電子科大微電子考研的資料晶體管ch3ppt課件

1、 推導(dǎo)步驟：推導(dǎo)步驟： 首先利用電荷控制方程得到首先利用電荷控制方程得到 “ i q ” 關(guān)系，然后再推導(dǎo)出關(guān)系，然后再推導(dǎo)出 “ q v ” 關(guān)系，兩者結(jié)合即可得到關(guān)系，兩者結(jié)合即可得到 “ i v ” 方程。方程。 本節(jié)以均勻基區(qū)本節(jié)以均勻基區(qū) NPN 管為例。管為例。BBCnCnrbBbbBbeDEDEeBEbebebeBEeeEeECeCCACBAoBBCB,d,dd,d11,1QQIIIqQrCCrVvvvVkTkTriIiqIqIrIIVVVrWWV （并推廣到高頻小信號）（并推廣到高頻小信號） 先復(fù)習(xí)一些推導(dǎo)中要用到的關(guān)系式先復(fù)習(xí)一些推導(dǎo)中要用到的關(guān)系式 3.9.1 小信號的電荷

2、控制模型小信號的電荷控制模型 ( i q 關(guān)系關(guān)系 ) 參考方向：電流均以流入為正，結(jié)電壓為參考方向：電流均以流入為正，結(jié)電壓為 vBE 和和 vCB 。EiBiCiebcBEvCBvteqteqtcqtcq 基極電流基極電流 iB 由以下由以下 6 部分組成：部分組成： 晶體管中的各種電荷為晶體管中的各種電荷為BqEqbq (2) 由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的少子形成的由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的少子形成的 ipE ，這些電荷在發(fā)，這些電荷在發(fā)射區(qū)中與多子相復(fù)合，故可表示為射區(qū)中與多子相復(fù)合，故可表示為 (1) 補充與基區(qū)少子復(fù)合掉的多子的電流補充與基區(qū)少子復(fù)合掉的多子的電流 EEq；BBq； (4) 當(dāng)當(dāng) v

3、CB 變化時，對變化時，對 CTC 的充電電的充電電流流TCddqt； (5) 當(dāng)當(dāng) qB 變化時，對變化時，對 CDE 的充電電的充電電流流 (6) 當(dāng)當(dāng) qE 變化時引起的電流變化時引起的電流 Bddqt；Eddqt (3) 當(dāng)當(dāng) vBE 變化時，對變化時，對 CTE 的充電電的充電電流流TEddqt；EiBiCiebcBEvCBvteqteqtcqtcqEqBqbqTETCBEBEBBEdd+ddqqqqqqitt 其中基區(qū)少子的小信號電荷其中基區(qū)少子的小信號電荷 qb 又可分為由又可分為由 vbe 引起的引起的 qb ( E ) 和由和由 vcb 引起的引起的 qb ( C ) 兩部分

4、。兩部分。 因此基極電流因此基極電流 iB 可以表為可以表為 基極電流的高頻小信號分量基極電流的高頻小信號分量 ib 也有類似的形式，也有類似的形式，tetcbebebBEdd+ddqqqqqqitt 集電極電流的高頻小信號分量集電極電流的高頻小信號分量 ic 由以下由以下 3 部分組成部分組成 (1) 從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子，渡越過基區(qū)被集電結(jié)收集后從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子，渡越過基區(qū)被集電結(jié)收集后所形成的所形成的 (2) 當(dāng)當(dāng) vcb 變化時，對變化時，對 CTC 的充電電的充電電流流 (3) 當(dāng)當(dāng) vcb 變化時，引起變化時，引起 qb ( C ) 變化時所需的電變化時所需的電流流bncb

5、qi；tcddqt；b Cddqt。 b Cbtccbddddqqqitt 因而因而EiBiCiebcBEvCBvteqteqtcqtcqEqBqbq 3.9.2 小信號的電荷電壓關(guān)系小信號的電荷電壓關(guān)系 ( q v 關(guān)系關(guān)系 ) 下面推導(dǎo)晶體管中的各種下面推導(dǎo)晶體管中的各種 “ q v ” 關(guān)系關(guān)系式中，式中，EEeEBEbeBEBEddqqqqVvVV因而因而EEe0Ebe0beBEed11dIqvvVrEnEEpEEEE0EEE1IIqIIIIEiBiCiebcBEvCBvteqteqtcqtcqEqBqbq BBbBBECBBECBBBbecbb Eb CBECBdddqqqqVVVV

6、qqvvqqVV 式中的式中的 qb ( E ) 實際上就實際上就是是 CDE 上的電荷，即上的電荷，即 DE beb EqC v vbe 增加時，增加時，qb ( E ) 增增加。加。 b EqBWx0EiBiCiebcBEvCBvteqteqtcqtcqEqBqbq將將 與與 代入代入 中，得中，得CbCBBBbCbCCBCBCBABCB22IIqWWIIVVVVDV eDE cbb CorqC vr 因而因而2BbB2WD vcb 增加時，增加時，qb ( C ) 減少。減少。 b CqBWx0CBbbCABCB12IWIVWVCbeDEAo1IrCVr CCbbAA2IIVVCbBIq

7、CBBVqteTEbeqC v 于是得到各于是得到各 “ q v ” 關(guān)系為關(guān)系為Ee0bee1qvrtcTCcbqC vebDE beDE cborqC vC vr將以上各將以上各 qe 、qb 、qte 、qtc 代入基極電流代入基極電流 ib 中，中，式中，式中，becbbbecbdd11ddvvivCvCrtrtbecb11j Cvj Cvrr0 eDETEe0 oDETCo,rrCCCrrrCCCr 3.9.3 高頻小信號電流電壓方程高頻小信號電流電壓方程 tetcbebebBEdd+ddqqqqqqitt經(jīng)整理和簡化后得經(jīng)整理和簡化后得也分為與也分為與 vbe 有關(guān)的有關(guān)的 和與和

8、與 vcb 有關(guān)的有關(guān)的 ，即，即 下面推導(dǎo)集電極電流下面推導(dǎo)集電極電流 ic b Cbtccbddddqqqitt 必須將上式中的必須將上式中的 看作一個整體，即看作一個整體，即 ，它，它bbqbBbbdqqbbEqbbCqBbBbbBBECBbbBECBdddqqqqVVVVCCbecbBECBIIvvVVCm becbbecbAeo11Ig vvvvVrr上式中，上式中，CmBEIgV代表集電極電流受發(fā)射結(jié)電壓變化的影響，稱為晶體管的代表集電極電流受發(fā)射結(jié)電壓變化的影響，稱為晶體管的 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移電導(dǎo)，或電導(dǎo)，或 跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)。CmqIgkT 根據(jù)發(fā)射極增量電阻根據(jù)發(fā)射極增量電阻 re re

9、的表達式，的表達式，gm gm 與與 re re 之間的關(guān)之間的關(guān)系為系為 CEme1qIqIgkTkTr 由晶體管的直流電流電壓方程由晶體管的直流電流電壓方程 ( 3-59b )( 3-59b )，BCBECESCSexp1exp1qVqVIIIkTkT當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏時，跨導(dǎo)可表為當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏時，跨導(dǎo)可表為 tccbTCb CecbDEoddddddddqvCttqrvCtrt 代入代入 ic 中，并經(jīng)整理后得中，并經(jīng)整理后得 中的其余兩項為中的其余兩項為cbcbecbeombecbod11d1vivvCrrtg vj Cvr b Cbtccbddddqqqitt 于是得到

10、共發(fā)射極高頻小信號電流電壓方程為于是得到共發(fā)射極高頻小信號電流電壓方程為bbecb11ij Cvj Cvrrcm becbo1ig vj Cvr 當(dāng)用高頻小信號的振幅來表示時，晶體管的共發(fā)射極高頻當(dāng)用高頻小信號的振幅來表示時，晶體管的共發(fā)射極高頻小信號電流電壓方程為小信號電流電壓方程為bbecbcmbecbo111Ij CVj CVrrIg Vj CVr 再由再由 Ie = -Ib - Ic 的關(guān)系，可求出的關(guān)系，可求出 Ie ，并考慮到，并考慮到embecbocmbecbo11Igj CVVrIg Vj CVr 從而可得共基極高頻小信號電流電壓方程從而可得共基極高頻小信號電流電壓方程mo11

11、1grrr（3-358a3-358a）（3-358b3-358b） 3.9.4 Y 參數(shù)參數(shù) 晶體管電流電壓關(guān)系的晶體管電流電壓關(guān)系的 Y 參數(shù)導(dǎo)納參數(shù)表示法參數(shù)導(dǎo)納參數(shù)表示法11111222212222IY VY VIY VY V V2 I1 + I2 V1 + 根據(jù)式根據(jù)式3-358的共基極高頻小信號電流電壓方程，的共基極高頻小信號電流電壓方程，11bmYgjC12bo1Yr 21bmYg 22bo1YjCrembecbocmbecbo11Igj CVVrIg Vj CVr 和和 Y 參數(shù)的定義，可得到晶體管的共基極高頻小信號參數(shù)的定義，可得到晶體管的共基極高頻小信號 Y 參數(shù)，參數(shù)， 如

12、果用另外一些元件構(gòu)成一個電路，使其輸入輸出端上信如果用另外一些元件構(gòu)成一個電路，使其輸入輸出端上信號量之間的關(guān)系和晶體管的完全一樣，則這個電路就是晶體管號量之間的關(guān)系和晶體管的完全一樣，則這個電路就是晶體管的的 等效電路。在分析含有晶體管的電路時，可以用等效電路來等效電路。在分析含有晶體管的電路時，可以用等效電路來代替晶體管。要注意的是，等效電路是對外等效對內(nèi)不等效，代替晶體管。要注意的是，等效電路是對外等效對內(nèi)不等效，所以等效電路不能用來研究晶體管的內(nèi)部物理過程。所以等效電路不能用來研究晶體管的內(nèi)部物理過程。 根據(jù)共發(fā)射極高頻小信號電流電壓方程根據(jù)共發(fā)射極高頻小信號電流電壓方程可得原始的共發(fā)

13、射極高頻小信號等效電路可得原始的共發(fā)射極高頻小信號等效電路bbecbcmbecbo111Ij CVj CVrrIg Vj CVr 1、混合、混合等效電路等效電路 電路的轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換 利用電流源之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系利用電流源之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 c、e 之間的之間的 和和 e、b 之間的之間的 可以轉(zhuǎn)化為可以轉(zhuǎn)化為 c、b 之間的之間的 ，又由于此電流正比于，又由于此電流正比于 c、b 之間的電壓之間的電壓 Vcb ，所以這實際上是，所以這實際上是 c、b 之之 間的電容間的電容 。cbjC Vcbj C VcbjC VC CDE 、CTE 和和 CTC 的意義很明顯的意義很明顯 ， 代表代表 Vcb 變

14、變化時，通過化時，通過 WB 的變化而引起的的變化而引起的 qb ( C ) 的變化。的變化。eDEorCr b CqBWx0DETEeDETCoCCCrCCCr圖中，圖中，與與 e、b 之間的之間的 作上述轉(zhuǎn)換，變成作上述轉(zhuǎn)換，變成 c、b 之間的之間的 ，這個，這個電流正比于電流正比于 Vcb ，因此是一個電阻，即，因此是一個電阻，即 r 。 再將再將 c 、e 之間的之間的 改寫成改寫成 將其中的將其中的cbo111,Vrrr()cbVrcboVrcbVrcbVr和和 。兩個受。兩個受 Vbe 控制的電流源可合并為一個電控制的電流源可合并為一個電流源，另一個受流源，另一個受 Vce 控制

15、的電流源是一個電阻控制的電流源是一個電阻 。 將將 c、e 之間剩下的之間剩下的 改寫成改寫成 從而分成分別受從而分成分別受 Vce 和和 Vbe 控制的兩個電流源，即控制的兩個電流源，即 cbo11Vrr()cebeo11,VVrr()()beo11Vrr()()ceo11Vrr()1o11rr() 于是得到晶體管的高頻小信號混合于是得到晶體管的高頻小信號混合等效電路等效電路 電路的簡化電路的簡化1mmooo1111,ggrrrrr再考慮到基極電阻再考慮到基極電阻 rbb 和和 c、b 之間的電容之間的電容 C 2 后得：后得：A0 ee0 oomECeeDETEDETCo1,VkTrrrr

16、rrgqIIrrCCCCCCr圖中，圖中， 以上等效電路因為未包括以上等效電路因為未包括 d 與與 c 的作用，因此只適用的作用，因此只適用于于 fT 500 MHz 的一般高頻管。的一般高頻管。 等效電路中有兩個等效電路中有兩個 r 與與 C 的并聯(lián)支路，所以若要作進一步的并聯(lián)支路，所以若要作進一步簡化，則在不同的頻率范圍內(nèi)有不同的簡化形式。對于簡化，則在不同的頻率范圍內(nèi)有不同的簡化形式。對于 r 、C 并聯(lián)支路，當(dāng)頻率較低時可忽略并聯(lián)支路，當(dāng)頻率較低時可忽略 C ，當(dāng)頻率較高時可忽略，當(dāng)頻率較高時可忽略 r 。分界頻率分界頻率 為為1212fr Cfr C 將將 與與 代入代入 中，得中，

17、得0 eDETE0beb0ec1112()2()2ffr CC Crf 例例 3.4 一個一個0 = 58，偏置于，偏置于 VCE = 10V，IC = 10mA 的高的高頻晶體管，其混合頻晶體管，其混合參數(shù)為參數(shù)為eobb2.6,17k,150,98k,200pF,6pF,100rrrrCCr經(jīng)計算可得經(jīng)計算可得T5.3MHz,27KHz,307MHz27KHz5.3MHzffffffCCfffCrffrr。當(dāng)時，與均可略去；當(dāng)時，與可以略去；當(dāng)時，與均可略去。 對于直流狀態(tài)或極低的頻率，可以忽略所有的電容，當(dāng)不對于直流狀態(tài)或極低的頻率，可以忽略所有的電容，當(dāng)不考慮基極電阻時，得到相應(yīng)的直流

18、小信號等效電路為考慮基極電阻時，得到相應(yīng)的直流小信號等效電路為 若忽略若忽略 ，可得簡化的直流小信號混合，可得簡化的直流小信號混合等效電路等效電路 orr 2、T 形等效電路形等效電路 略去略去 ro 與與 C 2 ， 再改畫成共基極形式，再改畫成共基極形式， 將電流源方向倒過來，將電流源方向倒過來，并且將并且將 gmVbe 改寫成改寫成 gmVeb ，得到，得到 將將 e、c 之間的之間的電流源轉(zhuǎn)換成電流源轉(zhuǎn)換成 e、b 之間和之間和 b 、c 之間的之間的兩個電流源，其中兩個電流源，其中 e、b 之間的電流源是電之間的電流源是電阻阻 。由于電阻。由于電阻 re 遠小于與其并聯(lián)的遠小于與其并聯(lián)的電阻電阻 r ，故，故 r 可以略去，得可以略去，得em1rg 再對再對 b 、c 之間的電流源之間的電流源 gmVeb 進行轉(zhuǎn)換，進行