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1、說明書雙極型晶體管參數(shù)提取方法及其等效電路技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域,更進(jìn)一步涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域中的雙極型晶體管的參數(shù)提取方法及其等效電路。該方法可用于提取雙極型晶體管的參數(shù),由該方法建立的雙極性晶體管等效電路可以用來搭建電路,對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行仿真。背景技術(shù)目前,在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域中,常用的雙極型晶體管參數(shù)提取方法有兩種:一種是通過雙極型晶體管的尺寸、結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)提取,另一種是通過雙極型晶體管的直流和交流測(cè)試進(jìn)行參數(shù)提取。常用的雙極型晶體管等效電路為 GP 等效電路和 VBIC 等效電路。華虹 NEC 電子在其專利申請(qǐng)文件 “雙極型晶體管 SPICE 模型的建模方法”(公開號(hào) CN 10
2、1201850A, 申請(qǐng)?zhí)?200610119395.2,申請(qǐng)日 2006.12.11)中公開了一種雙極型晶體管參數(shù)提取方法及其等效電路。該方法是以一種尺寸的雙極型晶體管參數(shù)作為初始參數(shù),以這組參數(shù)為基礎(chǔ),確定其他尺寸的雙極型晶體管參數(shù)。該方法存在的不足是僅能提取雙極型晶體管的直流參數(shù)和低頻參數(shù),基于該方法建立的雙極型晶體管等效電路也僅能反映雙極型晶體管的直流和低頻特性。Jianjun,Jiali Cheng 等人在文獻(xiàn)“An improved Nonlinear Mfor InaAsHBTs”(CJMW ,2011 China-Japan Jo,page1,April 2011)公開了一種雙
3、極型晶體管參數(shù)提取方法及其等效電路。該方法是通過雙極型晶體管的直流和交流測(cè)試進(jìn)行參數(shù)提取。該方法存在的不足是僅能擬合好雙極型晶體管一個(gè)工作點(diǎn)的等效電路參數(shù),基于該方法建立的雙極型晶體管等效電路也僅能反映雙極型晶體管一個(gè)工作點(diǎn)的器件特性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供了一種雙極型晶體管參數(shù)提取方法及其等效電路,可以使雙極型晶體管等效電路更好反映實(shí)際器件的電學(xué)特性。本發(fā)明的具體思路是:將雙極型晶體管發(fā)射極接地,基極和集電極短路,在基極加電壓,測(cè)基極和集電極電流,完成雙極型晶體管正曲線的測(cè)試。將雙極型晶體管集電極接地,基極和發(fā)射極短路,在基極加電壓,測(cè)基極和發(fā)射極電流,完成雙極型晶
4、體管反曲線的測(cè)試。將雙極型晶體管發(fā)射極接地,集電極開路,在基極加電流,測(cè)集電極電壓,完成晶體管集電極開路測(cè)試。將雙極型晶體管集電極接地,發(fā)射極開路,在基極加電流,測(cè)發(fā)射極電壓,完成雙極型晶體管發(fā)射極開路測(cè)試。將雙極型晶體管等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),其發(fā)射極接地,基極作為輸入端口,集電極作為輸出端口,用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試輸入和輸出端口的入射波和反射波,完成晶體管的 S 參數(shù)測(cè)試。本發(fā)明雙極型晶體管參數(shù)提取方法的具體步驟如下:(1) 直流測(cè)試用半導(dǎo)體分析儀對(duì)雙極型晶體管進(jìn)行直流測(cè)試,得到共射電流輸出曲線和正反向葛潘曲線數(shù)據(jù);(2) 集電極和發(fā)射極開路測(cè)試用半導(dǎo)體分析儀對(duì)雙極型晶體管進(jìn)行集電極開路和發(fā)射極開
5、路測(cè)試,得到集電極開路和發(fā)射極開路測(cè)試數(shù)據(jù);(3) 開路短路測(cè)試3a)用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)雙極型晶體管開路結(jié)構(gòu)進(jìn)行 S 參數(shù)測(cè)試,得到開路結(jié)構(gòu)的 S參數(shù)數(shù)據(jù);3b)用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)雙極型晶體管短路結(jié)構(gòu)進(jìn)行 S 參數(shù)測(cè)試,得到短路結(jié)構(gòu)的 S參數(shù)數(shù)據(jù);S 參數(shù)測(cè)試4a)用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)雙極型晶體管進(jìn)行一定電壓范圍內(nèi)的結(jié)電容 S 參數(shù)測(cè)試,得到結(jié)電容的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù);4b)用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)雙極型晶體管進(jìn)行一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)測(cè)試,得到一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù);提取電流參數(shù)將步驟(1)中得到的正反調(diào)節(jié)功能調(diào)節(jié)電流參數(shù),擬合正反曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ADS中,用 ADS中的參數(shù)曲線,得到雙極型晶體管的電流參數(shù);
6、(6)提取電阻參數(shù)6a)將步驟(2)得到的集電極開路測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入 origin中,用 origin的曲線擬合功能擬合基極電流和集電極電壓關(guān)系曲線,得到發(fā)射極電阻參數(shù);6b)將步驟(2)得到的發(fā)射極開路測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入 origin中,用 origin的曲線擬合功能擬合基極電流和發(fā)射極電壓關(guān)系曲線,得到集電極電阻參數(shù);(7)提取焊盤寄生參數(shù)7a)將步驟(3)的雙極型晶體管開路和短路結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ADS 軟件中,用 ADS中的參數(shù)轉(zhuǎn)換功能將 S 參數(shù)轉(zhuǎn)成 Y 參數(shù),再將 Y 參數(shù)轉(zhuǎn)成 Z 參數(shù),畫出雙極型晶體管的開路和短路結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D,得到 Y 參數(shù)和 Z 參數(shù)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電阻、電感
7、、電容關(guān)系數(shù)據(jù);7b)將步驟 7a)中獲得的關(guān)系數(shù)據(jù)導(dǎo)入 origin中,用 origin的繪圖功能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為曲線,再用 origin結(jié)構(gòu)的電阻、電感和電容參數(shù);中的曲線擬合功能擬合該曲線,得到步驟 7a)中拓?fù)洌?)去嵌入處理8a)將步驟(3)中獲得的雙極型晶體管開路和短路結(jié)構(gòu) S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)和步驟 4a)中獲得的結(jié)電容 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入 ADS中,用 ADS的 S 參數(shù)處理功能對(duì)三組 S 參數(shù)進(jìn)行處理,得到去嵌入后一定范圍內(nèi)的結(jié)電容 S 參數(shù)數(shù)據(jù);8b)將步驟(3)中獲得的雙極型晶體管開路和短路結(jié)構(gòu) S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)和步驟4b)中獲得的一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入 AD
8、S中,用 ADS的 S 參數(shù)處理功能對(duì)三組 S 參數(shù)進(jìn)行處理,得到去嵌入后的一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)數(shù)據(jù);(9) 提取電容參數(shù)將步驟 8a)中去嵌入后的結(jié)電容 S 參數(shù)數(shù)據(jù)的低頻部分導(dǎo)入 ADS中的參數(shù)轉(zhuǎn)換功能將 S 參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為結(jié)電容參數(shù)數(shù)據(jù),用 ADS中,用 ADS中的參數(shù)調(diào)節(jié)功能調(diào)節(jié)結(jié)電容參數(shù),擬合結(jié)電容電壓關(guān)系曲線,得到發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的結(jié)電容參數(shù);(10) 擬合傳輸時(shí)間函數(shù)將步驟 8b)中去嵌入后一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ADS中的參數(shù)轉(zhuǎn)換功能將 S 參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為傳輸時(shí)間函數(shù)數(shù)據(jù),用 ADS調(diào)節(jié)傳輸時(shí)間函數(shù)參數(shù),擬合傳輸時(shí)間函數(shù);中,用 ADS中的參數(shù)調(diào)節(jié)功能(11)優(yōu)化參數(shù)將步驟
9、(1)中的雙極型晶體管共射電流輸出曲線數(shù)據(jù)和步驟 8b)中雙極型晶體管去嵌入后一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ADS線擬合,優(yōu)化等效電路參數(shù)。中,用 ADS的曲線擬合功能進(jìn)行曲依據(jù)本發(fā)明的方法所建立的晶體管等效電路包括三個(gè)電感、五個(gè)電容、六個(gè)電阻和本征模塊 BJT;其中,本征模塊 BJT 的 B 端、電阻 R4、電阻 R1 和電感 L1 依次串聯(lián),本征模塊 BJT的 E 端、電阻 R5、電阻 R2 和電感 L2 依次串聯(lián),本征模塊 BJT 的 C 端、電阻 R6、電阻R3 和電感 L3 依次串聯(lián),電容 C4 連接電阻 R1、電阻 R4 之間的節(jié)點(diǎn) 4 和電阻 R3、電阻 R6 之間的節(jié)點(diǎn) 6,
10、電容 C5 連接電阻 R1、電阻 R4 之間的節(jié)點(diǎn) 4 和電阻 R2、電阻 R5 之間的節(jié)點(diǎn) 5,電容 C1 連接電感 L1 另一終端的節(jié)點(diǎn) 1 和電感 L2 另一終端的節(jié)點(diǎn) 2,電容 C2 連接電感 L2 另一終端的節(jié)點(diǎn) 2 和電感 L3 另一終端的節(jié)點(diǎn) 3,電容 C3 連接電感 L1另一終端的節(jié)點(diǎn) 1 和電感 L3 另一終端的節(jié)點(diǎn) 3。本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):第一,本發(fā)明采用對(duì)雙極型晶體管進(jìn)行一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)測(cè)試方法,克服了現(xiàn)有技術(shù)中僅能提取雙極型晶體管一個(gè)工作點(diǎn)參數(shù)的問題,使得在提取雙極型晶體管參數(shù)時(shí)可同時(shí)提取一組工作點(diǎn)參數(shù),可用于建立適用于不同情況電路的雙極型晶體管
11、等效電路。第二,本發(fā)明采用對(duì)傳輸時(shí)間函數(shù)進(jìn)行擬合的方法,克服了現(xiàn)有技術(shù)中僅能提取雙極型晶體管直流參數(shù)和低頻參數(shù)的問題,使得在提取雙極型晶體管參數(shù)時(shí)可以提取高頻參數(shù),可用于建立適用于高頻電路的雙極型晶體管等效電路。第三,基于本發(fā)明方法建立的雙極型晶體管等效電路,克服了現(xiàn)有技術(shù)中雙極型晶體管等效電路僅能反映雙極型晶體管一個(gè)工作點(diǎn)的器件特性的不足,使得雙極型晶體管等效電路能反映雙極型晶體管一組工作點(diǎn)的器件特性,可用于不同情況電路的仿真。第四,基于本發(fā)明方法建立的雙極型晶體管等效電路,克服了現(xiàn)有技術(shù)中雙極型晶體管等效電路僅能反映雙極型晶體管的直流和低頻特性的不足,使得雙極型晶體管等效電路更準(zhǔn)確的反映雙
12、極型晶體管的高頻特性,可用于高頻電路仿真。附圖說明圖 1 為本發(fā)明方法流程圖;圖 2 為本發(fā)明等效電路的原理圖;圖 3 為本發(fā)明等效電路本征模塊 BJT 的電路原理圖;圖 4 為本發(fā)明等效電路的共射電流輸出曲線擬合效果圖;圖 5 為本發(fā)明等效電路的四組 S 參數(shù)擬合效果圖。具體實(shí)施方式:下面結(jié)合附圖 1,對(duì)本發(fā)明的方法做進(jìn)一步描述。步驟 1.直流測(cè)試1a)用半導(dǎo)體分析儀測(cè)試雙極型晶體管的共射電流輸出曲線,測(cè)試方法為將雙極型晶體管發(fā)射極接地,在基極加電流,范圍是 10uA50uA,步長(zhǎng) 10uA,在集電極加電壓,范圍是 0V5V,步長(zhǎng) 1V,測(cè)集電極的電流;1b)用半導(dǎo)體分析儀測(cè)試雙極型晶體管的
13、正曲線,測(cè)試方法為將雙極型晶體管的發(fā)射極接地,基極和集電極短路,在基極加電壓,范圍是 0.8V1.3V,測(cè)基極和集電極電流;1c)用半導(dǎo)體分析儀測(cè)試雙極型晶體管的反曲線,測(cè)試方法為將雙極型晶體管集電極接地,基極和發(fā)射極短路,在基極加電壓,電壓范圍是 0.8V1.3V,測(cè)基極和發(fā)射極電流。步驟 2. 集電極和發(fā)射極開路測(cè)試2a)用半導(dǎo)體分析儀對(duì)雙極型晶體管進(jìn)行集電極開路測(cè)試,測(cè)試方法為將雙極型晶體管發(fā)射極接地,集電極開路,在基極加電流,范圍是 0mA15mA,步長(zhǎng) 1mA,測(cè)集電極電壓;2b)用半導(dǎo)體分析儀對(duì)雙極型晶體管進(jìn)行發(fā)射極開路測(cè)試,測(cè)試方法為將雙極型晶體管集電極接地,發(fā)射極開路,在基極加
14、電流,電流范圍是電流 0mA15mA,步長(zhǎng) 1mA,測(cè)發(fā)射極電壓。步驟 3. 開路短路測(cè)試3a)S 參數(shù)測(cè)試方法為,將雙極型晶體管等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),其發(fā)射極接地,基極作為輸入端口,集電極作為輸出端口。用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試輸入和輸出端口的入射波和反射波,得到 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù);3b)將雙極型晶體管從焊盤去除,將雙極型晶體管的發(fā)射極焊盤接地,基極焊盤作為輸入端口,將集電極焊盤作為輸出端口,用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)焊盤進(jìn)行 S 參數(shù)測(cè)試,得到開路結(jié)構(gòu)的不同頻率點(diǎn)的 S 參數(shù)數(shù)據(jù),頻率范圍是 0.1GHz40GHz;3c)用短路結(jié)構(gòu)替換焊盤的雙極型晶體管,將雙極型晶體管的發(fā)射極焊盤接地,將基極焊盤作為輸入端口,
15、將集電極焊盤作為輸出端口,用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)焊盤進(jìn)行 S 參數(shù)測(cè)試,得到短路結(jié)構(gòu)的不同頻率點(diǎn)的 S 參數(shù)數(shù)據(jù),頻率范圍是 0.1GHz40GHz。步驟 4. S 參數(shù)測(cè)試4a)S 參數(shù)測(cè)試方法為,將雙極型晶體管等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),其發(fā)射極接地,基極作為輸入端口,集電極作為輸出端口。用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試輸入和輸出端口的入射波和反射波,得到 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù);4b)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電容 S 參數(shù)測(cè)試,將雙極型晶體管發(fā)射極接地,基極加電壓,電壓范圍是-3V1V,將基極作為輸入端口,將集電極作為輸出端口,用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行一定電壓范圍內(nèi)結(jié)電容 S 參數(shù)測(cè)試,頻率范圍是 0.1GHz40GHz,得到一定電壓范圍內(nèi)
16、結(jié)電容 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù);4c)將晶體管發(fā)射極接地,基極加電流,電流范圍是 0uA50uA,步長(zhǎng) 10uA,集電極加電壓,電壓為 3.6V,將基極作為輸入端口,將集電極作為輸出端口,用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)測(cè)試,頻率范圍是 0.1GHz40GHz,得到一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)。步驟 5. 提取電流參數(shù)將步驟 1 中的得到的曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ADS中,用 ADS中的參數(shù)調(diào)節(jié)功能調(diào)節(jié)電流參數(shù),擬合曲線中的基極電流和集電極電流曲線,得到晶體管本征模塊曲線的基極電流曲線中提取 IBEN、NEN、 IBEI、NEI,在正的電流參數(shù)值,在正曲線的集電極電流曲線中提取 IS、NF,在反曲線的
17、基極電流曲線中提取、IBCI、NCI,在反曲線的集電極電流曲線中提取 NR。步驟 6. 提取電阻參數(shù)6a)將步驟 2 得到的集電極開路測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入 origin中,用 origin的曲線擬合功能擬合基極電流和集電極電壓關(guān)系曲線,得到發(fā)射極電阻參數(shù);6b)將步驟 2 得到的發(fā)射極開路測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入 origin中,用 origin的曲線擬合功能擬合基極電流和發(fā)射極電壓關(guān)系曲線,得到集電極電阻參數(shù)。步驟 7. 提取焊盤寄生參數(shù)7a)將步驟 3 中的雙極型晶體管的開路和短路結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ADS中,ADS中的參數(shù)轉(zhuǎn)換功能將 S 參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成 Y 參數(shù)數(shù)據(jù),再將 Y 參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成 Z參數(shù)數(shù)
18、據(jù),畫出雙極型晶體管的開路和短路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,得到 Y 參數(shù)和 Z 參數(shù)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電阻、電感、電容關(guān)系數(shù)據(jù);7b)將步驟 7a)獲得的關(guān)系數(shù)據(jù)導(dǎo)入 origin中,origin的繪圖功能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為曲線,origin電感和電容參數(shù)。中的曲線擬合功能擬合該曲線,得到步驟 7a)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電阻、步驟 8.去嵌入處理8a)將步驟 3 中獲得的雙極型晶體管的開路和短路結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)和步驟 4b)中獲得的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)分別據(jù)導(dǎo)入 ADS中,ADS的 S 參數(shù)處理功能將三組 S參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到去嵌入后一定電壓范圍內(nèi)的結(jié)電容 S 參數(shù)數(shù)據(jù);8b)將步驟 3 中獲得的雙極型晶體管的開
19、路和短路結(jié)構(gòu)的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)和步驟 4c)中獲得的 S 參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入 ADS中,ADS的 S 參數(shù)處理功能將三組 S參數(shù)進(jìn)行處理,得到去嵌入后一組工作點(diǎn)下的 S 參數(shù)數(shù)據(jù)。步驟 9. 提取電容參數(shù)將步驟 8a)中的雙極型晶體管電容 S 參數(shù)數(shù)據(jù)的低頻部分導(dǎo)入 ADS中,用 ADS中的參數(shù)轉(zhuǎn)換功能將 S 參數(shù)轉(zhuǎn)為電容參數(shù),得到發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的結(jié)電容與電壓關(guān)系曲線;在低頻 200MHz 的固定頻率下,將發(fā)射極和集電極接地,改變基極電壓,范圍是-31V,測(cè)量雙極性型晶體管的 S 參數(shù),提取 CJE、PE、ME、 CBEO;在低頻 200MHz的固定頻率下,將發(fā)射極和基極接地,改變集電極電
20、壓,范圍是-13V,提取 CJC、PC、 MC、 CBCO。步驟 10. 擬合傳輸時(shí)間函數(shù)將步驟 8c)中雙極型晶體管的 S 參數(shù)的導(dǎo)入 ADS中,用 ADS中的參數(shù)轉(zhuǎn)換功能將 S 參數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為傳輸時(shí)間函數(shù)數(shù)據(jù),通過 S 參數(shù)導(dǎo)出增益與頻率的關(guān)系,在 ADS 中進(jìn)行曲線擬合得到 TF、XTF、VTF、ITF。步驟 11. 參數(shù)優(yōu)化將步驟 1 中的雙極型晶體管共射電流輸出特性和步驟 8b)中雙極型晶體管一組工作點(diǎn)的 S 參數(shù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ADS中,進(jìn)行曲線擬合,優(yōu)化等效電路參數(shù)。下面結(jié)合附圖 2 和附圖 3,對(duì)本發(fā)明的等效電路做進(jìn)一步描述。基于雙極性晶體管參數(shù)提取方法建立的雙極型晶體管等效電路,包括
21、三個(gè)電感、五個(gè)電容、六個(gè)電阻和本征模塊 BJT;其中,本征模塊 BJT 的 B 端、電阻 R4、電阻 R1 和電感 L1 依次串聯(lián),晶體管本征模塊 BJT 的 E 端、電阻 R5、電阻 R2 和電感 L2 依次串聯(lián),本征模塊 BJT 的 C 端、電阻 R6、電阻 R3 和電感 L3 依次串聯(lián),電容 C4 連接電阻 R1、電阻 R4 之間的節(jié)點(diǎn) 4 和電阻 R3、電阻 R6 之間的節(jié)點(diǎn) 6,電容 C5 連接電阻 R1、電阻 R4 之間的節(jié)點(diǎn) 4 和電阻 R2、電阻 R5 之間的節(jié)點(diǎn) 5,電容 C1 連接在電感 L1 另一終端的節(jié)點(diǎn) 1 和電感 L2 另一終端的節(jié)點(diǎn) 2,電容 C2 連接電感 L2 另一終端的節(jié)點(diǎn) 2 和電感 L3另一終端的節(jié)點(diǎn) 3,電容 C3 連接電感 L1 另一終端的節(jié)點(diǎn) 1 和電感 L3 另一終端的節(jié)點(diǎn) 3;本征模塊 BJT 包括兩個(gè)電阻、三個(gè)電荷控件和三個(gè)電流控件;本征模塊 BJT 有三個(gè)端口 B 端口、C 端口和 E 端口;在本征模塊 BJT 的 C 端口和
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