晶体管原理-B21

1、半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-1-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管第二节第二节 晶体管的频率特性晶体管的频率特性1.概述概述晶体管中高频小信号电流的变化bbeccieiCTECDECTC晶体管中电容v小信号小信号条件下：信号电压的振幅远小于(kT/q).v 符号说明符号说明BBbiIi直流分量小信号分量小信号分量幅值总瞬时值tjbbeIi信号角频率v两个结果两个结果：电流增益下降与信号延迟半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics

2、 Circuit & System-2-v 小信号电流的四个阶段变化：小信号电流的四个阶段变化： 第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管-.晶体管的频率特性高频小信号电流在管中的变化eincinccineicieincinccicinei(1)发射区复合发射区复合(2)势垒电容充放电势垒电容充放电(1)基区复合基区复合(2)扩散电容充放电扩散电容充放电集电结宽度的影响集电结宽度的影响集电结势垒电容的影响集电结势垒电容的影响半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-3-v定义定义: :输出端

3、对高频小信号短路（vcb=0，但VCB0）条件下的共基极高频小信号短路电流放大系数为- 0cnencnccccbeenencncciiiiiviiiii第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性n cn eii2.基区输运过程基区输运过程基区输运系数与频率关系 定义定义高频小信号基区输运系数:0 少子寿命 ,单位时间复合几率（ ），在基区逗留时间 内复合损失占少子总数 ，则到达集电极的未复合少子占进入基区少子总数的（ ），即直流输运系数，是 中的因子,记为nB1/nBb/bnB1/bnB1)1)渡越时间的作用渡越时间的作用(1)复合损失使得复合损失使得 小于小于10半导体

4、器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-4-(2)(2)渡越时间的分散使得渡越时间的分散使得 减少减少 少子在基区的运动是热运动基础上叠加扩散(+漂移)第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性(3)时间延迟使相位滞后时间延迟使相位滞后 中应包括 : 集电结上输出信号电流比从发射结输入信号电流在相位上滞后了 .bjebBncbQIbncbqi1/bBQ2)电荷控制法求电荷控制法求 的意义：注入基区的每个少子，单位时间内被集电结取出的几率。基区少子总电荷 ，单位时间被集电结取走的电荷即

5、 对于交流小信号:半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-5-基区少子高频小信号电荷控制方程电荷控制方程:加入基区复合损失：1()2211bj tgoobbej第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性ncj tnciI e3) 延迟时间与超相移因子延迟时间与超相移因子实际上，当发射结刚向基区注入少子时，集电结并不能立刻得到的电流。/bbqncbtjncbncbbncneijjeIdtdidtdqiibnencjii11半导体器件原理2009.06.22Institute of

6、 Microelectronics Circuit & System-6- 少子从发射结注入基区后，经过 的时间后能达到和定态一样的分布。在延迟时间 内，集电结还取不到少子电流。超相移因子超相移因子或剩余相因子剩余相因子 第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性1.22bbbdBv则集电结取走少子的平均时间实为: v集电极电流比发射极电流再滞后一个相角:dB令令:0.22bbdBbbm*1dBjobej 基区输运系数的精确式为基区输运系数的精确式为:BBbdBDW218. 018. 02dB半导体器件原理2009.06.22Institute of Microe

7、lectronics Circuit & System-7-m m物理意义物理意义:发射极电流的变化，不能立即反映为集电极电流的变化，必须经过 的相位滞后，集电极电流才会变化,其后的相位滞后才由基区渡越时间所引起。m就是由基区渡越时间所引起的相移之外再附加部分因子。*0*1bmjbejbm第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性bmmjbemj1*011*11bbm*122bmf*11fjmjmfooeefjjf_半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-8-4)4)

8、在复平面上的表示在复平面上的表示*第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性复平面上，半圆上P点轨迹就是 ,点A是直流输运系数 ， ， 向点0移动。*0(0)* 考虑超相移因子考虑超相移因子m m时时, ,将 替代 ,再延迟一个角 .OBOBOBOAOP2*01bjbbj11*0222*02*0半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-9-5)5)缓变基区晶体管的缓变基区晶体管的*第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性忽略扩散时忽略扩散时BBsdBDW2

9、0b考虑漂移、扩散时考虑漂移、扩散时0.22 0.0981.22 0.098dBb11.220.098bbdBb0.220.098m*00*11bjmjmbeejj*11.220.098bbbm1半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-10-3.3.高频小信号电流放大系数与频率的关系高频小信号电流放大系数与频率的关系第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性v现代微波晶体管基区宽度亚微米，高频下必须计及结势垒电容、集电结势垒区宽度等的影响1)1)发射结势垒电容充放电时间常数发射

10、极延迟时间常数发射极延迟时间常数enepeiiereTeCiTeCei发射极支路小信号等效电路EebeIekTqrvi发射结增量电阻()TeCnepeeTeCiiirj半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-11-2)2)发射结扩散电容充放电时间常数发射结扩散电容充放电时间常数Dbebb nceebebebCqqqi()ebenepee ncr iiriv发射结扩散电容充放电时间常数就是基区渡越时间发射结扩散电容充放电时间常数就是基区渡越时间第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频

11、率特性发射结的小信号等效电路对CDE的充放电电流:则:beDEnencjrCjii1111bj1*0*nceDEncbebDEebDECirCjijvCjdtdvCiDE半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-12-3)3)集电结势垒区延迟集电结势垒区延迟/ /渡越时间渡越时间/tdcmxv第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性nccdncii少子越过集电结势垒区时间定义：集电结势垒区输运系数 少子以有限速度通过势垒区时，改变势垒区的空间电荷分布，即改变势垒区内电场分布，产

12、生位移电流， 产生电场的电力线终止于耗尽区边缘中性区上，有附加的正电荷来终止，对于集电区，就有电子离开那里流向集电极,形成传导电流 。nccidx211tdjjnccdncdieeij222 sin()12()ttttjjnccncncncjttjeiiieijej半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-13-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性4)4)集电极延迟时间常数集电极延迟时间常数 集电结势垒电容充放电时间常数csr：轻掺杂外延层，存在一定的体电阻C：紧靠势垒区的

13、本征集电极，内电极定义：定义： 集电极衰减因子ncccciic集电区小信号等效电路bTCCcsrcic0cbvncci 一部分对 充电,一部分经 流到外电路11cccccciiijTCCcsr充放电电流为充放电电流为:ccsTCccsTCbcTCccirCjdtdirCdtdVCicsTCcrC半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-14-01()bjmnencncccenencnccebcdiiiieiiiij第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性5)5) 共基极高频小信

14、号短路电流放大系数与截止频率共基极高频小信号短路电流放大系数与截止频率 为极低频或直流小信号共基极短路电流放大系数，或共基极增量电流放大系数。*000EEECecdIdIdIdIii0ECII（1）信号延迟时间）信号延迟时间ec定义：载流子从流入发射极开始到从集电极流出为止总渡越时间。0221()ecjecbem1bbbbmm半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-15-（2） 截止角频率截止角频率 、截止频率、截止频率 f11()1becdecbmm12 ()1becdfm 01bjmefjf （

15、下降了3dB）时的角频率 、频率分别称为截止角频率、 截止频率。02定义：第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性6) 共发射极高频小信号电流放大系数与特征频率共发射极高频小信号电流放大系数与特征频率（1）定义：集电结对高频小信号短路（vbc=0, VBC0）条件下的 ic与ib 之比为共射极高频小信号短路电流放大系数半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-16-0001第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性极低频或直流小信号共发射极短路电流放大系数

16、、或共发射极增量电流放大系数 下降到 （下降3dB)时的角频率、频率分别称为的截止角频率截止角频率、截止频率截止频率 * 截止角频率 、与截止频率 定义:f0/2001100020011 ()ejececej 00又 ，c00001111ecvbcjiicb半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-17-0011ecec 即：012ecf 第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性0011fjjfv500MHz时，Wb较小，只占 中很小一部分，可忽略 fbec bm0001(1)

17、bm v比 截止频率低的多半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-18-（）晶体管的（）晶体管的特征频率特征频率01fjff增一倍降一半，或改变10lg2-1=-3dB ，功率正比于电（倍频程）流的平方，则功率增益降1/4,或改变20lg2-1=-6dB1时的频率，称晶体管的特征频率晶体管的特征频率fT00012Tecff 第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性0f f时,半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circ

18、uit & System-19-其中， ，IE 或 IC , fT ， IE 或IC 很大时，e 的影响很小，可略去；大注入时，基区扩展，b 增加更多，集电结势垒区减小，势垒区延迟 d 减小的少一些，故 IC 很大时，fT 随 IC 增加而下降。第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性（4 4）提高特征频率的途径）提高特征频率的途径 一般高频管中，四个时间常数以 最长，减小 是提高的主要途径 减小 减小 减小bbTfedccdbeecTecTff2121（3）电流对）电流对 fT 的影响的影响TEETEeeCqIkTCr半导体器件原理2009.06.22Inst

19、itute of Microelectronics Circuit & System-20- 当晶体管用于小信号高频放大时，小信号电流、电压之间的关系是线性线性方程方程，其系数不随信号大小变化的常数，这些系数称为电路参数电路参数。选取自变量不同，描述各变量间关系的方程形式就不同，电路参数也不同。第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管-2.晶体管的频率特性4. 晶体管的高频参数与等效电路晶体管的高频参数与等效电路 利用电荷控制方程，可以得出用振幅表示的共基极高频小信号电流电压方程为:cbbemeVrVCjgI01cbbemcVCjrVgI01DETECCC0eDETCrCCCr-表示

20、发射结扩散电容和势垒电容并联01BECVCBIrV:集电极增量输出电阻0r1cBccmVBEeIqIgVkTr-晶体管的转移电导，跨导，表示集电极电流受发射结电压变化的影响。半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-21-将晶体管等效为一个线性二端口网络如下图:第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管-2.晶体管的频率特性1I2I1V2V211101VmIYgj CV11120201VIYVr222101VmIYgV12220201VIYj CVr111 112 222122 2IY VY VIY

21、V Y V1CErESCTECDeY12VCY21VeCDCCTCrCS本征Y参数等效电路共基极Y参数等效电路半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-22-功率增益 ：晶体管对信号功率的放大能力.PG最高振荡频率 ：晶体管对信号功率放大能力的极限.Mf第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性1)最大功率增益接有负载阻抗ZL的共射极高频等效电路图BIbrbbBreEbIZLCCTCIcC12TcTCf最大输出功率:221max22()(2)28bTboTTCTCIf IPf C

22、Cf输入功率:Pin=rbb Ib2最大功率增益：maxmax28oTpinbbTCPfKPr Cf5.5. 高频功率增益和最高振荡频率高频功率增益和最高振荡频率半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-23-2)最高振荡频率最高振荡频率2max8TpbbTCfMKfr C晶体管的高频优值晶体管的高频优值 : 与频率平方的积MpG第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的频率特性Mf： 下降到1时的频率maxpK12()8TMbbTCffr Cmax28 ()TpbbTeTCfKrf L

23、 Cf1218 ()MbbTeTCfrf L C频率达几千兆赫以上时，要加入管壳寄生参量的影响，主要的是发射极引线电感 的作用.eL3) 提高功率增益的途径提高功率增益的途径 （1）提高 fT 2） 减小基极电阻 rbb （3） 尽量减小结面积（4）尽量减小发射极引线电感和其他寄生参数 （5）选用合适的管壳半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-24-1.大注入效应大注入效应BBBnNP第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管1) 基区电导调制效应基区电导调制效应 大注入时，注入到基区的少子不能忽

24、略，为维持电中性，相应增加的多子浓度不能忽略，在基区中建立了和注入少子有同样浓度梯度的多子分布，从而使基区电阻率显著下降，产生基区电导率受注入电流调制的基区电导调制效应基区电导调制效应。2)自建电场自建电场 为维持基区多子分布，在基区产生由集电结指向发射结的电场 ，称大注入自建电场大注入自建电场。bEdxdPPqkTEdxdPqDEqPJBBBpBpBBp10空穴动态平衡时：注入EnNnEnNNdxdnnnNndxdNNnNNqkTBBBbBBBBBBBBBBBBB11第三节第三节 晶体管的功率特性晶体管的功率特性半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelect

25、ronics Circuit & System-25-积分:第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管-.晶体管的功率特性dxpndpqDdxdnpdxdpnpqDBBBnBBBBBBnB)(dxdndxdppnqDdxdnqDEqnJBBBBnBBnBnBBn基区少子电流：00 xBBWxBBnBWBnpnpnqDdxpJBB3)基区渡越时间与输运系数基区渡越时间与输运系数发射结注入基区电子(少子)流:BBBWBBBnBEWBWxBBxBBnBEndxppnqDAdxppnpnqDAI000)0()0(qkTVBE/0BCV半导体器件原理2009.06.22Institute of

26、Microelectronics Circuit & System-26-00(0) (0)bbWWbBpdxndxD pnBn基区少子总量Q少子电流I基区输运系数基区输运系数0011(0) (0)bbWWbBBBpdxndxDpn 基区渡越时间基区渡越时间适用于基区任意注入强度与任意杂质分布对于基区小注入并且均匀掺杂2212BBWL 22BbBWD第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性大注入时dxdnDqdxdnqDdxdnnqkTnqJnBnBnBn)2(1半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Cir

27、cuit & System-27-与缓变基区小注入时相比：221(1)2BbBWeD时，两式相等2.56则对于缓变基区晶体管，2.562.56时，大注入使时，大注入使bb大注入时:24BbBWD2214BBWL v无论基区是否均匀掺杂，基区少子形式完全由扩散电流构成，与均匀基区小注入相同，只扩散系数DB扩大了一倍，即Webster效应第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-28-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶

28、体管的功率特性发射结注入基区电子流:BWBBBnBEndxppnqDAI0)0()0(同理，从基区注入发射区的少子空穴流：2()exp()EiEBEPEEOA qnDqVIQkTbnBBkTqVnBiEWBEkTqVnBiEIQeDqnAdxpqAeDqnABEBBE0/20/2)()(4）注入水准对电流放大系数的影响注入水准对电流放大系数的影响半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-29-*小注入：111EBBOEBEEOBD QRD QR得*小电流时下降，是基极电流中发射结势垒区复合电流比例增大

29、所致CI1uA100mA100uA200400第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性则注入效率：()11EBBOnbPnBEEODQIIID Q 0BBbnQI*大注入：22114EnbEBCBEEOBEEOD ID WID QD Q 得0BBbnQI12222144EBCBBBEEOD W IWLD Q半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-30-2. 有效基区扩展效应基区扩展效应 - 大电流下，晶体管的有效基区宽度随注入电流的增加而扩展的现象，也称为克尔克（Kirk）效

30、应。 当少子电子以有限速度经过集电结势垒区时，电流很大时，对空间电荷有改变，从而改变势垒区电场分布。势垒区中轻掺杂N- 一侧中泊松方程:1）注入电流对集电结电场分布的影响注入电流对集电结电场分布的影响第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性*集电结势垒区全部退出基区,左边界移到集电结冶金结界面处,此时JC记为JCH，称强电场下的临界电流密度临界电流密度.sCnNqdxdE)(半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-31-2）强电场下的基区纵向扩散强电场下的基区纵向扩散)/(m

31、axqvJnCH单边突变结1202ADDADmNNVqN Nx120max2()()biCBCCHCVVWJqNqV第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性0max22()CBCCVqVNqWbiCBVVCCCBbiCHNqWVVqvJ20max212maxmax1CHCBCCCJqvNWWJqvNv基区扩展量：半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-32-3 3）弱电场下的基区纵向扩展弱电场下的基区纵向扩展ebPcNCWBWCBWWN在电流密度下JC，N-区域上未耗尽区d1

32、上的压降 V1为:1CCVJ1d弱电场下的临界(pn结电压为零)电流密度为：CBCBCLnCCCCVVJqNWWCCLJJ集电结正偏， 主要降在 区域内的电阻上CBWWCBV()CBCCCBVJWW(1)CBCLBCCCCCVJWWWJJ第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性v条件条件:VCB较低,WC较大N-半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-33-4 4）基区扩展对基区扩展对 的影响的影响 当JCLJCH 时 基区纵向扩展时，基区集电结势垒区边上的少子浓度已经很高，

33、必须向周围非工作基区扩散，使基区有效面积变大。第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性基区横向扩展：基区横向扩展：CCBEEEOBIIIWWDQDCLC22)(4CCCLCBEEEOBCBEEEOBIIIWWDQDIWDQD2222144发生基区扩展时半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-34- 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大 。 第三章第三章

34、 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性1)集边效应集边效应3.3. 发射结电流集边效应发射结电流集边效应基极电流IB(y)在dy段电阻上产生的压降为： 集电结零偏时发射极电流：()expBEEESq VVJJkT 1)(BeBEEERldyyIkTqyJdVkTqyJydJ口1)(BeBRldyyIdV口半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-35-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性设发射极条很宽,有边界条件: 0,0/,0,BBCIdydIJy时112)

35、0(1)(ykTlqRIyIeBBB口 201)0()()()(yyJdyydIlyJyJldyydIEBeEEeB ,20)0(221eBBEkTlIRqJ口2/110)0(2EBJqRkTy口 dyydIkTlRyqIdyydJldyyIdBeBBEeB122口 yJldyydIdylyJydIydIEeBeEEBIB(y)的表达式：其中: 半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-36-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性2/10BKWy 2/1121npK其中v大注

36、入时大注入时v电流集边效应使工作基区局限在发射结边缘下面,基极电流流经的路程缩短,因此基极电阻将减小.10106122BBbbRlyRlyr口口时02 ySe2)发射极有效条宽发射极有效条宽00)0()(EeEeEJyldyyJlI3)电流集边效应对电流集边效应对 及及rbb的影响的影响CECBEEEOBCCBEEEOBJAWWDQDIWWDQD22224422CCBIWW)/(0ylIJeCC半导体器件原理2009.06.22Institute of Microelectronics Circuit & System-37-第三章第三章 双极结型晶体管双极结型晶体管- .晶体管的功率特性4)4)发射极单位长度的电流容量发射极单位长度的电流容量单位发射极长度内不发生大注入效应和基区扩展效应的最大电流。记为i02/11002BCRCRqRkTJyJi口eCLiI0