微電子器件3-8課件

3.8電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，首先用被稱為“偏置”或“工作點(diǎn)”的直流電壓或直流電流使晶體管工作在放大區(qū)，然后

把欲放大的高頻信號(hào)疊加在輸入端的直流偏置上。

當(dāng)信號(hào)電壓的振幅遠(yuǎn)小于（kT/q）

小信號(hào)。這時(shí)晶體管內(nèi)與信號(hào)有關(guān)的各電壓、電流和電荷量，都由直流偏置和高頻小信號(hào)兩部分組成，其高頻小信號(hào)的振幅都遠(yuǎn)小于相應(yīng)的直流偏置。各高頻小信號(hào)電量之間近似地成

線性關(guān)系。

電流、電壓和電荷量的符號(hào)（以基極電流為例）總瞬時(shí)值：其中的直流分量：其中的高頻小信號(hào)分量：高頻小信號(hào)的振幅：由于各小信號(hào)電量的振幅都遠(yuǎn)小于相應(yīng)的直流偏置，而且是疊加在直流偏置上的，所以可

將小信號(hào)作為總瞬時(shí)值的

微分來處理。仍以基極電流為例，即：或隨著信號(hào)頻率f的提高，

和

的幅度會(huì)減小，相角會(huì)滯后。以分別代表高頻小信號(hào)的發(fā)射結(jié)注入效率、基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)、共基極和共發(fā)射極電流放大系數(shù)，它們都是復(fù)數(shù)。對(duì)極低的頻率或直流小信號(hào)，即當(dāng)ω

→0時(shí)，它們分別成為。

3.8.2基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)與頻率的關(guān)系

高頻小信號(hào)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的定義基區(qū)中到達(dá)集電結(jié)的少子電流的高頻小信號(hào)分量

ipc與從發(fā)射結(jié)注入基區(qū)的少子形成的高頻小信號(hào)電流分量ipe之比，稱為高頻小信號(hào)基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，記為，即：

基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)隨頻率的變化主要由少子的基區(qū)渡越時(shí)間所引起。(1)復(fù)合損失使

的物理意義：基區(qū)中單位時(shí)間內(nèi)的復(fù)合率為，少子在渡越時(shí)間b內(nèi)的復(fù)合率為，因此到達(dá)集電結(jié)的未復(fù)合少子占進(jìn)入基區(qū)少子總數(shù)，這就是

。這種損失對(duì)直流與高頻信號(hào)都是相同的。2、基區(qū)渡越時(shí)間

的作用(2)時(shí)間延遲使相位滯后對(duì)角頻率為ω的高頻信號(hào)，集電結(jié)處的信號(hào)比發(fā)射結(jié)處在相位上滯后ωb

，因此在的表達(dá)式中應(yīng)含有因子。(3)渡越時(shí)間的分散使減小已知在直流時(shí)，，現(xiàn)

假定上述關(guān)系也適用于高頻小信號(hào)，即：3、由電荷控制法求高頻小信號(hào)空穴電流的電荷控制方程為當(dāng)暫不考慮復(fù)合損失時(shí)，可先略去復(fù)合項(xiàng)?；鶇^(qū)ipeipc上式可改寫為一般情況下，得：式中，代表復(fù)合損失，代表相位的滯后，代表b的分散使的減小。由于采用了的假設(shè)而使

的表達(dá)式不夠精確，因?yàn)檫@個(gè)假設(shè)是從直流情況下直接推廣而來的。但是在交流情況下，從發(fā)射結(jié)注入基區(qū)的少子電荷qb，要延遲一段時(shí)間后才會(huì)在集電結(jié)產(chǎn)生集電極電流

ipc。計(jì)算表明，這段延遲時(shí)間為，m

稱為

超相移因子，或

剩余相因子，可表為延遲時(shí)間的作用對(duì)于均勻基區(qū)，η=0，m=0.22?？紤]到延遲時(shí)間后，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的準(zhǔn)確式子為當(dāng)不考慮擴(kuò)散電容與寄生參數(shù)時(shí)，PN

結(jié)的交流小信號(hào)等效電路是

發(fā)射極增量電阻與電容CTE

的并聯(lián)。iereCTEeb流過電阻re的電流為流過電容CTE的電流為iectier因此暫不考慮從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)形成的ine（即假設(shè)）時(shí)，再計(jì)入

的作用后，得：式中，，稱為

發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電時(shí)間常數(shù)。當(dāng)不考慮勢(shì)壘電容與寄生參數(shù)時(shí)，PN

結(jié)的交流小信號(hào)等效電路是發(fā)射極增量電阻與電容CDE

的并聯(lián)。ieipeipcreCDEebiecdier

2、發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容充放電時(shí)間常數(shù)流過電阻re的電流為流過電容CDE的電流為因此

3、集電結(jié)耗盡區(qū)延遲時(shí)間當(dāng)基區(qū)少子進(jìn)入集電結(jié)耗盡區(qū)后，在其中強(qiáng)電場(chǎng)的作用下以飽和速度vmax作漂移運(yùn)動(dòng)，通過寬度為xdc的耗盡區(qū)所需的時(shí)間為當(dāng)空穴進(jìn)入耗盡區(qū)后，會(huì)改變其中的空間電荷分布，從而改變電場(chǎng)分布和電位分布，這又會(huì)反過來影響電流。這里采用一個(gè)簡(jiǎn)化的模型來表示這種影響。設(shè)電荷量為qc

的基區(qū)少子（空穴）進(jìn)入集電結(jié)耗盡區(qū)后，在它通過耗盡區(qū)的

t

期間，平均而言會(huì)在耗盡區(qū)兩側(cè)分別感應(yīng)出兩個(gè)(-qc/2)的電荷。當(dāng)集電區(qū)一側(cè)感應(yīng)出(-qc/2)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)向右的電流。這時(shí)雖然電荷qc還未流出集電結(jié)耗盡區(qū)，但在集電極中已經(jīng)出現(xiàn)感應(yīng)電流，所以實(shí)際的渡越時(shí)間縮短了。NPipcipccxdcqc-qc/2-qc/2式中，稱為

集電結(jié)耗盡區(qū)延遲時(shí)間。計(jì)算表明，總的高頻小信號(hào)集電極電流為式中，，代表

集電結(jié)勢(shì)壘電容經(jīng)集電區(qū)的充放電時(shí)間常數(shù)。

5、共基極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)及其截止頻率式中，稱為

信號(hào)延遲時(shí)間，代表信號(hào)從發(fā)射極到集電極總的延遲時(shí)間，則

可寫為當(dāng)時(shí)，令的頻率特性主要由WB和決定，即：

討論兩種情況(1)對(duì)截止頻率不是特別高的一般高頻管，例如fa<<500MHz的高頻晶體管，基區(qū)寬度WB>

1

m，此時(shí)，（2）對(duì)fa>500MHz的現(xiàn)代微波管，WB<1m，b只占ec

中很小一部分，就更小了，因此，可忽略，得：6、共發(fā)射極高頻小信號(hào)短路電流放大系數(shù)及其截止頻率將代入，得：若忽略，得：

與的關(guān)系在忽略的情況下，所以

3.8.4晶體管的特征頻率1、

隨頻率的變化在此頻率范圍內(nèi)，ic比ib滯后900，且與f成反比，即頻率每加倍，

減小一半。由于功率正比于電流平方，所以頻率每加倍，功率增益降為1/4。

定義：當(dāng)降為1時(shí)的頻率稱為

特征頻率

，記為fT

。由可解得：

2、特征頻率的定義

因所以fT

可表為對(duì)于fa>500MHz

的現(xiàn)代微波管，可忽略，這時(shí)對(duì)于fa<<500MHz的晶體管，ec

中以b為主，這時(shí)可得的關(guān)系曲線也有類似的頻率特性。由實(shí)際測(cè)量fT

時(shí)，不一定要測(cè)到使下降為1時(shí)的頻率，而是在的條件下測(cè)量（可以大于1），然后根據(jù)，即可得到由于上式，fT

又稱為晶體管的

增益帶寬乘積。高頻管的工作頻率一般介于fβ與fT之間。

3、特征頻率的測(cè)量

4、特征頻率隨偏置電流的變化小電流時(shí),隨著

IE或

IC的增大，eb減小，使

fT提高，所以

fT在小電流時(shí)隨電流的增大而提高。但是當(dāng)電流很大時(shí)，eb

的影響變小，甚至可以略去。

大電流下，當(dāng)基區(qū)發(fā)生縱向擴(kuò)展

WB時(shí)，使基區(qū)渡越時(shí)間

b增加。同時(shí)，集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)厚度將減小

WB，使集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延遲時(shí)間

d變小。但是

b

的增加要比

d

的減小大得多，所以

fT在大電流時(shí)隨電流的增大而降低。

此外，fT隨著

VBC的減小而下降。這是因?yàn)?/p>

VBC減小時(shí)集電結(jié)