微电子器件考研1减小口B1与B2即增大基区掺杂结深但这

双基极条

d

Sb

口

口B

口

1

1lndB

圆环行基极

口

口B (d2d2 降低rbb的措施减小R口B1R口B2，即增大这会β，降低发射结击穿电压与提高发射结势垒电容。无源基区重掺杂,以减小R口B3CΩ为什电 放大

20lg系2数2（ 0

6分贝/

1

2f直流电流在BJT中的传输过程.与2下面定性分析交流电流在晶体管内部的传输过请画出二极管的PN请说明工作于正偏模式BJT时存在的集电结扩散电NPN集集电结扩散电NPN集电结势垒电发射结势垒电发射结扩散电一、高频小信号电流在晶体管中的传输过程直流情况下的两发射ie1ieie交流时发射极总电流ieineipe交流发射结注入效率为基区输运r电子电流inei1iiineincinr交流基区集电结势垒区渡越到达到达集电结边界的电子电流inc，在通过集电结势需要一定的传输时间（渡越时间）当交流信号的周期与集电结势垒区渡越时间相流信号穿过该势垒区就会幅度降低、相位滞后集电结空间电荷区输dii'集电区传输cT。集电极icci'总结：交流小信号电流传输过程中，增加的四个电流发射放电效应） 集电结势垒区渡越过程中的衰减（集电结势垒区渡越过程集电） i

d

i PNPPNP 发射极的ie到流出集电极ic，会生如下变ie

ii

ipc

vbe

一些说本节讨论的都是小信号：信号电压的振幅远小于(kT/q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 以、、

分别代表高频小信号的发射都是复数。对极低的频率或直流小信号，即ω0时，它们分别成为、、 电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例总瞬时其中的

iBIB其中的高频小信号分量：

Iejt

bbbb

jIej

ji高频小信号的振幅 ib ibdI二、基区输运系数与频率的1、高频小信号基区输运系数的把基区中到达集电结的高频小信号少子电流ipc与从发射结刚注入基区的高频小信号少子电流ipe之比，称为高频小信号基区输运系数，记为β*，

PPNP基区输运系数随频率的变化主要由少子的基区渡越时间所引ω输运系数β*可从求解连续性方程入手，具体可参 、张福海著《晶ω管原理》（国防工 ，2002年）。本处采用电荷 2、基区渡越时间τb的作复合损失β0*<β0*的物理意义：基区中单位时间内的复合率(1/τB)，少子在渡越时间τb内的复合率为(τb/τB)，因此达集电结的未复合少子占进入基区少

是β0*。这种损失对直流与高频时间延对角频率为ω的高频信号，集电结处的信号比发相位上滞后b，因此在β0*的表达式中应子ejb渡越时间的分散 减3、由电荷 求空穴的电荷控制方程ipe

dqb B当暂不考虑复合损失时，可先略去复合项 B已知在直流时有：I b假定上述关系也适用于高频 或

代入略B

后的空穴电荷控制方程中，得 j

(1j

i 基基

i 1j再将复合损失考虑进 1j上式可改写为

e j be11 bb一般情况1,bb

1,tg

b,得0上式中0

1 ejb1 b

代表复ejb代表相位 1

代表τb的分b

的减小4、延迟时间与超相移因子； 的精确式由于采用了i

的假设而使 的表达式不够精确况下，从发射结注入基区的少子电荷qb，要延迟一段时会在集电结产生集电ipc计算表明，这段延迟时间可

1

式中m称超相移因子，或剩余相因子m0.22b延迟时这样，虽然少子在基区内持续的平均时间是τb，b延迟时 b 1

1时间才对ipc有贡献，因ipc的表达式应当改为ipc

qb b 1 e 于是精确的表达 e

e

jm1

jmb 1b

1

1定义：

|

|下降

时的角频率与频率分20输运20

止角频率截止频率，记

*与f 1 bb

1于是又可表为

f 0jm* ejm f1je1ff当 时，上式可表为 jm

j 1()1()1()

*

ejb上式中b

2W W

2 1

e W

211 对于均匀基区

2 2b b2DB1、发射结势垒电容充放电时间常数ieb发射结ieb

和发 gD 势垒电容CTE的并联。其中ine＋ipe是同时经过re的电流，iectCTe充放电形成的分流电流，根据并联关ieb流过电阻

的电

流过电容CTE的电流

CTE

dveb

jCTE

1/ieb由注入

1 1j

上式中，τeb=CTEre，称为发射结势垒充放电时间常数2、发射结扩散电容充放ipe本小节从

的角度来推导（近似式）Qe=Qe=Qb=QEx

dQdV

dQdVdQ dV假设 qb,即 ,代入 ，得

b

ipc 等效电路是电阻re1 与电容

的并iieieib流过电阻 的电流为 r re流过电容 的电流为 dv j

可表为

veb(1jCDere)ier(1jC r

e

eib当暂不考虑基区复合损失时，iereib间流动而对ipc无贡献，因而i i i

1jCDe上式中

CDere

ipc

re

再计入复合损失后得：

1j这与不含超相移因子的的近似式完全一3、集电结耗尽区延迟时间以饱和速度vmax作漂移运动，通xdc的耗尽区所需的

xv

xd×

v运动的空间电荷，在其所在处产生传导电流（流），在其所在处前后产生位移电流，在耗尽区外感电流电流平均表现。不同区域的不同形式的电流保证了电流的连续下面求集电结耗尽区延迟时间为了求得电流与运动电荷的关系，假设在耗尽区内的处，有厚度为dx电荷面密度为Q1ρdx的极薄的一层电荷场Ef，在其后方产生附加电场EbEEf(xdcx)Ebx围绕薄层电荷Q1，选一封闭曲面，根 定理，Ef

f f Q1 Q1bxsxEfsbsQ1x上，使xdc处上感应出相应的负电荷。即附加电场使xdc上有相应的空穴离开流向电极，形成ii )1cxvt若由基区输运至集电结势垒区边界x=0处的交变载流子(0,t)ipc(x,t)(0,tx (tx))ij eQAxc(0,t)ej v0dxAc(0,t)max(1ejtvt时刻势垒区内x＝vmaxt处的载流子浓度ρ（x,t）将上式在整个势垒区内进行积分并乘以q，即得势垒的运动电将此式代入前 ，得在t时刻，集电极电流上由感生而生的传导iipcc(xdc,t)Acq(0,1eipc1et因此，集电结势垒区i ,t)1td (0,t)t将指数展开，取一级近似d11j/1t1d上式中

称为集电结耗尽区延

4、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数NNPcrbvcb=当电流ic流经集电区体电阻rcs时，产生icrcs。虽vcb0，但本征集电结上（c与b之间）却有

ic图中c’为紧靠势垒区的本征集电极，或称为内集电极。v将会对CTc进行充放电，充放电电流

dic

j r

总的集

jCTc i11jCTc11j总发射结势垒电容充放电时间常

τeb=CTEW 2 1发射结扩散电容充放

bCDere t 集电结耗尽区延迟时

集电结势垒电容经集电区充放电的时

cCTc交流小信号电流传输过程中，增加的四个电流损失途发射结发射过程中的势垒电容充放电电流(发射结势垒电容充放电效应基区输运过程中扩散电容的充放电电流（基区电 效应或发射结扩电容充放电效应集电结势垒区渡越过程中的衰减（集电结势垒区渡越过程集电区输运过程中对集电结势垒电容的充放电电流（集电结势垒电容充电效应发射结势垒电容充放电时间常

τeb=CTEW 2 1发射结扩散电容充放

bCDere t 集电结耗尽区延迟时

集电结势垒电容经集电区充放电的时

cCTcPNP5、共基极短路电流放大系数及其PNPe1e1ii0e1jbipe ipc ipeipcic11j

vcb

11j0ejmb0(1

eb)(1

)(1jd)(1jc

(1

ejmb0eb)(1j)(10

d)(1jc式中

1

W 2 1

RB

2 B rB E Te TeE b 1 1.22 W

2 1

B 1 De CTc

当频率较低(eb c)1 时jm 1j( c0 ej(mebbdc012 1) 0 ej(ebbdc012 ) 2 ec

bd

c称为信号延迟时间，表示从发射极到集电极总的延迟时间，则αω可写为0ej1j mbe012)1b22在直流或极低频下，0， ，相角=0随着频率的提高，的幅度| 降，相角ec滞后定义：当||下降到10 时的角频率和频率分别称为2的截止角频率和截止频率

和f

1ebb1

c ecm 电 放大

m20lg系2数2（ 0

6分贝

2f讨论两种情况(1)对截止频率不高的（fa500MHz）的晶体管基区宽度WB1m

b(ebdc

的频率特

WB

决定，即 ejmb

0

jm 1j

1j

这时 与

的区别仅

（2）fa500MHz的现代微基区宽

WB

此时τb只占τec中很小因此，可忽略mb，则有ecebbd

1

11 6、共发射极短路电流放大系数及其截止已知

vcb0

1将

e00

代入，得

jm 010e 0

1j(ecmb)1ejmb

0

1 1011j011j 1

1

定义：|

|下降

202

时的角频率和频率分的截止角频率截止频率，记ff电 放大

0120lg系2数2（ 0

6分贝

2f01j01jf与的关在忽略mb的情况下

1所以有

ecm

0

课堂分析fβ<<fα的原 放大

20lgdB 数

6分贝/

1 0

ffβ<<fα这说明共射短路电流放大系数β比共基短路电流放大系数α降随频率下降得更快。原因（以PNP为例 I iI i I iI i结电cc四、晶体1、 随频率的变已知 1jff时，0，为实数，相角为零ff时

212

，

0，相角当f

j0f

0f

900。所以在此频率范围内icib滞后此时，|βω|与f频率每提高一倍，电流放大

|βω|减小一半或下降频率每提高一倍，功

降为1/4或下降定义：||降为1时的频率称为特征频率，记为fT0ff由| 1可解出fTffT0电 放大

20lg系2数2（ 0

6分贝/

2f因f

所以 可表为 11T bdc对于fa500MHz的晶体管，τec中以τb为主，这时f

fa500MHz，忽m

时，有

fT2fT的测利用仪器测试当||下降为1时对应频已知fffT||0fffTf又称为晶体管，为常fT||f (fffT这说明可fβfT之间||，从而得到fT3、特征频率随电流的变

当Ic很小时，fT原因：随着Ic的减小，且IE≈ICreCTEkT/qIE)CTE增大，使下当Ic较大时，fT也下

原因：基区纵向扩展，b随IC的增加而增加，使fT随IC加而下fT随VBC的减小原因：VBC减小，集电结耗尽区减薄，CTC增加，从而c增发射区

e

xx20 1 对b的修

CTC中还应包括延伸电极的寄生电容，等EEBC1、发射区延迟时间τe（对微波晶体管须补充该参数化而改变，从而在发射区内产生扩散。 2 p(0)I E (1 (W *b0由此得到发射区扩散电容的充电延迟EeIE2 可见微波晶体管采用浅结3在微波晶体管中，应当将e包含在ececeebbdc2、基区渡越时间修正能为(因为Jn=qnvmax)