微电子器件(3-8)ppt课件

3.8电流放大系数与频率的关系,晶体管放大高频信号时，首先用被称为“偏置”或“工作点”的直流电压或直流电流使晶体管工作在放大区，然后把欲放大的高频信号叠加在输入端的直流偏置上。,当信号电压的振幅远小于(kT/q)时，称为小信号。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线性关系。,1,电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例）总瞬时值：其中的直流分量：其中的高频小信号分量：高频小信号的振幅：,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，所以可将小信号作为总瞬时值的微分来处理。仍以基极电流为例，即,或,2,随着信号频率f的提高，和的幅度会减小，相角会滞后。,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，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。,3,以PNP管为例，高频小信号电流从流入发射极的ie到流出集电极的ic，会发生如下变化：,ie,ipe,ipc,ipcc,ic,ie,ic,CTE,CDE,CTC,3.8.1高频小信号电流在晶体管中的变化,4,3.8.2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,基区中到达集电结的少子电流的高频小信号分量与从发射区注入基区的少子形成的电流中的高频小信号分量之比，称为高频小信号基区输运系数，记为。对于PNP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所引起。,5,(1)复合损失使的物理意义：基区中单位时间内的复合率为，少子在渡越时间b内的复合率为，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。这种损失对直流与高频信号都是相同的。,2、基区渡越时间的作用,(2)时间延迟使相位滞后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b，因此在的表达式中应含有因子。,(3)渡越时间的分散使减小,6,已知在直流时，现假定上述关系也适用于高频小信号，即,3、由电荷控制法求,基区中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。,基区,ipe,ipc,7,将代入略去后的空穴电荷控制方程中，,再将复合损失考虑进去，得,8,上式可改写为,一般情况下，,得,式中，代表复合损失，代表相位的滞后，代表b的分散使的减小。,9,由于采用了的假设而使的表达式不够精确，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结产生集电极电流ipc。,计算表明，这段延迟时间为，m称为超相移因子，或剩余相因子，可表为,5、延迟时间,对于均匀基区，=0，m=0.22。,10,这样，虽然少子在基区内持续的平均时间是b，但是只有其中的时间才对ipc有贡献，因此ipc的表达式应当改为,同时要在上增加一个延迟因子。,11,准确的表达式应为,6、基区输运系数的准确式子,定义：当下降到时的角频率与频率分别称为输运系数的截止角频率与截止频率，记为与。,12,当时，上式可表为,于是又可表为,13,3.8.3高频小信号电流放大系数,ie,ipe,ipc,ipcc,ic,ie,ic,CTE,CDE,CTC,14,1、发射结势垒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与发射极电流中的高频小信号分量之比，称为高频小信号注入效率，记为。对于PNP管，,ie,ipe,ipc,ipcc,ic,15,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电路由发射极增量电阻与电容CTE构成。,ie,re,CTE,e,b,流过电阻re的电流为,流过电容CTE的电流为,iect,ine,因此,ier,ipe,16,暂不考虑从基区注入发射区形成的ine（即假设）时，,再计入的作用后，得,式中，称为发射结势垒电容充放电时间常数。,ie,re,CTE,e,b,iect,ine,ier,ipe,17,2、发射结扩散电容充放电时间常数,本小节从CDE的角度来推导（近似式）。,假设即代入CDE，得,WB,x,0,QB,QE,qb=dQB,qe=dQE,ie,ipe,ipc,ipcc,ic,18,流过电阻re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电路由发射极增量电阻与扩散电容CDE构成。,流过电容CDE的电流为,ie,ipe,ipc,re,CDE,e,b,iecd,ier,因此,ipr,19,式中，,再计入复合损失后得：,暂不考虑基区复合损失时，,ie,ipe,ipc,re,CDE,e,b,iecd,ier,ipr,20,3、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速度vmax作漂移运动，通过宽度为xdc的耗尽区所需的时间为,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。,ie,ipe,ipc,ipcc,ic,21,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t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。,当集电区一侧感应出(-qc/2)时，将产生一个向右的电流,。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，所以ipcc成为,N,P,ipc,ipcc,xdc,qc,-qc/2,-qc/2,22,平均而言，,代入上式，得,式中，,称为集电结耗尽区延迟时间。,23,4、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数,当电流ic流经集电区体电阻rcs时，将产生电压icrcs。虽然vcb=0，但在本征集电结上（c与b之间）却有电压,N,P,CTC,rcs,ic,vcb=0,c,b,c,ie,ipe,ipc,ipcc,ic,24,总的高频小信号集电极电流为,式中，代表集电结势垒电容经集电区的充放电时间常数。,vcb将对CTC进行充放电，充放电电流为,25,5、共基极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率,上式没有PNP与NPN之分。式中，,26,称为信号延迟时间，代表信号从发射极到集电极总的延迟时间，则可写为,当时，,令,27,可见，在直流或极低频下，随着频率的提高，的幅度下降，相角滞后。,28,定义：当下降到时的角频率和频率分别称为的截止角频率和截止频率，记为和，即,29,这时与的区别仅在于用代替。,的频率特性主要由WB和决定，即,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fa1m，此时，,30,（2）对fa500MHz的现代微波管，WB500MHz的现代微波管，可忽略，这时,对于fa500MHz的晶体管，ec中以b为主，这时,37,当WB较大，fT较低时，提高fT的主要措施是减小WB。但当WB已很小时，仅靠减小WB来提高fT的作用就开始减弱。特别是当WB0.1m后，再减小WB对提高fT几乎不起多少作用，反而产生诸如提高rbb，降低VA等副作用。,38,实际测量fT时，不一定要测到使下降为1时的频率，而是在的条件下测量（可以大于1），然后根据，即可得到,由于上式，fT又称为晶体管的增益带宽乘积。,高频管的工作频率一般介于f与fT之间。,3、特征频率的测量,39,4、特征频率随偏置电流的变化,40,小电流时,随着IE或IC的增大，eb减小，使fT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，eb的影响变小，甚至可以略去。,大电流时，当基区发生纵向扩展WB时，使基区渡越时间b增加。同时，集电结势垒区厚度将减小WB，使集电结势垒