半导体器件物理12

1、（1）频率对晶体管电流放大系数的影响）频率对晶体管电流放大系数的影响 2.5 晶体管的频率特性晶体管的频率特性按工作频率范围通常把晶体管分为按工作频率范围通常把晶体管分为低频晶体管低频晶体管（只能在（只能在 3 MHz 以下的频率范围内使用）；以下的频率范围内使用）；高频晶体管高频晶体管（可在几十到几百（可在几十到几百 MHz的频率下使用）；的频率下使用）；超高频晶体管超高频晶体管（能在（能在 750 MHz 以上频率范围以上频率范围内使用的晶体管）。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晶体管交流特性和交流小信号传输过程导致这种现象的主要是晶体管中载流子的分布情况随交流信号导

2、致这种现象的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，输出电间内用于再分布的电荷也越多，即消耗的电流也越大，输出电流流 则越小，导致高频时电流放大系数下降。与此同时，交流则越小，导致高频时电流放大系数下降。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：发射个区：发射结、基区

3、、集电结空间电荷区、集电区。显然，完成上述的传结、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，输出电流频率的增高，不仅电流放大系数下降，输出电流 相对于输入相对于输入电流电流 也将产生相移。也将产生相移。晶体管工作频率较低时，电流放大系数基本上不因工作频率而晶体管工作频率较低时，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

4、大作用，并产生相位滞后。频率的升高而下降，直至失去电流放大作用，并产生相位滞后。icicie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，这些因素主要有些被忽略的因素开始起作用了，这些因素主要有 4 个：个： 发射发射结势垒电容充放电效应；结势垒电容充放电效应； 基区电荷存储效应（或发射结扩散基区电荷存储效应（或发射结扩散电容充放电效应）；电容充放电效应）； 集电结势垒区渡越过程；集电结势垒区渡越过程； 集电结势集电结势垒电容充放电效应。垒电容充放电效应。 （2）交流小信号传输过程）交流小信号传输过程直流

5、电流在晶体管内部的传输过程是：发射极电流由发射结注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主要有输出电流。在这个电流传输过程中主要有 2 次电流损失（对理次电流损失（对理想情况）：想情况）： 与发射结反向注入电流的复合；与发射结反向注入电流的复合； 基区输运过基区输运过程中在基区体内的复合。程中在基区体内的复合。1）发射过程）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

6、空间电荷区宽度将随着信号电压的变化而改变，因此需要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放电，转换成基极电流的一的一部分电子通过对势垒电容的充放电，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，使发射效率失，使发射效率 降低。由于对发射结势垒电容充放电需要降低。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。一定时间，因而使电流发射过程产生

7、延迟。0设发射结势垒电容充放电时间常数为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。，称为发射极延迟时间。一般发射极延迟时间为：一般发射极延迟时间为：E)0()45 . 2(TEEBECIqTk零偏压时发射结势垒电容值零偏压时发射结势垒电容值 )0(TEC2）基区输运过程）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，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，注入交变电压叠加在发射结直流偏压上，使结偏压升高，注

8、入基区的电子增加，使基区电荷积累增加。因此，注入到基基区的电子增加，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区的电子，除一部分消耗于基区复合而形成复合电流 外，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，到达集电结的有用也转换为了基极电流的一部分。因此，到达集电结的

9、有用电子电流减小，即基区输运系数电子电流减小，即基区输运系数 下降。下降。*TiVB设电子在基区的输运时间为设电子在基区的输运时间为 。假设基区中。假设基区中 处，注入少子处，注入少子电子的浓度为电子的浓度为 ，以速度，以速度 穿越基区，形成的电流为：穿越基区，形成的电流为：Bx)(Bxn)(xv)()()(BnBxvxnAqxI载流子穿越基区的时间为（注意载流子穿越基区的时间为（注意 ）xxxIxnAqxxxvd)()(d)(1BB0nBB0Btxvxd)(d DxxxxxDxnB2BB0nBBB2d1BxxTkVqnxnBBE0BB1exp)(TkVqxnDqAIxIBEB0BnBnEnB

10、exp)(又又 代入上式，可得代入上式，可得3）集电结势垒区渡越过程）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

11、集电结势垒渡越时间率较高以致集电结势垒渡越时间 可与信号周期相比拟时，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。在这一过程中，不仅信号幅度将降低，也会产生相位滞后。D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场超过临界电场强度 时，载流子速度就达到饱和，时，载流子速度就达到饱和，载流子将以极限速度（饱和速度）载流子将以极限速度（饱和速度） 穿过空间电荷区。穿过空间电荷区。cm/V104

12、vss /cm105 . 86sv对于硅：对于硅：对于锗：对于锗：s /cm1066sv设集电结空间电荷区宽度为设集电结空间电荷区宽度为 ，则载流子渡越集电结空间电，则载流子渡越集电结空间电荷区的时间为：荷区的时间为： xmvxsmD4）集电区传输过程）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极电流 ，这是因为交变电流在通过集电区时，会在体电阻，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

13、结空间电荷区宽度随着交变信号的直流偏置电压上，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，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流的一部分。对势垒电容充放电的时间常数设为 （也称为（也称为集电极延迟时间）。集电极延迟时间）。 icC 发射结发射过程中的势垒电容充放电电流；发射结发射过程中

14、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；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。集电区输运过程中对集电结势垒电容的充放电电流。综上分析可以看到，与直流电流传输情况相比，在交流小信综上分析可以看到，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，增加了号电流的传输过程中，增加了 4 个信号电流的损失途径：个信号电流的损失途径：这这 4 个途径损失的电流随着信号频率的增加而增大，同时使个途径损失的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

15、电流增益随频率升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。高而下降。 2共基极交流放大系数及其截止频率共基极交流放大系数及其截止频率共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数 定义为：在共基极连接时，集电极定义为：在共基极连接时，集电极输出交流电流输出交流电流 与发射极输入交流电流与发射极输入交流电流 之比，即：之比，即：ieic)(CBec常数Vii设发射极到集电极总延迟时间为设发射极到集电极总延迟时间为 ，则交，则交流小信号共基极接法电流放大系数可表示为：流小信号共基极接法电流放大系数可表示为：CDBEECff/j1/j1j100EC0式中：式中： ； 直流或低频共基

16、极电流放大系直流或低频共基极电流放大系数；数； 信号频率。信号频率。 f21EC0f（1）交流放大系数）交流放大系数前面分析表明，电流放大系数的幅值随频率升高而下降，相位前面分析表明，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。当频率上升到滞后则随频率升高而增大。当频率上升到 时，时， 降到降到其低频值的其低频值的 倍（即倍（即 ），此时的频率），此时的频率 称称为共基极截止频率（或为共基极截止频率（或 截止频率），其值为：截止频率），其值为：ff2/102/1f)(2121CDBEECf对于一般高频晶体管，由于基区宽度较宽，对于一般高频晶体管，由于基区宽度较宽， 往往比往

17、往比 、 、 大得多，所以通常在大得多，所以通常在 时，时，4 个时间常数中，个时间常数中， 往往起主要作用。往往起主要作用。 BEDCMHz500fB（2）截止频率）截止频率f3共发射极交流放大系数及其截止频率共发射极交流放大系数及其截止频率共发射极交流电流放大系数共发射极交流电流放大系数 定义为：在共发射极连接时，定义为：在共发射极连接时，集电极输出交流电流集电极输出交流电流 与基极输入交流电流与基极输入交流电流 之比，即：之比，即：icib)(CEbc常数Vii由关系式由关系式 可得：可得：iiibceeeececcecbc1/1/iiiiiiiii其中：其中：)(CEece常数Vii（

18、1）交流放大系数）交流放大系数对于一般的晶体管有对于一般的晶体管有 ，因此，因此 可近似认为是共基极小可近似认为是共基极小信号电流放大系数，从而可得信号电流放大系数，从而可得ee11ee（用到（用到 ， ）ff/j100011)/( j1100ffff/j100ff（其中（其中 ）（考虑到（考虑到 ）)/( j100ff10可见，共发射极小信号电流放大系数可见，共发射极小信号电流放大系数 与与 一样，其幅值随一样，其幅值随频率升高而下降，相位滞后随频率升高而增大。频率升高而下降，相位滞后随频率升高而增大。 （2）截止频率）截止频率f)(21CDBE00ff一般晶体管的一般晶体管的 是比较大的，

19、可见，共射极电流增益截止频是比较大的，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，即率比共基极电流增益截止频率低得多，即 ，这也说，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。放大器的带宽大得多。 0ff当频率升高到当频率升高到 时，时， 下降到低频或直流值下降到低频或直流值 的的 倍（即倍（即 ），这时的频率），这时的频率 称为共发射极截止频称为共发射极截止频率，其值近似为：率，其值近似为：ff02/1f02/14晶体管的频率特性曲线和极限频率参数晶体管的频率特性曲线和极限频率参数（1）

20、频率特性曲线）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）的情况下测定的，对于共发射极接法通常用 表表示；对于共基极接法通常用示；对于共基极接法通常用 表示。慢慢升高测量频率，测表示。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，可得到如上图所示的晶为纵坐标，以频率作为横坐标作图，可得到如上图所示的晶体管频率特性曲线。体管频率特性曲线。00电流放大系数的分贝（电

21、流放大系数的分贝（dB）值定义为：）值定义为：lg20)(分贝lg20)(分贝从图可以看出，在低频范围内，电流放大系数等于低频时的从图可以看出，在低频范围内，电流放大系数等于低频时的 （或（或 ），而当频率进一步升高时，它们就开始下降。），而当频率进一步升高时，它们就开始下降。00 （也称（也称 截止频率）：截止频率）：是当共基极电流放大系数是当共基极电流放大系数 下下降到低频降到低频 的的 （或（或 0.707）倍时所对应的频率。此）倍时所对应的频率。此时时 的分贝值下降的分贝值下降 3dB。 （也称（也称 截止频率）：截止频率）：是当共发射极电流放大系数是当共发射极电流放大系数 下降到低频

22、下降到低频 的的 （或（或 0.707）倍时所对应的频率。）倍时所对应的频率。此时此时 的分贝值下降的分贝值下降 3dB。 f02/1f02/1从从 的定义可知，当的定义可知，当 时，时， 将下降到将下降到 以下，以下，但电流放大系数仍有相当高的数值。例如，设晶体管的但电流放大系数仍有相当高的数值。例如，设晶体管的 ，当，当 时，时， ，所以，所以 并不并不能反映实际晶体管的使用频率极限。能反映实际晶体管的使用频率极限。fff0707. 01000ff7 .702/0f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，引入特征频率频率 ，定义为

23、：随着频率的增加，晶体管的共发射极电流定义为：随着频率的增加，晶体管的共发射极电流放大系数放大系数 降到降到 1 时所对于的频率。时所对于的频率。fT当当 时，时， ，晶体管有电流放大作用；，晶体管有电流放大作用；当当 时，时， ，晶体管就没有了电流放大作用。，晶体管就没有了电流放大作用。ffT1ffT1特征频率特征频率 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。重要依据，也是晶体管电路设计的一个重要参数。 fT（2）特征频率）特征频率fT11T22/10ffff/j10根据定义，由根据定义，由 可得可得（注

24、意到（注意到 ）ff0T120fff0T0ff（前面结论（前面结论 ）当工作频率比当工作频率比 大很多（如大很多（如 ）时，可得：）时，可得：fff5ffff022/101所以有：所以有：fff0T可见，当工作频率比可见，当工作频率比 大得多时，工作频率与电流放大系大得多时，工作频率与电流放大系数的乘积是一常数，且该常数为数的乘积是一常数，且该常数为 。因此只要在比。因此只要在比 大大得多的任何一个频率得多的任何一个频率 下测出下测出 ，两者相乘即可得到，两者相乘即可得到 。 ffTfffT（3）最高振荡频率）最高振荡频率fM 反映了晶体管具有电流放大作用的最高频率，但还不能表反映了晶体管具有

25、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，输入信号电流为为 ，输出电流为，输出电流为 。在频率较高。在频率较高时，晶体管的输入阻抗基本上等于时，晶体管的输入阻抗基本上等于基区电阻基区电阻 ，故输入功率为：，故输入功率为：fTibicrbriPb2bi负载上得到的功率（输出功率）为：负载上得到的功率（输出功率）为：RiPc2c0所以功率放大倍数（功率增益）为：所以功率放大倍数（功率增益）为：rRrRiiPPGbc2bc2b2ci0p可见，尽管在可见，尽管在 时，时， ，但负载电阻，但负载电阻 可以比可以比 大得多

26、，所以仍可有大得多，所以仍可有 ，即晶体管仍有功率放大能力。，即晶体管仍有功率放大能力。ffT1Rcrb1pG但当频率继续升高时，但当频率继续升高时， 的数值不能取得太大了。这是因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，这称为相等，这称为阻抗匹配阻抗匹配。由于晶体管的集电结电容。由于晶体管的集电结电容 是并是并联在输出端的，随着频率升高，联在输出端的，随着频率升高， 的容抗减小，输出阻抗的容抗减小，输出阻抗也变得越来越小，因此也变得越来越小，因此 的取值也要减小。同时在高频率的取值也要减小。同时在

27、高频率时，也要继续下降，可能比时，也要继续下降，可能比 1 小很多，这样就使得高频时小很多，这样就使得高频时 下降，频率足够高时下降，频率足够高时 将小于将小于 1。RcCcCcRcGpGp晶体管输入输出阻抗各自匹配时，功率增益可达到最佳，表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：示为：随着频率的升高，最佳功率增益随着频率的升高，最佳功率增益 将下降。将下降。 时对时对应的频率称为晶体管的最高振荡频率，用应的频率称为晶体管的最高振荡频率，用 表示。表示。Gpm1pmGfMfCrfG2cbTpm8 在在 式中令式中令 ，可得，可得 为：为：1pmGfMCrffcbTM8 可见，

28、晶体管的最高振荡频率主要取决于其内部参数，即晶可见，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。体管的输入电阻、输出电容及特征频率等。 表示晶体管表示晶体管真正具有放大能力的极限。真正具有放大能力的极限。fM由由 式还可得到：式还可得到：CrfffGcbT2M2pm8 称为晶体管的高频优值，这个参数全面反映了晶体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。频功率晶体管设计和制造中的重要依据之一。 fG2pm（4）影响特征频率的因素和改进措施）影响特征频率的因素和改进措施从前面分析可知，晶体管的特性频率从前面分析可知，晶体管的特性频率 是晶体管的一个重要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，了解影响有关。所以，对器件设计