半导体器件物理

1、（1）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,按工作频率范围通常把晶体管分为低频晶体管（只能在 3 MHz 以下的频率范围内使用）；高频晶体管（可在几十到几百 MHz的频率下使用）；超高频晶体管（能在 750 MHz 以上频率范围内使用的晶体管）。,1晶体管交流特性和交流小信号传输过程,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 4 个： 发射结势垒电容充放电效应； 基区电荷存储效应（或发射结扩散电容充放电效应）； 集电结势垒区渡越过程； 集电结势垒电容充放电效应。,（2）交流小信号传输过程,直流电流在晶体管内部的传输过

2、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（对理想情况）： 与发射结反向注入电流的复合； 基区输运过程中在基区体内的复合。,1）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失，使发射效率 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。,设发射结势

3、垒电容充放电时间常数为 ，称为发射极延迟时间。一般发射极延迟时间为：,零偏压时发射结势垒电容值,2）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 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也转换为了基极电流的一部分。因此，到达集电结的有用电子电流减小，即基区输运系数 下

4、降。,设电子在基区的输运时间为 。假设基区中 处，注入少子电子的浓度为 ，以速度 穿越基区，形成的电流为：,载流子穿越基区的时间为（注意 ）,3）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，特别是信号频率较高以致集电结势垒渡越时间 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。交流小信号电流在这一过程中，不仅信号幅度将降低，也会产生相位滞后。,由于反偏集电结空间电荷区电

5、场一般很强，当空间电荷区电场超过临界电场强度 时，载流子速度就达到饱和，载流子将以极限速度（饱和速度） 穿过空间电荷区。,设集电结空间电荷区宽度为 ，则载流子渡越集电结空间电荷区的时间为：,4）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极电流 ，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流的一部分。对势垒电容充

6、放电的时间常数设为 （也称为集电极延迟时间）。, 发射结发射过程中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； 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。,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 4 个信号电流的损失途径：,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。,2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 定义为：在共基极连接时，集电极输出交流电流 与发射极输入交流电流 之比，即：,设发射极到集电极总延迟时间为

7、 ，则交流小信号共基极接法电流放大系数可表示为：,式中： ； 直流或低频共基极电流放大系 数； 信号频率。,（1）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，相位滞后则随频率升高而增大。当频率上升到 时， 降到其低频值的 倍（即 ），此时的频率 称为共基极截止频率（或 截止频率），其值为：,对于一般高频晶体管，由于基区宽度较宽， 往往比 、 、 大得多，所以通常在 时，4 个时间常数中， 往往起主要作用。,（2）截止频率,3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 定义为：在共发射极连接时，集电极输出交流电流 与基极输入交流电流 之比，即：,由关系式 可得

8、：,其中：,（1）交流放大系数,对于一般的晶体管有 ，因此 可近似认为是共基极小信号电流放大系数，从而可得,（用到 ， ）,（其中 ）,（考虑到 ）,可见，共发射极小信号电流放大系数 与 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。,（2）截止频率,一般晶体管的 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 ，这也说明共基极晶体管放大器的带宽（即截止频率）比共射极晶体管放大器的带宽大得多。,当频率升高到 时， 下降到低频或直流值 的 倍（即 ），这时的频率 称为共发射极截止频率，其值近似为：,4晶体管的频率特性曲线和极限频率参数,（1）频率特性曲线,通

9、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 表示；对于共基极接法通常用 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。,电流放大系数的分贝（dB）值定义为：,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 ），而当频率进一步升高时，它们就开始下降。,（也称 截止频率）：是当共基极电流放大系数 下降到低频 的 （或 0.707）倍时所对应的频率。此时 的分贝值下降 3dB。 （也称 截止频率）：是当共发射极电流放大系数 下降

10、到低频 的 （或 0.707）倍时所对应的频率。此时 的分贝值下降 3dB。,从 的定义可知，当 时， 将下降到 以下，但电流放大系数仍有相当高的数值。例如，设晶体管的 ，当 时， ，所以 并不能反映实际晶体管的使用频率极限。,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 ，定义为：随着频率的增加，晶体管的共发射极电流放大系数 降到 1 时所对于的频率。,当 时， ，晶体管有电流放大作用； 当 时， ，晶体管就没有了电流放大作用。,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重要依据，也是晶体管电路设计的一个重要参数。,（2）特征频率,根据定义，由 可得,当工作频率比 大

11、很多（如 ）时，可得：,所以有：,可见，当工作频率比 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 。因此只要在比 大得多的任何一个频率 下测出 ，两者相乘即可得到 。,（3）最高振荡频率,反映了晶体管具有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，输入信号电流为 ，输出电流为 。在频率较高 时，晶体管的输入阻抗基本上等于 基区电阻 ，故输入功率为：,负载上得到的功率（输出功率）为：,所以功率放大倍数（功率增益）为：,可见，尽管在 时， ，但负载电阻 可以比 大得多，所以仍可有 ，即晶体管仍有功率放大能力。,但当频率继续升高时， 的数值不能取得太大了

12、。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相等，这称为阻抗匹配。由于晶体管的集电结电容 是并联在输出端的，随着频率升高， 的容抗减小，输出阻抗也变得越来越小，因此 的取值也要减小。同时在高频率时，也要继续下降，可能比 1 小很多，这样就使得高频时 下降，频率足够高时 将小于 1。,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：,随着频率的升高，最佳功率增益 将下降。 时对应的频率称为晶体管的最高振荡频率，用 表示。, ,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。 表示晶体管真正具有放大能力的极限。,由 式还可得到：,

13、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。,（4）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 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 有关。所以，对器件设计者和制造者来说，了解影响 的因素和提高 的措施具有重要意义。,通常基区渡越时间 是影响 的主要因素。 由 知，采用薄基区和低的基区杂质浓度是减小 的关键措施。为了获得小的基区宽度，必须采用浅结扩散。,发射结势垒电容 的延迟时间 对 也有较大的影响。因 （ 为发射结电阻），所以减小 就要减小 ，减小 就要减小发射结截面积。所以高频晶体管的尺寸应尽量小。但另一方面，从晶体管的电流特性来考虑，发射区周长又不能太小，为此可以采用梳状发射区，尽量减小条宽，以增大周长-面积比。,集电结势垒渡越时间 和集电结电容充放电时