双极型晶体管的频率特性白底

双极型晶体管的频率特性白底1第1页，课件共91页，创作于2023年2月

双极型三极管的参数参

数型

号

PCMmWICMmAVRCBOVVRCEO

VVREBO

VICBO

μAfT

MHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5W5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DK23G250W30A4003258注：*为f

功率特性2第2页，课件共91页，创作于2023年2月

双极型三极管的参数参

数型

号

PCMmWICMmAVRCBOVVRCEO

VVREBO

VICBO

μAfT

MHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5W5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DK23G250W30A4003258注：*为f

反向特性3第3页，课件共91页，创作于2023年2月

双极型三极管的参数参

数型

号

PCMmWICMmAVRCBOVVRCEO

VVREBO

VICBO

μAfT

MHz3AX31D1251252012≤6*≥83BX31C1251254024≤6*≥83CG101C10030450.11003DG123C5005040300.353DD101D5W5A3002504≤2mA3DK100B100302515≤0.13003DK23G250W30A4003258注：*为f

频率特性hfe——放大特性开关管开关特性参数4第4页，课件共91页，创作于2023年2月第三章双极型晶体管的频率特性§3.1晶体管交流电流放大系数与频率参数§3.2晶体管的交流特性分析§3.3晶体管的高频参数及等效电路§3.4高频下晶体管中载流子的输运及中间参数§3.5晶体管电流放大系数的频率关系§3.6晶体管的高频功率增益§3.7

工作条件对晶体管fT、KPm的影响5第5页，课件共91页，创作于2023年2月一、交流短路电流放大系数共基极交流短路电流放大系数：共发射极极交流短路电流放大系数：两者之间的关系：§3.1晶体管交流电流放大系数与频率参数6第6页，课件共91页，创作于2023年2月二、晶体管的频率参数截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值截止频率f

：共发射极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值7第7页，课件共91页，创作于2023年2月特征频率fT：共发射极交流短路电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率二、晶体管的频率参数8第8页，课件共91页，创作于2023年2月二、晶体管的频率参数9第9页，课件共91页，创作于2023年2月§3.2晶体管的交流特性分析晶体管在实际应用时大多是在直流偏压上叠加上交流小信号，即作用在结上的总电压应为交、直流两部分电压之和，如果所叠加的交流信号为正弦波，则作用在发射结上的总电压为：作用在集电结上的总电压为：10第10页，课件共91页，创作于2023年2月注意：一维模型中规定的电流方向与npn管实际电流方向相反11第11页，课件共91页，创作于2023年2月一、均匀基区晶体管（以npn管为例）交流信号作用下基区电子一维扩散方程基区电子密度分布（直流、交流叠加）分解与时间有关项和与时间无关项基区电子电流密度交流分量通过发射结的空穴电流密度交流分量交流信号作用下发射区空穴一维扩散方程均匀基区晶体管交流电流-电压方程高频参数频率特性12第12页，课件共91页，创作于2023年2月一、均匀基区晶体管（以npn管为例）在交流信号作用下基区电子的一维扩散方程：13第13页，课件共91页，创作于2023年2月14第14页，课件共91页，创作于2023年2月边界条件：x=0时，边界条件：x=Wb其中：15第15页，课件共91页，创作于2023年2月16第16页，课件共91页，创作于2023年2月通过基区的电子电流密度交流分量同理，可求出通过发射结的空穴电流密度的交流分量17第17页，课件共91页，创作于2023年2月通过发射结的交流电流分量：集电极电流的交流分量：此二式即为均匀基区晶体管交流电流——电压方程18第18页，课件共91页，创作于2023年2月基区宽变效应：基区宽度随结电压变化而变化，从而引起输出电流的变化计入基区宽变效应：19第19页，课件共91页，创作于2023年2月二、缓变基区晶体管基区电子的一维连续性方程20第20页，课件共91页，创作于2023年2月§3.3晶体管的高频参数及等效电路一、晶体管高频Y参数及其等效电路二、晶体管高频h参数及其等效电路将晶体管看作四端网络来讨论其高频特性（输入、输出关系）描述四端网络的高频参数（方程组）有Y参数——短路导纳参数Z参数——开路阻抗参数h参数——混合参数S参数——散射参数等Y参数的表达形式与晶体管的I-V方程一致，可直接由I-V方程得到，且物理意义明显h参数更符合晶体管的实际特点，易于实际测量21第21页，课件共91页，创作于2023年2月晶体管高频参数是高频特性方程组中的一组参数一方面，将晶体管的结构参数与四端网络的特性参数相联系另一方面，通过等效电路反映晶体管内部结构与外电路的关系，使晶体管的CAD及计算机模拟得以实现§3.3晶体管的高频参数及等效电路22第22页，课件共91页，创作于2023年2月一、晶体管高频Y参数及其等效电路由交流I-V方程可以直接得到最基本的Y参数，称为本征参数加上（必要的）非本征参数构成较完整的高频等效电路Ie、Ic的幅值：23第23页，课件共91页，创作于2023年2月按四端网络定义方向整理后：24第24页，课件共91页，创作于2023年2月由连续性方程所得，称本征Y参数，且没有频率限制25第25页，课件共91页，创作于2023年2月1、共基极本征输入导纳Ycei输出端交流短路时，输入端交流电流幅值随输入电压的变化设=1，即忽略IpE认为Wb/Lnb为一阶无穷小，展开双曲函数，略去高次项，还原Cn26第26页，课件共91页，创作于2023年2月27第27页，课件共91页，创作于2023年2月2、共基极本征输出导纳Ycci输入端交流短路时，输出端交流电流幅值随输出电压的变化28第28页，课件共91页，创作于2023年2月3、共基极本征正向转移导纳Ycei输出端交流短路时，输入端交流电压对输出端交流电流的影响说明：正向转移导纳可看作将输入导纳转移到（被放大了的）输出端的等效导纳，或者说，是输出端输出的，被放大了的输入导纳

即：由输入电压ue→输入电流Ie→输出电流Ic29第29页，课件共91页，创作于2023年2月4、共基极本征反向转移导纳Yeci输入端交流短路时，输出端交流电压对输入端电流的影响30第30页，课件共91页，创作于2023年2月无量纲，称为电压反馈系数当保持发射极交流开路时，即Ie=0，IE不变，集电极电压变化对发射极电压的影响也称反向电压放大系数发射极交流开路，意味着发射极电流维持直流偏置电流不变（恒流），当Vc→△Vc时，Wb产生△Wb的变化，引起基区少子分布变化，为了使IE不变(Ie=0)，应有△VE使nE变化△nEn(x)nEnb(x)xn(x)31第31页，课件共91页，创作于2023年2月32第32页，课件共91页，创作于2023年2月33第33页，课件共91页，创作于2023年2月二、晶体管高频h参数及其等效电路34第34页，课件共91页，创作于2023年2月二、晶体管高频h参数及其等效电路1、共基极h参数及其等效电路输入端电压为两部分电压串联输入电流在输入阻抗上的压降输出电压对输入回路的反作用（电压源）输出电流为两部分电流并联被放大的输入电流（电流源）输出电压在输出阻抗上产生的电流~+-+-iehrbucichibhfbIchobbec35第35页，课件共91页，创作于2023年2月h参数与Y参数只是从不同角度反映晶体管内部电流、电压关系，因而其间可以互相转换低频时可忽略电容效应高频时可忽略基区宽变效应36第36页，课件共91页，创作于2023年2月低频时可忽略电容效应高频时可忽略基区宽变效应37第37页，课件共91页，创作于2023年2月

h11和h12的意义

h21和h22的意义2、共发射极h参数及其等效电路h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。h参数与工作点有关，在放大区基本不变。h参数都是微变参数，所以只适合对交流小信号的分析38第38页，课件共91页，创作于2023年2月39第39页，课件共91页，创作于2023年2月40第40页，课件共91页，创作于2023年2月目的：高频下晶体管电流放大系数随工作频率变化的物理实质（关系）方法：利用晶体管的等效电路，逐步分析载流子的运动过程（中间参数）实质：RC回路对高频信号产生延迟和相移（电容的分流作用）§3.4高频下晶体管中载流子的输运过程发射结发射基区输运集电结收集集电极输出41第41页，课件共91页，创作于2023年2月一、发射效率及发射结延迟时间对CTe进行充、放电的电流对输出没有贡献，导致γ降低42第42页，课件共91页，创作于2023年2月因re、CTe并联，具有等电压关系发射极截止角频率发射结延迟时间CTe的作用：1、对Ie的分流作用使发射效率幅值随频率升高而下降2、RC延迟作用使注入电流滞后于输入电流一个相位角43第43页，课件共91页，创作于2023年2月二、基区输运系数及基区渡越时间基区输运系数随信号频率升高而减小：实质是高频信号首先对发射结扩散电容充放电（基区积累电荷的数量改变），这一电流仅形成基极电流，对输出电流没有贡献，导致输运系数降低及信号延迟44第44页，课件共91页，创作于2023年2月二、基区输运系数及基区渡越时间注意：以集电极交流短路为条件，即uc=045第45页，课件共91页，创作于2023年2月进行整理、简化，得对均匀基区m＝0.22对基区杂质按指数分布的缓变基区晶体管46第46页，课件共91页，创作于2023年2月对于均匀基区，如果(3-67)展开双曲函数后取一级近似，则有比较上两式，有因re和CDe并联等电压，则有47第47页，课件共91页，创作于2023年2月对于均匀基区渡越时间有以下三个表达式：

m的实质是基区少子建立准稳态分布的弛豫时间与对扩散电容充放电延迟时间之比

由于不同的近似或省略造成系数上的差别，其本质都是发射结扩散电容充放电（改变基区积累的电荷数）引起基区渡越延迟时间，即基区渡越时间。认为Wb/Lnb为一阶无穷小48第48页，课件共91页，创作于2023年2月发射结上电压的交变同时引起CDe和CTe的充放电，这两部分电容的充放电电流最后均转变成基极电流，使总发射极电流随频率升高而增大，发射效率下降。在等效电路上CTe和CDe是并联的，但实质上CTe反映的电荷变化发生在eb结势垒区，而CDe反映的电荷变化发生在基区中。发射结等效电路49第49页，课件共91页，创作于2023年2月三、集电结势垒输运系数及渡越时间通过基区输运到集电结势垒边界的载流子，在反偏集电结空间电荷区强电场作用下漂移通过空间电荷区，同时产生幅值的下降和相移，其实质是交流信号作用下，集电结空间电荷区边界平移，载流子对空间电荷区充放电而引起的正半周负半周集电结空间电荷区没有交流信号50第50页，课件共91页，创作于2023年2月负半周集电结空间电荷区没有交流信号正半周电子穿过集电结空间电荷区引起其中电荷分布的变化直流时，这种变化是稳定的，小注入下可以忽略（耗尽层近似）交流时，这种变化是交变的在信号正半周，流入电子（负电荷）密度增大，负电荷区电荷密度增大，正电荷区电荷密度减小；一定的结电压下，前者变窄，后者变宽在信号负半周，流入电子（负电荷）密度减小，负电荷区电荷密度减小，正电荷区电荷密度增大；一定的结电压下，前者变宽，后者变窄正负电荷区宽度的变化由载流子的流动实现，相当于电容的充、放电，电子由穿过集电区的电子流分流，空穴由基极电流提供51第51页，课件共91页，创作于2023年2月关于集电结势垒渡越时间（空间电荷区延迟时间）有平行板电容器模型——《晶体管原理》张屏英周佑谟单边突变结模型——《微电子技术基础》曹培栋——参考(P166)Qd=Q/2模型——《双极型和场效应晶体管》——自学52第52页，课件共91页，创作于2023年2月附加电场的电力线终止在极板上，使极板上感应出相应的电荷极板a上感应正电荷，对应基极电流提供的空穴极板b上感应正电荷，对应集电区侧空间电荷区展宽，电子流出，形成传导电流因此，运动电荷尚未到达b极板，极板上已因感应而产生传导电流集电结空间电荷区是载流子耗尽的高阻区，相当于平行板电容器空间电荷区边界相当于电容器的极板空间电荷区宽度相当于电容器极板间距离集电结电压相当于板间所加电压输出端交流短路时，板间电压为集电结反向偏置电压若有一面密度为Qs的电荷层在板间电场作用下，以速度v由a向b运动运动电荷产生徙动电流Qv电荷层前后产生附加电场Ea、EbӨӨӨӨӨEaEbQsab基区集电区速度v0xx1xmcVCB53第53页，课件共91页，创作于2023年2月ӨӨӨӨӨEaEbQsab基区集电区速度v0xx1xmcVCB54第54页，课件共91页，创作于2023年2月以上讨论的是一个电荷薄层在集电结空间电荷区运动的情况55第55页，课件共91页，创作于2023年2月56第56页，课件共91页，创作于2023年2月57第57页，课件共91页，创作于2023年2月集电结势垒延迟时间等于载流子穿越空间电荷区所需延迟时间的一半集电极电流并不是渡越势垒的载流子到达集电极“极板”才产生的，当载流子还在穿越空间电荷区的过程中，就在集电极产生了感应电流集电极电流是空间电荷区内运动的载流子在集电极所产生的感应电流的平均表现当信号波长远大于势垒区宽度时，所得结果才成立58第58页，课件共91页，创作于2023年2月四、集电区倍增因子与集电极延迟时间集电极电流在集电极串联电阻上的压降形成电场，该电场促进少子空穴流向集电结，使集电极电流增大。一般情况下可认为集电区倍增因子等于1输出端交流短路时，集电极串联电阻rcs上的交流压降引起集电结势垒电容CTc两端电压交变，导致其充放电电流对输出电流分流，使输出电流减小定义集电极衰减因子集电极截止角频率集电极延迟时间集电结势垒输运和集电极延迟同时发生在集电结势垒区中，只是从物理概念上分别讨论59第59页，课件共91页，创作于2023年2月交变电流流过集电结势垒区引起其中电荷量的变化交变电流流过集电区在串联电阻上产生压降引起集电结势垒电容上电压交变两者都通过集电结势垒电容的充放电对输出电流分流并产生延迟两者同时发生在集电结中Vbc恒定（交流短路）rcs集电极Cinc’iciCTe60第60页，课件共91页，创作于2023年2月

交变信号作用下晶体管各部分电容充放电使载流子运动产生延迟；充放电电流的分流作用使输出电流幅值下降，电流放大系数下降发射结势垒电容充放电引起发射效率下降和注入基区的电流延迟发射结扩散电容充放电使基区输运系数下降和基区渡越延迟集电结势垒电容因交变电流改变其中电荷量及串联电阻上压降改变其两端电压而分别产生集电结势垒渡越延迟和集电极延迟61第61页，课件共91页，创作于2023年2月62第62页，课件共91页，创作于2023年2月发射效率及发射结延迟时间基区输运系数及基区渡越时间集电结势垒输运系数及渡越时间集电区倍增(衰减)因子与集电极延迟时间63第63页，课件共91页，创作于2023年2月§3.5晶体管电流放大系数与频率的关系一、共基极运用其中64第64页，课件共91页，创作于2023年2月二、共发射极运用（一）β随频率的变化α是c、b短路β是c、e短路65第65页，课件共91页，创作于2023年2月代入、整理、化简比较上两式有高频端放大系数幅值与工作频率成反比满足6dB/倍频程66第66页，课件共91页，创作于2023年2月67第67页，课件共91页，创作于2023年2月（二）讨论共发射极截止频率远低于共基极截止频率，特征频率略小于共基极截止频率，随频率增高，β下降的速度比α的下降速度快(早)。2、ω>>ωβ时，基极电流的主要成分是充、放电电流，而在低频情况下，基极电流主要是复合电流。共基宽带共射选频68第68页，课件共91页，创作于2023年2月三、影响fT的因素和提高fT的途径1、基区渡越时间2、发射结延迟时间3、集电结势垒渡越时间和集电极延迟时间远小于前两项提高fT的措施一般最大，是fT的主要限制因素Wb增大一倍，tb增大4倍提高基区杂质浓度梯度，增大电场因子，自建电场的漂移作用将使tb减小；但表面浓度增大将减小Dnb，又使tb增大，故=2~5特征频率fT是晶体管最重要的也是最实用的高频参数之一，因为它不仅仅是晶体管作电流放大用的最高频率极限，也直接影响着晶体管高频下的功率放大能力和开关特性。因而在设计与制造中总是设法提高其数值。69第69页，课件共91页，创作于2023年2月减薄基区宽度，可采用浅结扩散或离子注入技术。降低基区掺杂浓度Nb以提高Dnb；适当提高基区杂质浓度梯度以建立一定的基区自建电场。减小结面积Ae、Ac，以减小结电容。减小集电区电阻及厚度，采用外延结构，以减小xmc及rcs，但集电区电阻率及外延层厚度的选择要照顾到对击穿电压的影响。做好Al电极欧姆接触。注意管壳的设计及选择，以减小杂散电容。在结构参数均相同时，npn管较pnp管有较高的fT(Dn＞Dp)。提高fT的措施70第70页，课件共91页，创作于2023年2月§3.6晶体管的高频功率增益一、最佳高频功率增益KPm为了得到晶体管最大有用功率增益，输入端和输出端必须满足共轭匹配条件。在满足阻抗匹配时的最大功率增益称为最佳功率增益。功率增益取决于电流放大系数，故与工作频率有关。71第71页，课件共91页，创作于2023年2月输入、输出端满足共轭匹配条件时，可获得最大功率增益输入端为纯电阻性匹配，输出端输出阻抗为容性。阻抗为：要求负载阻抗为：!72第72页，课件共91页，创作于2023年2月上式说明，KPm与fT成正比，与rb、Cc成反比，与f2成反比随f上升，KPm下降，f增大一倍，KPm下降为1/4（-6dB）即-6dB/倍频程73第73页，课件共91页，创作于2023年2月可见fT并不能作为晶体管是否具有功率放大能力的判据二、高频优值和最高振荡频率当KPm=1时，fM称为晶体管的最高振荡频率——功率放大的最高频率称为晶体管的高频优值74第74页，课件共91页，创作于2023年2月三、提高功率增益或最高振荡频率的途径提高Kpm、fM、fM2三者是一致的，不外乎是提高fT，减小基区电阻rb、输出电容Cc及发射极引线电感Le等1、浅结扩散2、浓硼扩散3、减少输出电容Cc4、减少发射极引线电感Le浅结扩散既可获得薄的基区宽度，又可有效减小基区方块阻75第75页，课件共91页，创作于2023年2月76第76页，课件共91页，创作于2023年2月§3.7工作条件对晶体管fT、Kpm的影响一、工作条件对fT的影响1.工作电压Vce对fT的影响2.工作电流Ic对fT的影响1.工作电压Vce对Kpm的影响2.工作电流Ic对Kpm的影响二、工作条件对Kpm的影响工作条件包括工作电压和工作电流，通过结电容、结电导（阻）、势垒宽度和基区宽度等参数影响频率参数77第77页，课件共91页，创作于2023年2月1.工作电压Vce对fT的影响2.工作电流Ic对fT的影响fT↗fT↘随Vce

↗,fT↗:Vce

↗→Vcb

↗→xmc↗→Wb↘→tb↘Vce

↗→Vcb

↗→CTc↘→tc↘Vce

↗→Vcb

↗→Ecb↗→v→vsl→td↘随Vce

↗↗,fT↘

:v→vsl后，xmc↗→td↗

tb、tc变化不大fT↗fT↘随Ic

↗,fT↗:Ic↗→Ie↗→re↘

→

te↘随Ic↗↗,fT↘

:发生有效基区扩展效应Wb↗→tb↗78第78页，课件共91页，创作于2023年2月1.工作电压Vce对Kpm的影响随Vce

↗,Kpm↗:Vce

↗→Vcb

↗→xmc↗→Cc↘Vce

↗→Vcb

↗→xmc↗→Wb↘→rb↗↘随Vce

↗↗,Kpm上升变缓:Vce

↗↗→xmc扩展变缓→x1扩展变缓→Wb↘变缓，Cc↘变缓79第79页，课件共91页，创作于2023年2月1.工作电压Vce对Kpm的影响2.工作电流Ic对Kpm的影响随fT的变化随Vce

↗,Kpm↗:Vce

↗→Vcb

↗→xmc↗→Cc↘Vce

↗→Vcb

↗→xmc↗→Wb↘→rb↗↘随Vce

↗↗,Kpm上升变缓:Vce

↗↗→xmc扩展变缓→x1扩展变缓→Wb↘变缓，Cc↘变缓80第80页，课件共91页，创作于2023年2月§3.1晶体管交流电流放大系数与频率参数§3.2晶体管的交流特性分析§3.3晶体管的高频参数及等效电路§3.4高频下晶体管中载流子的输运及中间参数§3.5晶体管电流放大系数的频率关系§3.6晶体管的高频功率增益§3.7工作条件对晶体管fT、KPm的影响本章小结81第81页，课件共91页，创作于2023年2月一、交流短路电流放大系数二、晶体管的频率参数截止频率f：共基极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值截止频率f

：共发射极电流放大系数减小到低频值的所对应的频率值特征频率fT：共发射极交流短路电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率82第82页，课件共91页，创作于2023年2月一、均匀基区晶体管（以npn管为例）交流信