上升而增大，发射区少子寿命也随温度上升而增加，所以，发射区扩散长度随温度上升而增长，使提高。 基区的掺杂浓度总是远小于，在这样的浓度下，少子电子的扩散系数与温度成反比。但是，少子寿命随温度的增大超过扩散系数的减小，所以基区扩散长度随温度上升而增加，从而随温度上升而增加。基于以上原因，温度升高时，和都增大。所以，电流放大系数随温度上升而增加。此外，电流放大系数也与晶体管的工作电流大小有关，如图所示。在小电流和大电流下，都会下降。小电流时，发射结空间电荷区复合对的影响和基区表面复合对的影响，都导致下降；大电流时，下降则是大注入效应影响的结果。 2.4 晶体管的直流伏安特性曲线晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入和输出的电流电压关系曲线。晶体管的三个极端，共有4个参数：输入电流、输入电压、输出电流和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用曲线表示出来得到一族曲线，最常用的是输入特性曲线和输出特性曲线。不同接法的晶体管，其特性曲线是不同的，但是不同接法的特性曲线之间是有联系的。1共基极连接的直流特性曲线右图为测量晶体管共基极直流特性曲线的原理图。为基极对发射极之间的电压，为基极对集电极之间的电压降，为发射极串联电阻，用以控制和调节或。（1）输入特性曲线在不同的下，改变，测量，便可得出一族曲线，这族曲线称为共基极直流输入特性曲线，如图（a）所示。从图可以看出，在同样的下，随着增大而增大，这是因为集电极空间电荷区宽度随着的增大而增加，因而有效基区宽度减小，使得在同样下，基区少子浓度梯度增大，所以增大。这种有效基区宽度随的增大（减小）而减小（增大）的现象，就是前面讨论的基区宽度调变效应。所以，输入特性曲线随着的增大而左移。（a）输入特性曲线 （b）输出特性曲线（2）输出特性曲线在不同的下，改变，测量，可得出一族曲线，称为共基极直流输出特性曲线，如图（b）所示。从输出特性曲线可见，在时，（因为，），而且基本与无关。在时，仍保持不变，这是因为在时，基区靠集电结空间电荷区边界处少子浓度等于平衡少子浓度，但因基区中存在少子浓度梯度，不断地有少子向集电结边界扩散，为了保证该处少子浓度等于平衡少子浓度，漂移通过集电结的少子必须大于从集电区扩散到基区的少子，因而虽然，但。要使集电极电流减小到零，必须在集电结上加一个小的正向偏压，使基区中少子浓度梯度接近于零。2共发射极连接的直流特性曲线（1）输入特性曲线测量晶体管共发射极直流特性曲线的原理图如右图所示。为基极串联电阻，用以控制或。在不同的下，改变，测量，可得出一族关系曲线，称为共发射极直流输入特性曲线，如图（a）所示。当增加时，由于基区宽度减小。注入到基区中的少子的复合减少，故减小。即在同样的下，越大，越小。当时，而为，因为这时集电结反偏，所以流过基极的电流为集电结反向饱和电流。 （a）输入特性曲线 （b）输出特性曲线（2）输出特性曲线固定不同的，改变，测量，可得出一族曲线，称为共发射极输出特性曲线，如图（b）所示。当时，晶体管的电流等于。当增加时，集电极电流按的规律增加，而且增大，晶体管的基区宽度减小，电流放大系数增大，特性曲线微微向上倾斜。晶体管的直流特性曲线可分为三个区域：放大区（区），饱和区（区）和截止区（区）。 2.5 晶体管的频率特性按工作频率范围通常把晶体管分为低频晶体管（只能在3MHz以下的频率范围内使用）；高频晶体管（可在几十到几百兆赫兹的频率下使用）；超高频晶体管（能在750MHz以上频率范围内使用的晶体管）。1晶体管交流特性和交流小信号传输过程（1）频率对晶体管电流放大系数的影响在使用晶体管时，常常会发现，当工作频率较低时，晶体管的放大作用比较正常，电流放大系数基本上不因工作频率而改变。但当工作频率高到一定程度时，电流放大系数将随工作频率的升高而下降，直至失去电流放大作用。如图所示，高频时输出电流明显比输入小，也就是电流放大系数下降了，同时也发生了相移，为什么会有如此现象呢？晶体管工作在高频状态时，电流放大系数将下降且产生相移，主要是晶体管中载流子的分布情况随交流信号而变化引起的。由于要提供再分布的电荷，消耗掉了一部分注入载流子的电流，变为基极电流。交流信号频率越高，单位时间内用于再分布的电荷也越多，即消耗的电流也越大，则越小，这就是高频时电流放大系数下降的原因。与此同时，交流电流在从发射极传输到集电极的过程中，要经过4个区：发射结、基区、集电结空间电荷区、集电区。显然，完成上述的传输，必然要消耗掉部分电流，也需要一定的时间。所以，随着频率的增高，不仅电流放大系数下降，相对于也将产生相移。（2）交流小信号传输过程直流电流在晶体管内部的传输过程是：发射极电流由发射结注入到基区，通过基区输运到集电结，被集电结收集形成集电极输出电流。在这个电流传输过程中有两次电流损失（对理想情况）：一是与发射结反向注入电流的复合；二是基区输运过程中在基区体内的复合。对于交流小信号电流，其传输过程与直流情况有很大不同，一些被忽略的因素开始起作用了，这些因素主要有4个： 发射结势垒电容充放电效应； 基区电荷存储效应（或发射结扩散电容充放电效应）； 集电结势垒区渡越过程； 集电结势垒电容充放电效应。1）发射过程当发射极输入一交变信号时，交变信号作用在发射结上，发射结的空间电荷区宽度将随着信号电压的变化而改变，因此需要一部分电子电流对发射结势垒电容进行充放电。发射极电流中的一部分电子通过对势垒电容的充分电，转换成基极电流的一部分，造成电子流向集电极传输过程中比直流时多出一部分损失，使发射效率降低。由于对发射结势垒电容充放电需要一定时间，因而使电流发射过程产生延迟。设发射结势垒电容充放电时间常数为，称为发射极延迟时间。一般发射极延迟时间为零偏压时发射结势垒电容值。2）基区输运过程当发射极输入交变信号时，除发射结势垒区宽度随信号变化外，基区积累电荷量也将随之变化。例如在信号正半周，交变电压叠加在发射结直流偏压上，使结偏压升高，注入基区的电子增加，使基区电荷积累增加。因此，注入到基区的电子，除一部分消耗于基区复合而形成复合电流外，还有一部分电子用于增加基区电荷积累，即相当于对扩散电容的充电。同时，为了保持基区电中性，基极必须提供等量的空穴消耗于基区积累，即对扩散电容的充放电电流也转换为了基极电流的一部分。因此，到达集电结的有用电子电流减小，即基区输运系数下降。设电子在基区的输运时间为。假设基区中x处，注入少子电子的浓度为，以速度穿越基区，形成的电流为载流子穿越基区的时间为（注意）通常有基区宽度，所以有 代入上式有3）集电结势垒区渡越过程在直流电流传输过程中，由基区输运到集电结边界的电子流，被反偏集电结势垒区内的强电场全部拉向集电区，并且穿过势垒区的时间很短。因此，电子流在势垒区渡越过程中，既无幅度也无相位上的变化，可以认为这一过程对电流传输没有影响。但是，对于交流信号，特别是信号频率较高以致集电结势垒渡越时间“可与信号周期相比拟时”，就必须考虑集电结势垒区的渡越过程了。交流小信号电流在这一过程中，不仅信号幅度将降低，也会产生相位滞后。由于反偏集电结空间电荷区电场一般很强，当空间电荷区电场超过临界电场强度时，载流子速度就达到饱和，载流子将以极限速度（饱和速度）穿过空间电荷区。对于硅；对于锗。设集电结空间电荷区宽度为，则载流子渡越集电结空间电荷区的时间为4）集电区传输过程到达集电区边界的电流并不能全部经集电区输运而形成集电极电流，这是因为交变电流在通过集电区时，会在体电阻上产生一个交变的电压降。这个交变信号电压叠加在集电极直流偏置电压上，使集电结空间电荷区宽度随着交变信号的变化而变化。因此，在到达集电区边界的电流中需要分出一部分电子电流对集电结势垒电容充放电，形成分电流，同时，基极也提供相应大小的空穴流充电，故分电流形成了基极电流的一部分。对势垒电容充放电的时间常数设为（也称为集电极延迟时间）。综上分析可以看到，与直流电流传输情况相比，在交流小信号电流的传输过程中，增加了4个信号电流的损失途径： 发射结发射过程中的势垒电容充放电电流； 基区输运过程中扩散电容的充放电电流； 集电结势垒区渡越过程中的衰减； 集电区输运过程中对集电结势垒电容的充放电电流。这4个途径的分流电流随着信号频率的增加而增大，同时使信号产生的附加相移也增加。因此，造成电流增益随频率升高而下降。2共基极交流放大系数及其截止频率（1）交流放大系数共基极交流电流放大系数定义为：在共基极运用时，将集电极交流短路（C和B之间交流短路），此时的集电极输出交流电流与发射极输入交流电流之比，即设发射极到集电极总延迟时间为，则交流小信号共基极接法电流放大系数可表示为式中，；直流或低频共基极电流放大系数；f 信号频率。（2）截止频率上面分析表明，电流放大系数的幅值随频率升高而下降，相位滞后则随频率升高而增大。当频率上升到时，降到其低频值的（即），此时的频率称为共基极截止频率（或截止频率），其值为对于一般的高频晶体管，由于基区宽度较宽，往往比、大得多，所以通常在时，四个时间常数中，往往起主要作用。3共发射极交流放大系数及其截止频率（1）交流放大系数共发射极交流电流放大系数定义为：在共发射极运用时，集电极交流短路（C和E间交流短路），集电极输出交流电流与基极输入交流电流之比，即由关系式可得其中，它与共基极小信号电流增益不同，其差别在于：要求C、B间交流短路，为C、E间交流短路。对于一般的晶体管有，因此可以认为就是共基极小信号电流增益，从而可得 其中用到 ， 其中 可见，共射极小信号电流增益也是复数，与一样，其幅值随频率升高而下降，相位滞后随频率升高而增大。（2）截止频率当频率升高到时，下降到低频或直流值的，这时的频率称为共发射极截止频率，其值近似为一般晶体管的是比较大的，可见，共射极电流增益截止频率比共基极电流增益截止频率低得多，即，这也说明共基极晶体管放大器的带宽（即截止频率）比共射极晶体管放大器的带宽大得多。4晶体管的频率特性曲线和极限频率参数（1）频率特性曲线通常在晶体管手册中给出的电流放大系数是在低频（一般为1000Hz）的情况下测定的。对于共发射极接法通常用表示；对于共基极接法通常用表示。慢慢升高测量频率，测出不同频率下的电流放大系数，以电流放大系数的分贝数作为纵坐标，以频率作为横坐标作图，可得到如图所示的晶体管频率特性曲线。电流放大系数的分贝（dB）值定义为从图可以看出，在低频范围内，电流放大系数等于低频时的（或），而当频率进一步升高时，它们就开始下降。 （也称截止频率）：是当共基极电流放大系数下降到的（0.707）倍时所对应的频率。此时的分贝值下降3dB。 （也称截止频率）：是当共发射极电流放大系数下降到低频的（0.707）倍时所对应的频率。此时的分贝值下降3dB。（2）特征频率从的定义可知，当时，将下降到以下，但电流放大系数仍有相当高的数值。例如，设晶体管的，当时，所以并不能反映实际晶体管的使用频率极限。为了表示晶体管具有电流放大作用的最高频率极限，引入特征频率，定义为：随着频率的增加，晶体管的共射电流放大系数降到1时所对于的频率。显然，当时，晶体管有电流放大作用；当时，晶体管就没有电流放大作用了。特征频率是是判断晶体管是否能起到电流放大作用的一个重要依据，也是晶体管电路设计的一个重要参数。根据定义，由可得 （注意到） （前面结论可知）当工作频率比大很多，如时，可得所以有可见，当工作频率比大得多时，工作频率与电流放大系数的乘积是一常数，且该常数为。因此只要在比大得多的任何一个频率f下测出，两者相乘即可得到。（3）最高振荡频率反映了晶体管具有电流放大作用的最高频率，但还不能表示具有功率放大能力的最高频率。如图所示，输入信号电流为，输出电流为。在频率较高时，晶体管的输入阻抗基本上等于基区电阻，故输入功率为负载上得到的功率（输出功率）为所以功率放大倍数（功率增益）为可见，在时，但负载电阻可以比大得多，所以仍有，即晶体管仍有功率放大能力。但当频率继续升高时，的数值不能取得太大了。这是因为要得到最大功率输出，负载阻抗必须与晶体管的输出阻抗相等，这称为阻抗匹配。由于晶体管的集电结电容是并联在输出端的，随着频率升高，的容抗减小，输出阻抗也变得越来越小，因此的取值也要减小。同时在频率更高时的数值也要继续下降，可能比1小很多，这样就使得高频时下降，频率足够高时将小于1。晶体管输入输出阻抗各自匹配时，功率增益可达到最佳，表示为 随着频率的升高，最佳功率增益将下降。（0 dB）时对应的频率称为晶体管的最高振荡频率，用表示。式中令，可得为 可见，晶体管的最高振荡频率主要取决于其内部参数，即晶体管的输入电阻、输出电容及特征频率等。表示晶体管真正具有放大能力的极限。由式还可得称为晶体管的高频优值，这个参数全面反映了晶体管的频率和功率性能，优值越高，晶体管的频率和功率性越好，而且高频优值只取决于晶体管的内部参数，因此它是高频功率晶体管设计和制造中的重要依据之一。（4）影响特征频率的因素和改进措施从上面分析可知，晶体管的特性频率是晶体管的一个重要高频参数，而且晶体管的最高振荡频率和高频优值也都与有关。所以，对器件设计者和制造者来说，了解影响的因素和提高的措施具有重要意义。 通常基区渡越时间是影响的主要因素。由知，采用薄基区和低的基区杂质浓度是减小的关键措施。为了获得小的基区宽度，必须采用浅结扩散。 发射结势垒电容的延迟时间对也有较大的影响。因（为发射结电阻），所以减小就要减小，减小就要减小发射结面积。所以高频晶体管的尺寸应尽量小。但是另一方面，从晶体管的电流特性来考虑，发射区周长又不能太小，为此可以采用梳状发射区，尽量减小条宽，以增大周长面积比。 集电结势垒渡越时间和集电结电容充放电时间一般是比较小的，它们不是影响的主要因素。虽然和很小，但是在制造超高频晶体管的时候，基区渡越时间和发射结电容延迟时间都已采取措施减小到很小，这时、的影响相对来讲就比较大了。减小集电结面积，适当降低集电区电阻率可以减小和。另外，从晶体管的使用条件来看，如果工作点选择得不适当，也不能得到预期的频率特性。对特征频率来说，每种晶体管都有一个最佳工作点，因此在使用晶体管时，应尽可能使之工作在这个最佳工作点附近。 2.6 晶体管的开关特性1晶体管的开关工作区域晶体管除了用做放大器，还被用做通断开关。开关电路中的晶体管多采用共发射极接法，如图所示。“开”输出端（C、E之间）的压降很小，可近似看做短路；“关”输出端（C、E之间）阻抗很大，可以看做断路。晶体管共发射极输出特性曲线如图所示，其中MN为负载线。晶体管做开关运用时，它的“开”与“关”两种工作状态分别对于输出特性曲线中的饱和区和截止区。可见晶体管的开关作用就是通过基极加驱动信号电压使晶体管导通和截止，也就是使晶体管的工作点位于饱和区和截止区，并在两个区之间转换。截止态（关态）和饱和态（开态）这两个概念，对于晶体管的开关应用是很重要的。下面分析晶体管工作于饱和区和截止区的特点。（1）饱和区集电极回路的电压和电流存在着如下关系当基极电流从小到大增加时，随之增加，与此同时，随之减小。当增加到某一数值时，将使得，即，此时有此时将不再随而变，仅由外电路参数和确定。在这种状态下，晶体管已进入饱和状态，称为晶体管的饱和电流。注意：实际上，不会减小到零，开关晶体管在饱和时的约为0.3V，这个电压降称为饱和压降，用表示（）。在饱和状态时，晶体管的发射结处于正向偏置，发射结偏压约为0.7V（），而C、E间的压降约为0.3V，如图所示。这表明C极电压低于B极，即集电结也处于正向偏置，这是晶体管饱和的重要特点之一。（、）使晶体管由放大区进入饱和区的临界基极电流称为临界饱和基极电流，用表示所以，晶体管处于饱和状态的条件为当时，定义与之差为基极过驱动电流，用表示，即有：。正是这部分过驱动电流促使晶体管内部载流子运动发生变化而使晶体管进入饱和状态。（2）截止区如果晶体管的发射结加上反向偏压（或零偏压），集电结也加上反向偏压，晶体管就处于截止区（、）。这时晶体管内只有反向漏电流流过，其数值极小。从图可见，在输出特性曲线上放大区与截止区的分界线就是对应的那条特性曲线，此时。在截止区，晶体管的基极没有输入电流，输出电压（C、E两端电压）非常接近于电源电压。2晶体管的开关波形和开关时间的定义（1）理想晶体管的开关波形当输入端是负电压（）时，晶体管截止，输出端是接近于电源电压的高电平。而当输入端是正电压时（），晶体管就进入饱和态，输出电压等于晶体管的饱和压降，即是低电平，如图（a）所示。（a）理想波形 （b）实际波形（2）实际晶体管的开关波形和开关时间的定义实际观察到的集电极电流和输出电压波形如图（b）所示。可见，同二极管的动态开关特性一样，晶体管的开关特性它也有一个时间上的延迟，即晶体管的开关是需要时间的。在晶体管开关过程中，各个阶段所需的时间定义如下 导通延迟时间：从输入信号变为高电平开始，到集电极电流上升到最大值的10%（）时所需要的时间。 上升时间：集电极电流从上升至所需的时间。 储存时间：从输入信号变为负脉冲开始，至下降到所需的时间。 下降时间：集电极电流从下降到所需的时间。上述四个时间总和称为晶体管的开关时间。通常把延迟时间和上升时间合起来，称为开启时间，即把储存时间和下降时间合起来，称为关闭时间，即通常的平面型开关晶体管（如3DK系列）的开启时间和关闭时间大致在几纳秒（ns）到几十微秒（s）范围内。同二极管一样，由于开关时间得存在，使晶体管得开关速度也受到了限制。3影响开关时间的因素（1）延迟时间延迟时间的长短取决于基极电流对发射结和集电结电容充电的快慢。所以缩短延迟时间的办法是： 减小发射结势垒电容； 减小集电结势垒电容； 增大基极注入电流，使势垒电容充电过程加快； 晶体管关断时，给基极施加的负脉冲幅度能可能小。（2）上升时间上升时间主要受基极驱动电流和发射结势垒电容、集电结势垒电容的影响。缩短上升时间的办法是： 减小结面积，以减小和； 增大基极注入电流，使势垒电容充电过程加快； 减小基区宽度，能减小基区所需的电荷积累，尽快建立所需的少子浓度梯度； 增大基区少子寿命，减小基区复合电流。（3）储存时间存储时间主要受存储电荷的影响，减小存储时间方法是： 减少超量储存电荷，即应减小基极驱动电流，避免晶体管进入深饱和状态； 增大基极抽取电流； 缩短基区电子寿命和集电区空穴寿命，使复合加快。（4）下降时间下降时间的长短取决于发射结势垒电容、集电结势垒电容、寿命和基极抽取电流。、越小，基极抽取电流越大，则下降时间就越短。4提高晶体管开关速度的途径从上可以看到，缩短四个开关时间的措施往往是矛盾的。我们必须折中考虑，抓住影响开关速度的主要因素。四个时间中，储存时间最长，缩短了也就大幅度地缩短整个开关速度。为了提高晶体管的开关速度，可从晶体管内、外两个方面加以考虑。（1）晶体管内部考虑 掺金更为有利。它既不影响电流增益又可有效地减小集电区少子空穴寿命，进而减少饱和时超量储存电荷，同时加速的复合。 在保证集电结耐压的情况下，尽量减薄外延层厚度，降低外延层电阻率。这样既可以减小集电区少子寿命，限制，又可以降低饱和压降。 减小结面积，这可有效地缩短、。 减小基区宽度，可使和大大降低。（2）从晶体管外部考虑 适当加大，可缩短和。但不能太大，太大会使饱和过深。 加大基极抽取电流，反向抽取快，可缩短和。 晶体管可工作在临界饱和状态。这样就不会有超量储存电荷，。 和一定时，选择较小的可使晶体管不致进入太深的饱和状态，有利于缩短。但太小会使增大，从而延长了和，并增加了功耗。 2.7 晶体管的反向电流与击穿特性晶体管有两个PN结，在一定的反向偏压下存在反向电流，并在反向偏压下高到一定程度时会发生反向击穿现象。晶体管的反向电流主要有：、。反向电流对晶体管的放大作用没有贡献，它消耗了一部分电源的能量，甚至影响晶体管工作的稳定性，因此希望反向电流尽可能小。晶体管的击穿电压有、及穿通电压。击穿电压决定了晶体管外加电压的上限。晶体管的反向电流与击穿电压标志着晶体管性能的优劣与使用的电压范围，它们都是晶体管的主