第3章 雙極型晶體管-2

1、1信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 姜梅姜梅3.3 晶體管的直流特性曲線3.3.1 共基極連接直流特性曲線下圖為測量晶體管共基極直流特性曲線的原理圖。圖中UEB為發(fā)射極和基極之間的電壓降，UCB為集電極和基極之間的電壓降，RE為發(fā)射極串聯(lián)電阻，可控制UEB或IE。 共基極直流特性曲線測量原理電路圖 共基極直流輸入特性曲線 對于一個給定的UCB，改變UEB，測量IE，可以測得一條IE與UEB的關(guān)系曲線，對于不同的UCB值，改變UEB測量IE，可測得一組IE與UEB的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共基極直流輸入特性曲線，如圖（a）所示。 共基極直流特性曲線 （a）輸入特性曲線 由前所知 IE=Jp(X1)+ Jn

2、(X2) AE式中Jp(X1)為空穴擴散電流密度；Jn(X2)為電子擴散電流密度；AE為發(fā)射結(jié)面積。Jp(X1)和Jn(X2)都隨正向壓降增大而呈指數(shù)增大，因此IE也必然與UEB呈指數(shù)規(guī)律增大。在同樣的UEB下，IE隨著UCB的增大而增大，表現(xiàn)為曲線左移。這是因為集電結(jié)空間電荷區(qū)的寬度隨著UCB的增大而展寬，結(jié)果引起了有效基區(qū)寬度的減?。ㄓ行Щ鶇^(qū)寬度隨著UCB的增大或減小而減小或增大的現(xiàn)象，就是上面所討論過的基區(qū)寬變效應(yīng)），使得在同樣的UEB下，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子濃度梯度增加，流速加快，IE增大。 2. 共基極直流輸出特性曲線對于一個給定的IE，改變UCB，測量IC，可得到一條IC-UCB之

3、間的關(guān)系曲線。對于固定的不同的IE，改變UCB，測量IC，可得到一組不同的IC-UCB的曲線，稱這組曲線為共基極直流輸出特性曲線，如圖（b）所示。 共基極直流特性曲線 （b）輸出特性曲線 3.3.2 共發(fā)射極連接直流特性曲線下圖為晶體管共發(fā)射極直流輸出特性曲線的測試原理電路圖。圖中UBE為基極與發(fā)射極間壓降；UCE為集電極與發(fā)射極間壓降；RB為基極串聯(lián)電阻，可控制UBE或IB。測量共發(fā)射極直流特性曲線原理電路圖 1. 共發(fā)射極直流輸入特性曲線對于固定的不同的UCE，改變UBE，測量IB，可以得出一組IB與UBE的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共發(fā)射極直流輸入特性曲線，如圖（a）所示。 共發(fā)射極直流特性

4、曲線 （a）輸入特性曲線 2. 共發(fā)射極直流輸出特性曲線對于固定的不同的IB，改變UCE，測量IC，可得出一組IC與UCE的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共發(fā)射極的輸出特性曲線，如圖（b）所示。 共發(fā)射極直流特性曲線（b）輸出特性曲線 3.3.3 共基極與共發(fā)射極輸出特性曲線的比較比較共基極與共發(fā)射極兩種輸出特性曲線，可以看到兩者的共同之處是：當(dāng)輸入電流一定是，兩種特性曲線的輸出電流都不隨輸出電壓的增加而變化，只有當(dāng)輸入電流改變了輸出電流才會跟著變化。然而兩種輸出特性曲線之間也存在許多不同的地方。首先，共發(fā)射極電路的電流放大系數(shù)要比共基極的大得多。其次，共基極電路的輸出阻抗比共發(fā)射極電路大。 另外，

5、UCE的減小對輸出電流的影響有所不同。實際上，共基極與共發(fā)射極特性曲線在輸出電壓減小時的下降所反映的是同一個物理過程，只不過共基極電路的輸出電壓就是UCB，才使得其特性曲線的下降發(fā)生在輸出電壓更?。ㄘ?fù)值時）的區(qū)域。 3.5 晶體管的頻率特性3.5.1 晶體管交流電流放大系數(shù)所謂晶體管的交流頻率特性是指一個小交流信號重疊在一個直流信號基礎(chǔ)的情況，如圖所示，交流信號為正弦。 （a）電壓偏置 （b）電流ic小信號意指交流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。當(dāng)一個小信號附加在輸入電壓上時，基極電流ib將會隨時間變化而成為一個時間函數(shù)，基極電流的變化使得輸出電流ic跟隨變化，最終實現(xiàn)輸入信號的放大。

6、 共基極交流放大系數(shù)共基極交流放大系數(shù)定義為：在共基極運用時，集電極（輸出端）交流短路，集電極的輸出交流小信號電流ic與發(fā)射極的輸入交流小信號電流ie之比（用小寫字母代表小信號交流電流），即aceiia=在低頻下，電流放大與工作頻率無關(guān)。但在頻率較高下，考慮到相位關(guān)系，為復(fù)數(shù)，通常所說的的大小是指它的模值 。2共發(fā)射極交流放大系數(shù)共發(fā)射極交流放大系數(shù)定義為：在共發(fā)射極運用時，集電極（輸出端）交流短路，集電極的輸出交流小信號電流ic與基極的輸入交流小信號電流ib之比，即cbiib=同樣，也是復(fù)數(shù)。在交流小信號工作條件下，晶體管端電流與之間仍有如下關(guān)系式ie=ic+ib 1aba=-電流增益也常用

7、分貝（dB）表示，即 (dB)=20lg (dB)=20lg 由于與是在集電極交流短路的條件下定義的，因此也稱為交流短路電流增益。3.5.2 晶體管頻率特性參數(shù)隨著晶體管工作頻率的增高，晶體管的電學(xué)性能會發(fā)生很大變化，主要表現(xiàn)為電流增益和功率增益的下降。下圖示出典型的電流增益隨頻率變化關(guān)系的簡圖，其中縱坐標(biāo)是以分貝表示電流放大系數(shù)。 電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系 從晶體管的頻率響應(yīng)特性定義以下幾個參數(shù)，用于描述其高頻性能。 1.截止頻率ff定義為共基極短路電流放大系數(shù)下降到低頻 的所對應(yīng)的頻率，即 時所對應(yīng)的頻率，此時的分貝值比 下降3dB，f反映了共基極運用的頻率限制。0a0a 2. 截止頻率f

8、 f定義為共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到低頻0的時所對應(yīng)的頻率。或者說，f為比0下降3dB時所對應(yīng)的頻率。203. 特征頻率fT 在共發(fā)射極運用時，截止頻率f還不能完全反映晶體管使用頻率的上限，也就是說當(dāng)工作頻率等于f時，值還可能相當(dāng)大。為了更好地表示共發(fā)射極運用晶體管具有電流放大作用的最高頻率限制，引進(jìn)了特征頻率fT的概念。特征頻率fT定義為共發(fā)射極電流放大系數(shù) =1時所對應(yīng)的頻率。 顯然，當(dāng)工作頻率等于fT時，晶體管不再具有電流放大作用，由此說明特征頻率fT是判斷晶體管是否能起電流放大作用的一個重要依據(jù)，也是晶體管電路設(shè)計的一個重要參數(shù)。4. 最高振蕩頻率fMfT還不是晶體管工作頻率的最終限制

9、。為此，再引入一個最高振蕩頻率fM的概念。最高振蕩頻率fM定義為共發(fā)射極運用時，功率增益等于1時所對應(yīng)的頻率?？梢奻M是晶體管工作頻率的最終限制，此時晶體管的輸出功率等于輸入功率。 fM不僅表示晶體管具有功率放大作用的頻率極限，也是晶體管使用頻率的最高上限，若工作頻率超過fM，晶體管失去任何放大作用。3.5.3 交流電流放大系數(shù)隨頻率變化的物理原因1. 頻率對晶體管交流電流放大系數(shù)的影響首先給出高頻時輸出電流ic幅度變化和相移示意圖，如圖所示，以作為頻率對晶體管交流電流放大影響的感性認(rèn)識。高頻下輸出電流幅度變化和相移示意圖 2. 交流小信號電流的傳輸過程以NPN晶體管為例分為四個階段闡述交流電

10、流的傳輸過程，如圖所示。并且引入新的中間參量來描述每個傳輸過程的效率。晶體管交流小信號電流傳輸示意圖 （1） 通過發(fā)射結(jié)階段 發(fā)射極交流小信號電流由三部分組成，即11()()enpCTeiiXiXi=+式中的iCTe為發(fā)射結(jié)結(jié)電容分流電流。由此可得出交流發(fā)射效率的表達(dá)式為11()()1pnCTeeeeiXiXiiiig= =-顯然，信號頻率越高，結(jié)電容分流電流iCTe越大，交流發(fā)射效率越低。此外，由于對發(fā)射結(jié)勢壘電容充放電需要一定的時間，因而使電流在發(fā)射過程產(chǎn)生延遲。（2） 基區(qū)輸運階段 以iCDe表示擴散電容分流電流，in(X3)表示輸運到基區(qū)集電結(jié)邊界的電子電流，則注入到基區(qū)的電子電流 i

11、n(X2)= in(X3)+ iVB+iCDe 交流情況下基區(qū)輸運系數(shù)可定義為*3233()1()()()nVBCDennniXiIiXiXiXb=-因此，頻率越高分流電流iCDe越大，到達(dá)集電結(jié)的有用電子in(X3)越小，基區(qū)輸運系數(shù)越小。同樣，對CCDe的充放電時間也對信號產(chǎn)生一定延遲。（3） 集電結(jié)勢壘區(qū)渡越階段 為了描述到達(dá)X4邊界in(X4)的減小，引入集電結(jié)勢壘區(qū)輸運系數(shù)d，它定義為流出與流入集電結(jié)勢壘區(qū)的電子電流之比，即43()()ndniXiXb=（4） 通過集電區(qū)階段 最終到達(dá)集電極的電子電流大小為ic= in(X4)- iCTc 為了描述該過程電流的損失，引入集電區(qū)衰減因子

12、這一概念，其表達(dá)式為41()ccCTccncCTcciiiiXiiia=-+綜上所述，與直流電流傳輸情況相比，在交流小信號電流的傳輸過程中，增加了四個信號電流損失途徑： 發(fā)射結(jié)發(fā)射過程中的勢壘電容充放電電流； 基區(qū)輸運過程中擴散電容的充放電電流； 集電結(jié)勢壘區(qū)渡越過程中的衰減； 集電區(qū)輸運過程中對集電結(jié)勢壘電容的充放電電流。上述四個分流電流均隨著信號頻率的升高而增加，使輸運到集電極電流ic減小和電流增益下降；同時對電容的充放電均需要一定的時間，使信號產(chǎn)生延遲，導(dǎo)致輸入信號與輸出信號存在相位差。3.5.4 晶體管高頻等效電路1. 發(fā)射結(jié)和發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)正向偏壓的改變會引起三個結(jié)果：引起發(fā)射結(jié)空間電

13、荷區(qū)空間電荷量的變化，這一變化可用發(fā)射結(jié)勢壘電容CTe來等效；引起了發(fā)射極電流的變化，這一變化的大小可以用發(fā)射結(jié)動態(tài)電阻re來等效；引起了基區(qū)、發(fā)射區(qū)貯存電荷的變化，這一變化可用發(fā)射結(jié)擴散電容CDe來等效。發(fā)射結(jié)的作用可以用re、CTe、CDe的并聯(lián)來等效，如下圖所示。 發(fā)射結(jié)和發(fā)射區(qū)的等效電路2. 集電結(jié)和集電區(qū)與發(fā)射結(jié)同樣，可用集電結(jié)勢壘電容CTc、擴散電容CDc和動態(tài)電阻rc來描述，并且集電結(jié)可用三者并聯(lián)來等效，如圖所示。集電結(jié)和集電區(qū)的等效電路 3. 基區(qū) 基區(qū)貯存電荷的改變已經(jīng)由擴散電容所描述。晶體管的基極電流是一股平行于結(jié)平面方向流動的多子電流，它將在基區(qū)橫向產(chǎn)生電位降，基區(qū)的這一

14、作用可用一個電阻來等效，這一等效電阻稱為基極電阻，用rb表示。 把發(fā)射結(jié)電流ie通過基區(qū)輸運而轉(zhuǎn)化為集電極電流的相互控制關(guān)系反映出來，為此可用一個恒流源表示，如圖所示。 集電結(jié)和集電區(qū)的等效電路 4. 晶體管共基極高頻等效電路通過上述分析，立即可得到晶體管共基極“T”型等效電路。如果CTe、CDe并聯(lián)后的電容用Ce代表、CTc、CDc并聯(lián)后的電容用Cc代表，則得到晶體管共基極高頻等效電路圖所示。晶體管共基極高頻等效電路 5. 晶體管共發(fā)射極高頻等效電路將共基極晶體管高頻“T”型等效電路中的基極與發(fā)射極交換，恒流源用ib去代替ie，就可得到共發(fā)射極晶體管高頻“T”型等效電路，如圖所示。在此需要說

15、明的是，與*ib并聯(lián)的電阻縮小為原來的1/（1+），而電容則擴大為原來的（1+）倍。 晶體管共發(fā)射極高頻等效電路 3.7 晶體管的開關(guān)特性3.7.1 晶體管的開關(guān)作用1. 從開關(guān)電路論晶體管的開關(guān)作用晶體管開關(guān)電路原理圖 晶體管開關(guān)輸入和輸出波形 2. 從晶體管的輸出特性曲線論晶體管的開關(guān)作用 晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線 3.7.2 晶體管的開關(guān)工作區(qū)域1. 飽和區(qū)的主要特點晶體管處于飽和區(qū)（開態(tài)）的主要特點是： 發(fā)射結(jié)為正向偏置，集電結(jié)也是正向偏置（或零偏置）； 集電極電流IC接近飽和值ICSUCC/RL 飽和狀態(tài)又分為臨界飽和與深飽和。集電結(jié)UBC=0的情況稱為臨界飽和；當(dāng)集電結(jié)偏壓UBC

16、0時，稱為深飽和 晶體管進(jìn)入深飽和狀態(tài)后，其深飽和的程度可用飽和深度S來表示。飽和深度S定義為LCCBCSBRUIIIS/2. 截止區(qū)的主要特點在晶體管輸出特性曲線上，IB=0對應(yīng)的特性曲線下面的部分叫截止區(qū)。截止區(qū)的主要特點是發(fā)射結(jié)處于反向偏壓（或零偏壓），集電結(jié)也處于反向偏壓。 晶體管截止態(tài)電流傳輸情況示意圖 3.7.3 晶體管的開關(guān)波形和開關(guān)時間（a）輸入電壓波形 （b）基極電流波形 （c）集電極電流波形 （d）輸出電壓波形晶體管的開關(guān)波形各個階段所需要的時間定義如下 延遲時間td：從基極有正信號輸入開始，到集電極電流IC上升到最大值ICS的0.1倍為止，這段時間稱為延遲時間，記作td，

17、等于t1-t0 上升時間tr：集電極電流由0.1ICS上升到0.9ICS為止所需要的時間為上升時間，記作tr，等于t2-t1 。 貯存時間ts：從輸入信號Uin變負(fù)（變?yōu)榈碗娖交蜇?fù)脈沖開始），到集電極電流IC下降為0.9ICS為止所需要的時間稱為儲存時間。記作ts，即t4-t3 。 下降時間tf：集電極電流IC從0.9ICS下降到0.1ICS所需要的時間，記作tf，即t5-t4 。3.7.4 晶體管的開關(guān)過程和影響開關(guān)時間的因素1. 延遲過程和延遲時間延遲階段基區(qū)少子濃度分布 延遲時間td的長短取決于基極電流對發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電容充電的快慢，所以縮短延遲時間的辦法是： 減少發(fā)射結(jié)、集電結(jié)的結(jié)面積

18、，以減少結(jié)電容CTe和CTc； 增大基極注入電流，使勢壘電容充電過程加快； 晶體管關(guān)斷時，給基極施加的負(fù)脈沖幅度盡可能小。2. 上升過程和上升時間tr上升過程中基區(qū)電子濃度梯度的增加 縮短上升時間的辦法是： 減小結(jié)面積AE和AC，以減小CTe和CTc； 減小基區(qū)寬度，能盡快建立起所需少子濃度梯度； 增大基極注入電流，使勢壘電容充電過程加快，但也要兼顧深飽和問題。3. 貯存電荷和貯存時間晶體管飽和態(tài)時的電荷分布示意圖 減少貯存時間，可以采取以下方法： 在保證晶體管進(jìn)入飽和區(qū)的前提下，基極驅(qū)動電流IB不要過大，避免晶體管進(jìn)入深飽和的程度太深； 增大基極抽取電流IB，使超量存貯電荷快速抽走； 縮短集

19、電區(qū)少子空穴壽命。集電區(qū)空穴壽命越短，集電區(qū)貯存的空穴電荷也就越少。而實現(xiàn)這一措施的辦法是向晶體管中摻金。4. 下降過程和下降時間tf縮短下降時間的辦法有： 減小CTe、CTc及壽命，減小下降過程需要由IB抽走的電荷量； 增大IB，縮短抽取速度。在考慮改變IB時，一定要兼顧其他方面。3.7.5 提高晶體管開關(guān)速度的途徑1. 晶體管內(nèi)部考慮 摻金。尤其是對NPN管摻金更為有利。它既不影響電流增益又可有效的減小集電區(qū)少子空穴的壽命，進(jìn)而減少飽和時超量貯存電荷Qc，同時加速Q(mào)c的復(fù)合。 采用外延結(jié)構(gòu)。在保證集電結(jié)耐壓的前提下，盡量減薄外延層厚度，降低外延層電阻率。這樣既可以減小集電區(qū)少子壽命，限制Qc，又可降低飽和壓降UCES。 減小結(jié)面積。這可有效的縮短td、tr和tf。但結(jié)面積的最小尺寸受集電極最大電流ICM及工藝水平的限制。 盡量減小基區(qū)寬度，進(jìn)而減小Qb，可使tr和tf大大降低。2.