為電子器件與ic設(shè)計(jì)第三章bjt 3擴(kuò)展

1BJT頻率特性2第六節(jié)BJT的頻率特性放大系數(shù)的分貝表示：6分貝/倍頻αβ3dBfβfTf電流放大系數(shù)（dB）03dBfα＋＋＋－－－＋＋＋－－－＋＋＋－－－發(fā)射區(qū)(N)基區(qū)(P)空間電荷區(qū)3第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)（一）發(fā)射效率及發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間Vbe交變

發(fā)射節(jié)空間電荷區(qū)寬度變化

CTE充放電ineipeine中一部分用于填充正空間電荷區(qū)基區(qū)提供空穴填充負(fù)空間電荷區(qū)iCTE4第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)（一）發(fā)射效率及發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間等效電路Ine中一部分用于發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容CTE充放電，轉(zhuǎn)換為基極電流

信號(hào)延遲（相位變化） 發(fā)射效率|γ|下降ine+ipeiCTEEBiereCTErb5第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)（二）基區(qū)輸運(yùn)過(guò)程Vbe交變

基區(qū)積累電荷變化

CDE充放電irbineiCDEIne中一部分用于基區(qū)非平衡少子變化基區(qū)提供空穴用于基區(qū)多子變化 6第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)（二）基區(qū)輸運(yùn)過(guò)程 等效電路Ine中一部分用于發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容CDE充放電，轉(zhuǎn)換為基極電流

信號(hào)延遲（相位變化） 輸運(yùn)系數(shù)β*下降EBine+ipeieiCDEreCDErb－－－＋＋＋＋－－－＋＋＋＋基區(qū)空間電荷區(qū)集電區(qū)inc7第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)（三）集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)過(guò)程

正半周時(shí)進(jìn)入集電結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的電子總量(負(fù)電荷量Q)

交變Vbe不變時(shí)集電結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)總電荷量不變負(fù)空間電荷區(qū)-Q/2

正空間電荷區(qū)+Q/2

空電區(qū)邊界移動(dòng)－－－－＋＋＋－－－－＋＋＋

負(fù)半周時(shí)inc8第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)（三）集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)過(guò)程空間電荷區(qū)邊界的移動(dòng)借助于載流子流動(dòng)

類(lèi)似于電容充放電

－－－－＋＋＋－－－－＋＋＋－－－＋＋＋＋－－－＋＋＋＋

正半周時(shí)

負(fù)半周時(shí)基區(qū)空間電荷區(qū)集電區(qū)ine中一部分用于空電區(qū)邊界移動(dòng)轉(zhuǎn)換為基極電流(信號(hào)幅度下降)電子穿過(guò)勢(shì)壘區(qū)需要時(shí)間 (

信號(hào)相位變化)dQ/dt9第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)（四）集電區(qū)傳輸過(guò)程交流電流通過(guò)集電區(qū)體電阻Rc

Vbc

交變集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度變

CTC充放電

inc中一部分用于填充正空間電荷區(qū) 同時(shí)基區(qū)提供空穴填充負(fù)空間電荷區(qū)CBinciciCTCreCTCrbrc發(fā)射結(jié)EBC集電結(jié)ieipeirineinci’ncicibi’ne10第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運(yùn)iCDEiCTC空穴流電子流iCTEdQ/dT11第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時(shí)間、截止角頻率（1）發(fā)射效率與發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間τe發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間發(fā)射極截止角頻率

發(fā)射結(jié)等效電阻12第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時(shí)間、截止角頻率（1）發(fā)射效率與發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間τe由EM模型：當(dāng)：Vbc

<0|Vbc|>>

kT/q

Vbe

>0時(shí)忽略與Vbc有關(guān)的項(xiàng)

13第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時(shí)間、截止角頻率（1）發(fā)射效率與發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間τe

CTE：正偏下的勢(shì)壘電容

CTE≈(2.5～4)CTE(0)14第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時(shí)間、截止角頻率（2）基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)與基區(qū)渡越時(shí)間τb

re

和CDE

兩端電壓相等：

基區(qū)渡越時(shí)間基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)截止角頻率發(fā)射結(jié)等效電阻15第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時(shí)間、截止角頻率（2）基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)與基區(qū)渡越時(shí)間τb均勻基區(qū)晶體管：緩變基區(qū)晶體管：

可以證明τb

為載流子穿越基區(qū)的時(shí)間16第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時(shí)間、截止角頻率（3）集電結(jié)勢(shì)壘輸運(yùn)系數(shù)βd與集電結(jié)勢(shì)壘渡越時(shí)間τb集電結(jié)勢(shì)壘渡越時(shí)間集電結(jié)勢(shì)壘渡越截止角頻率載流子飽和漂移速度17第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時(shí)間、截止角頻率（4）集電區(qū)衰減因子αC

與集電極延遲時(shí)間τc集電極延遲時(shí)間集電極截止角頻率集電區(qū)體電阻18第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)1、共基極電流放大系數(shù)α與截止頻率fα展開(kāi)分母，忽略二次冪以上的項(xiàng)其中：19第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)1、共基極電流放大系數(shù)α與截止頻率fα電流幅度增益：電流相位滯后：20第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)2、共發(fā)射極電流放大系數(shù)β與截止頻率fβ21第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)

3.

特征頻率fT22第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)

4.討論

23第六節(jié)BJT的頻率特性四、提高晶體管頻率特性的途徑（1）減小基區(qū)渡越時(shí)間τb A．Wb↘：主要措施

B．Dnb↗：Nb↘(適當(dāng)) C．λ↗：η↗(即Nb(0)↗)（2）減小發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間τe A．re↘：Ie↗ B．CTE↘：Ae↘

（3）τd

xmc↘：ρc↘（Nc↗）（4）τc A．rcs↘：ρc↘、Wc↘ B．CTC↘：Ac↘BJT開(kāi)關(guān)特性2425第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性一、晶體管的開(kāi)關(guān)作用tViRLRBVCC飽和區(qū)截止區(qū)VCEICVCCRLIB=026第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性一、晶體管的開(kāi)關(guān)作用（一）三個(gè)工作區(qū)特點(diǎn)

發(fā)射結(jié)集電結(jié)IC截止區(qū)反偏/零偏反偏≈0飽和區(qū)正偏正偏/零偏I(xiàn)C

≠

βIB放大區(qū)正偏反偏I(xiàn)C=βIB27第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性一、晶體管的開(kāi)關(guān)作用(二)開(kāi)關(guān)時(shí)間定義td:延遲時(shí)間：正信號(hào)輸入

Ic=0.1Icstr:上升時(shí)間：Ic=0.1Ics

Ic=0.9Ics

td＋tr＝ton

(開(kāi)啟時(shí)間)ts:存儲(chǔ)時(shí)間：負(fù)信號(hào)輸入

Ic

=0.9Icstf:下降時(shí)間：Ic=0.9Ics

Ic=0.1Ics

ts＋tf＝toff

(關(guān)閉時(shí)間)VB(t)tIB(t)ttstftontofftdIc(t)t0.1IcsIcs0.9Icstr28第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(一)、延遲過(guò)程

1.截止態(tài):

特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏

流過(guò)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的電流為反偏電流

IC≈ICBO

IE≈IEBO發(fā)射結(jié)和集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度較大E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB029第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(一)、延遲過(guò)程

2.延遲過(guò)程:

(1)載流子輸運(yùn)過(guò)程

(2)基極電流的作用：

IB≈

VBE/RB

(a)填充發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)

(CTE充電) (b)建立與0.1ICS相對(duì)應(yīng)的空穴積累(少子的積累由發(fā)射區(qū)提) (c)補(bǔ)充基區(qū)空穴復(fù)合損失E(n)B(p)C(n)積累pE0pC0nB0復(fù)合30第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(一)、延遲過(guò)程

2.延遲過(guò)程:(3)減小延遲時(shí)間的措施：

(a)減小結(jié)面積，即減小CTE：

減小對(duì)空間電荷區(qū)充電的電荷總量

(b)減小截止時(shí)發(fā)射結(jié)反偏電壓：

減小發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度，即減小達(dá)到0.1Ics對(duì)應(yīng)的空間電荷區(qū)所需的電荷總量

(c)提高基極電流：

提高由基極注入空穴的速度；但會(huì)使飽和后的飽和深度增大E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB031第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(二)、上升過(guò)程

(1)載流子傳輸IB繼續(xù)向CTE充電

Vbe↗、

nB(x)梯度↗

IC↗到0.9ICSIC↗

VRL↗

VCE↘

直到等于VBE，即|VBC|↘到0

進(jìn)入臨界飽和

E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB032第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(二)、上升過(guò)程

(2)基極電流作用給CTE

CTC充電建立與0.9ICS相對(duì)應(yīng)的空穴積累(少子的積累由發(fā)射區(qū)提供)補(bǔ)充基區(qū)空穴復(fù)合損失補(bǔ)充發(fā)射區(qū)空穴復(fù)合損失E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB033第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(二)、上升過(guò)程

(3)減小上升時(shí)間的措施

(A)減小結(jié)面積：

即減小CTC和CTE(B)減小基區(qū)寬度：

減小基區(qū)積累載流子總量， 加快建立對(duì)應(yīng)的基區(qū)少子分布

(C)增大基區(qū)少子壽命τB

：

減小基區(qū)復(fù)合電流 加快建立對(duì)應(yīng)的基區(qū)少子分布

(D)增大基極電流：

即，增大基極注入空穴的速；但會(huì)使飽和深度增大E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB0

QB34第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(三)飽和狀態(tài)與超量存儲(chǔ)電荷(1)

臨界飽和狀態(tài)

(A)特點(diǎn)：VBC＝0

集電結(jié)失去少子抽取作用

IC＝ICS≈VCC/RL

(B)IBS作用：補(bǔ)充基區(qū)中空穴的復(fù)合損失補(bǔ)充發(fā)射區(qū)中空穴的復(fù)合損失

(C)臨界飽和條件∵當(dāng)IB>

IBS

時(shí)進(jìn)入飽和區(qū) ∴IB＝IBS稱(chēng)為臨界飽和條件復(fù)合復(fù)合E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0臨界飽和驅(qū)動(dòng)電流35第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(三)飽和狀態(tài)與超量存儲(chǔ)電荷(2)

飽和狀態(tài) 當(dāng)IB>IBS

時(shí)，IC受RL限制達(dá)飽和ICS，且不滿(mǎn)足IC＝β0IB

關(guān)系。此時(shí)稱(chēng)：“IB處于過(guò)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)”

過(guò)驅(qū)動(dòng)電流:(A)

特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏或零偏I(xiàn)C達(dá)飽和值ICS

IC不隨IB變化

(

IC

≠βIB

)

IC

受RL限制(IC＝ICS≈VCC

/RL)IB由外電路決定(

IB＝(VB－Vbe)/

RB

)VCE很?。ㄒ话?.2～0.3V）達(dá)到飽和值VCES

36第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(三)飽和狀態(tài)與超量存儲(chǔ)電荷(2)

飽和狀態(tài)

(B)

載流子傳輸與超量存儲(chǔ)電荷：

基區(qū)超量存儲(chǔ)電荷QBS

集電區(qū)超量存儲(chǔ)電荷QCS

(C)基極電流作用補(bǔ)充基區(qū)中空穴復(fù)合損失補(bǔ)充發(fā)射區(qū)中空穴復(fù)合損失補(bǔ)充集電區(qū)中空穴復(fù)合損失E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0QCSQBS37第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(三)飽和狀態(tài)與超量存儲(chǔ)電荷(3)飽和深度S反映超量存儲(chǔ)電荷的多少

S↗

超量存儲(chǔ)電荷↗、飽和越深

關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)

S＝1時(shí)(IB＝IBS)：臨界飽和狀態(tài)，無(wú)超量存儲(chǔ)電荷一般取S≥438第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(四)電荷存儲(chǔ)效應(yīng)(1)超量存儲(chǔ)電荷的消失過(guò)程IB

反向；IC幾乎不變基區(qū)中少子梯度不變集電結(jié)電壓減小；空間電荷區(qū)寬度變寬

超量存儲(chǔ)電荷抽取E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB0超量存儲(chǔ)電荷復(fù)合39第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(四)電荷存儲(chǔ)效應(yīng)(2)減小存儲(chǔ)時(shí)間的措施（A）減小導(dǎo)通時(shí)基極電流IB，即飽和深度S不可太大

減小超量存儲(chǔ)電荷QBS

、QCS

（B）減小集電區(qū)寬度WC或集電區(qū)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度LPC

減小超量存儲(chǔ)電荷QCS

，但必須保證足夠的擊穿電壓（C）增大截止時(shí)的基極抽取電流IB

加快超量存儲(chǔ)電荷抽取速度（D）減小集電區(qū)少子壽命τC(如在集電區(qū)摻金)

減小超量存儲(chǔ)電荷QCS(∵τC↘LC↘)

加快復(fù)合使QCS下降更快40第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(五)下降過(guò)程(1)下載過(guò)程中載流子的輸運(yùn)IB的抽取基區(qū)中載流子的復(fù)合

QB↘,

nB(x)梯度↘

IB對(duì)集電結(jié)、發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)有載流子抽取作用

發(fā)射結(jié)電壓降低直至反偏 集電結(jié)反偏電壓增大

E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0

基區(qū)中存儲(chǔ)的載流子41第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(五)下降過(guò)程(2)下載過(guò)程與上升過(guò)程比較上升過(guò)程下降過(guò)程基極電流注入多子抽取多子對(duì)CTECTC充電對(duì)CTECTC放電積累空穴QB抽取空穴QB復(fù)合作用阻礙QB積累（延緩上升過(guò)程）加快QB消失（加速下降過(guò)程）42第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性二、開(kāi)關(guān)過(guò)程(五)下降過(guò)程(3)減小下降時(shí)間的措施

(A)減小發(fā)射結(jié)、集電結(jié)勢(shì)壘電容CTE

、CTC、 減小基區(qū)寬度WB (減少需要抽取的電荷)

(B)增大基極抽取電流

(加快電荷抽取速度)43第七節(jié)BJT開(kāi)關(guān)特性三、提高開(kāi)關(guān)速度的措施1．從晶體管結(jié)構(gòu)考慮（1）縮短集電區(qū)少子壽命(如：SiNPN管摻金)

減少超量存儲(chǔ)電荷QCS

關(guān)斷時(shí)加速Q(mào)CS的復(fù)合

(同時(shí)不影響電流增益)

（2）減小集電區(qū)厚度WC(可采用外延結(jié)構(gòu))

從空間上減小QCS

降低集電區(qū)電阻率ρC

(增大NC↗)

減小集電區(qū)少子壽命（3）減小結(jié)面積(

減小CTC、CTE) 縮短結(jié)電容充放電時(shí)間