半導體第三章_雙極晶體管8-12節(jié)

1、教學要求：1、了解基本概念：頻率響應(yīng)、及基發(fā)截止頻率、特征頻率、基區(qū)渡越時間。2、了解BJT頻率響應(yīng)特性及形成機理。華南理工大學電子與信息學院3-8 BJT的頻率響應(yīng)BJT作為放大作用的實際應(yīng)用時，直流偏壓只是提供靜態(tài)工作點，需要放大的是交流信號。隨頻率的提高，BJT的特性發(fā)生變化，尤其是放大作用顯著下降。電流增益與頻率的關(guān)系稱為晶體管的頻率響應(yīng)小信號的極和共發(fā)射極電流增益定義為： dICVCB 常數(shù)dIE dIChfeVCE 常數(shù)dIB 0 hFE h1 jfe1 1 ja，或共發(fā)電流放大系數(shù)下降3dB,截止頻率（）華南理工大學電子與信息學院特征頻率（ T ）: 共發(fā)射極增益的模值降為1時的

2、頻率。 hFE 1 h fe由h當時，T1 1 j fe hFE -增益帶寬乘積所以：h2 1TFE01 0 h由0TFE1 00最高振蕩頻率（m）:特征頻率下，因輸出阻抗遠大于輸入阻抗，晶體管有電壓增益，功率增益大于1。m 是指功率增益為1時晶體管的工作頻率。華南理工大學電子與信息學院結(jié)論：共發(fā)射極截止頻率 要比 a 低得多，但增益帶寬積很接近。當輸入信號變化時晶體管內(nèi)部的載流子分布要發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起輸出信號的變化。較低時，載流子分布變化跟得上輸入信號的變化，輸出信號跟得上輸入信號的變化；高到一定程度時，載流子分布變化跟不上輸入信號的變化，輸出信號跟不上輸入信號的變化。從而造成信號從

3、發(fā)射極向集電極傳送時的時間延遲，引起器件的增益等性能變差。華南理工大學電子與信息學院BJT頻率響應(yīng)機理：信號從發(fā)射極向集電極傳送時需要一個時間延遲。1） 發(fā)射結(jié)勢壘電容充電時間（ E ）由于PN結(jié)的電容效應(yīng)，高頻信號通過PN結(jié)時必須對PN結(jié)電容充電。正向偏置的發(fā)射結(jié)勢壘電容CTE與結(jié)電阻 re 并聯(lián)， reC充電時間常數(shù)為EETdIEVT I)1V eVI(rE/T由得e I EEE0dVE正向偏置的發(fā)射結(jié)勢壘電容粗略估計 VR=0 時電容值的4倍。4VTC0 r（3-8-8）CEeTETEIE華南理工大學電子與信息學院引起時間延遲的重要：基區(qū)渡越時間（ B）2）vx 渡越基區(qū)，則基假設(shè)基區(qū)少

4、數(shù)載流子電子以有效速度區(qū)電子電流為I n qAnp xvx（3-8-9）dx vxdt因一個電子渡過基區(qū)所需要的時間qAnp xdx dx xB0 xB（3-8-10）vxBI0nI nn x xBxN dx又paqAD Nna對于均勻基區(qū)晶體管：x 2BB2Dn華南理工大學電子與信息學院1xBdxxB N xdxBD0N x xa na集電結(jié)耗盡層渡越時間（ d ）集電結(jié)處在高的反向偏壓下，耗盡層具有一定厚度，載流子需要渡越時間。由于此時耗盡層的電場很高，載流子達3）到飽和速度。 xmdvsxm 是集電結(jié)耗盡層的總厚度，vs 是載流子越過集電結(jié)耗盡層的飽和速度。集電結(jié)電容充電時間（C）4）集

5、電結(jié)處在反向偏壓下使得與結(jié)電容并聯(lián)的電阻很大，可視為開路。充電時間常數(shù)由電容CTC和集電極串聯(lián)電阻rSC所決定： C rSC CTC對于重摻雜的外延襯底，集電極電阻很小， C 因而可以忽略。但在集成晶體管中應(yīng)把它計算進去。華南理工大學電子與信息學院中的全部時間延遲為（ ec ）從發(fā)射極到集電極的信號：E B d ecC截止頻率 等于從發(fā)射極到集電極的信號中的全部時間延遲1的倒數(shù)。因而有1f 2ceec 影響截止頻率的主要：（1）發(fā)射極電流（IE）：當IE 增加， E變小，因此增加。但 IE 過大，則引起克（Kirk）效應(yīng)（基區(qū)展寬效應(yīng)）。大量注入電子抵達集電結(jié)，增加空間電荷區(qū)負電荷的濃p W)

6、( Nd度，減少了正電荷的N濃度(。apn)nWpnIE，npVC不變時，Wp,Wn，使空間電荷區(qū)電場變小，從而引起WB，導致 B華南理工大學電子與信息學院 ec e b0 d cx 2 4VTB r CCB2DEeTETEInE xm d rCvsCSCTC（2）減小基區(qū)寬度但當基區(qū)寬度足夠小時，再減小WB幾乎對提高截止頻率不起多少作用，反而產(chǎn)生諸如提高rbb（3）減小結(jié)面積，降低VA等副作用。（4）減小集電極結(jié)串聯(lián)電阻華南理工大學電子與信息學院教學要求：1、了解混合等效電路構(gòu)建思路，2、能熟練畫出混合的物理意義。等效電路圖，理解各參數(shù)3、理解概念：跨導、直流輸入電導、擴散電容華南理工大學電

7、子與信息學院3-9 BJT的混合等效電路混合模型中NPNBJT的剖面圖圖3-22 混合模型等效電路組成部分華南理工大學電子與信息學院r0 ：基區(qū)寬變效應(yīng)引起的電阻rc ：反偏集電結(jié)的擴散電阻反偏集襯結(jié)電容Cs：反偏集襯結(jié)電容受控電流源CTE、 CTC：耗盡層電容CD：擴散電容集電極串聯(lián)電阻發(fā)射極串聯(lián)電阻發(fā)射結(jié)擴散電阻rbb : 基極擴展電阻混合等效電路：圖3-25 VE，QB和Ic之間關(guān)系的示意圖圖3-24簡化混合等效電路華南理工大學電子與信息學院主要物理參數(shù)：（1）、跨導（ gm）dICg 它反映了發(fā)射結(jié)電壓對集電極電流的調(diào)制。mdVE正向有源模式下，當xBCTE+CTC的情形，增益-帶寬乘

8、積為 2Dn（3-9-13） hFET2xB華南理工大學電子與信息學院教學要求：1、理解晶體管開關(guān)工作的機理；2、了解晶體管開關(guān)時間所涉及的物理過程；3、時間的推導。華南理工大學電子與信息學院3-10 BJT的開關(guān)特性當晶體管工作狀態(tài)往返于飽和與截止狀態(tài)之間時，晶體管起到通-斷的開關(guān)作用。由圖3-26b中的電流脈沖驅(qū)動，使得晶體管運用于截止區(qū)與飽和區(qū)。華南理工大學電子與信息學院工作原理：iB IB 2 0晶體管處于截止區(qū) V當VVE 0,VC 0CECC VCC IC RLVCE IB1 00iBViVICE當BCE V VVCECBBE0產(chǎn)生IGV2通產(chǎn)生IC2V1通IC1IC2出現(xiàn)強烈的正

9、反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導通。晶閘管導通后，即使去掉門極電流，仍能維持導通。晶閘管結(jié)構(gòu)模型(a)及工作原理圖(b)晶閘管器件結(jié)構(gòu)剖面圖晶閘管與硅整流二極管相似，都具有反向阻斷能力，但晶閘管還具有正向阻斷能力，即正向?qū)l件：陽極加正向電壓，同時控制極也加正向觸發(fā)電壓.晶閘管一旦導通，控制極即失去控制作用。要使晶閘管重新關(guān)斷，必須一是將陽極電流減小到小于維持電流IH；二是將陽極電壓減小到零或使之反向。華南理工大學電子與信息學院HBT結(jié)構(gòu)剖面圖華南理工大學電子與信息學院3-13 HBT結(jié)構(gòu)及工作原理BHT工作于放大狀態(tài)時能帶圖華南理工大學電子與信息學院異質(zhì)結(jié)接觸前與接觸后能帶圖寬禁帶發(fā)射區(qū)異質(zhì)結(jié)可以使