双极型晶体管的频率.ppt

1,第三章 双极型晶体管的频率特性,在实际运用中，晶体管大多数都是在直流偏压下放大交流信号。随着工作频率的增加，晶体管内部各个部位的电容效应将起着越来越重要的作用，因而致使晶体管的特性发生明显的变化。本章讨论在高频信号作用下晶体管的哪些特性参数发生什么样的变化以及这些这些变化与工作频率的关系等，以便能更好地认识高频下晶体管特性的变化规律，更重要的是了解应设计制造什么样的晶体管以满足高频工作条件的要求。为此，首先介绍晶体管高频工作下的特殊参数，然后再讨论这些参数与结构、工作条件的关系等。,2,双极型三极管的参数,注：*为 f,功率特性,3,双极型三极管的参数,注：*为 f,反向特性,4,双极型三极管的参数,注：*为 f,频率特性,hfe放大特性开关管开关特性参数,5,第三章 双极型晶体管的频率特性,3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数3.2 晶体管的交流特性分析3.3 晶体管的高频参数及等效电路3.4 高频下晶体管中载流子的输运及中间参数3.5 晶体管电流放大系数的频率关系3.6 晶体管的高频功率增益3.7 工作条件对晶体管fT、KPm的影响,6,一、交流短路电流放大系数,共基极交流短路电流放大系数：,共发射极极交流短路电流放大系数：,两者之间的关系：,3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数,7,二、晶体管的频率参数,截止频率 f：共基极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值,截止频率 f：共发射极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值,8,特征频率fT：共发射极交流短路电流放大系数为1时 对应的工作频率,最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率,二、晶体管的频率参数,9,二、晶体管的频率参数,10,3.2 晶体管的交流特性分析,晶体管在实际应用时大多是在直流偏压上叠加上交流小信号，即作用在结上的总电压应为交、直流两部分电压之和，如果所叠加的交流信号为正弦波，则,作用在发射结上的总电压为：,作用在集电结上的总电压为：,11,注意：一维模型中规定的电流方向 与npn管实际电流方向相反,12,一、均匀基区晶体管（以npn管为例）,交流信号作用下基区电子一维扩散方程,基区电子密度分布（直流、交流叠加）,分解与时间有关项和与时间无关项,基区电子电流密度交流分量,通过发射结的空穴电流密度交流分量,交流信号作用下发射区空穴一维扩散方程,均匀基区晶体管交流电流-电压方程,高频参数频率特性,13,一、均匀基区晶体管（以npn管为例）,在交流信号作用下基区电子的一维扩散方程：,14,15,边界条件：x=0时，,边界条件：x=Wb,其中：,16,17,通过基区的电子电流密度交流分量,同理，可求出通过发射结的空穴电流密度的交流分量,18,通过发射结的交流电流分量：,集电极电流的交流分量：,此二式即为均匀基区晶体管交流电流电压方程,19,基区宽变效应：基区宽度随结电压变化而变化，从而引起输出电流的变化,计入基区宽变效应：,20,二、缓变基区晶体管,基区电子的一维连续性方程,21,3.3 晶体管的高频参数及等效电路,一、晶体管高频Y参数及其等效电路二、晶体管高频h参数及其等效电路,将晶体管看作四端网络来讨论其高频特性（输入、输出关系）描述四端网络的高频参数（方程组）有Y参数短路导纳参数Z参数开路阻抗参数h参数混合参数S参数散射参数 等Y参数的表达形式与晶体管的I-V方程一致，可直接由I-V方程得到，且物理意义明显h参数更符合晶体管的实际特点，易于实际测量,22,晶体管高频参数是高频特性方程组中的一组参数一方面，将晶体管的结构参数与四端网络的特性参数相联系另一方面，通过等效电路反映晶体管内部结构与外电路的关系，使晶体管的CAD及计算机模拟得以实现,3.3 晶体管的高频参数及等效电路,23,一、晶体管高频Y参数及其等效电路,由交流I-V方程可以直接得到最基本的Y参数，称为本征参数加上（必要的）非本征参数构成较完整的高频等效电路,Ie、Ic的幅值：,24,按四端网络定义方向整理后：,25,由连续性方程所得，称本征Y参数，且没有频率限制,26,1、共基极本征输入导纳Ycei,输出端交流短路时，输入端交流电流幅值随输入电压的变化,设=1，即忽略IpE认为 Wb/Lnb为一阶无穷小，展开双曲函数，略去高次项，还原Cn,27,28,2、共基极本征输出导纳Ycci,输入端交流短路时，输出端交流电流幅值随输出电压的变化,29,3、共基极本征正向转移导纳Ycei,输出端交流短路时，输入端交流电压对输出端交流电流的影响,说明：正向转移导纳可看作将输入导纳转移到（被放大了的）输出端的等效导纳，或 者说，是输出端输出的，被放大了的输 入导纳 即：由输入电压ue输入电流Ie输出电流Ic,30,4、共基极本征反向转移导纳Yeci,输入端交流短路时，输出端交流电压对输入端电流的影响,31,无量纲，称为电压反馈系数当保持发射极交流开路时，即Ie=0，IE不变，集电极电压变化对发射极电压的影响也称反向电压放大系数发射极交流开路，意味着发射极电流维持直流偏置电流不变（恒流），当VcVc时，Wb产生Wb的变化，引起基区少子分布变化，为了使IE不变(Ie=0)，应有VE使nE变化nE,32,33,34,二、晶体管高频h参数及其等效电路,35,二、晶体管高频h参数及其等效电路,1、共基极h参数及其等效电路,输入端电压为两部分电压串联输入电流在输入阻抗上的压降输出电压对输入回路的反作用（电压源）输出电流为两部分电流并联被放大的输入电流（电流源）输出电压在输出阻抗上产生的电流,36,h参数与Y参数只是从不同角度反映晶体管内部电流、电压关系，因而其间可以互相转换低频时可忽略电容效应高频时可忽略基区宽变效应,37,低频时可忽略电容效应高频时可忽略基区宽变效应,38,h11和h12的意义,h21和h22的意义,2、共发射极h参数及其等效电路,h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。h参数与工作点有关，在放大区基本不变。h参数都是微变参数，所以只适合对交流小信号的分析,39,40,41,目的：高频下晶体管电流放大系数随工作频率变化的物理实质（关系）方法：利用晶体管的等效电路，逐步分析载流子的运动过程（中间参数）实质：RC回路对高频信号产生延迟和相移（电容的分流作用）,3.4 高频下晶体管中载流子的输运过程,发射结发射,基区输运,集电结收集,集电极输出,42,一、发射效率及发射结延迟时间,对CTe进行充、放电的电流对输出没有贡献，导致降低,43,因re、CTe并联，具有等电压关系,发射极截止角频率,发射结延迟时间,CTe的作用：1、对 Ie的分流作用使发射效率幅 值随频率升高而下降 2、RC延迟作用使注入电流滞后于 输入电流一个相位角,44,二、基区输运系数及基区渡越时间,基区输运系数随信号频率升高而减小：实质是高频信号首先对发射结扩散电容充放电（基区积累电荷的数量改变），这一电流仅形成基极电流，对输出电流没有贡献，导致输运系数降低及信号延迟,45,二、基区输运系数及基区渡越时间,注意：以集电极交流短路为条件，即uc=0,46,进行整理、简化，得,对均匀基区m0.22,对基区杂质按指数分布的缓变基区晶体管,47,对于均匀基区，如果(3-67)展开双曲函数后取一级近似，则有,比较上两式，有,因re和CDe并联等电压，则有,48,对于均匀基区渡越时间有以下三个表达式：,m的实质是基区少子建立准稳态分布的弛豫时间与对扩散电容充放电延迟时间之比,由于不同的近似或省略造成系数上的差别，其本质都是发射结扩散电容充放电（改变基区积累的电荷数）引起基区渡越延迟时间，即基区渡越时间。,49,发射结上电压的交变同时引起CDe和CTe的充放电，这两部分电容的充放电电流最后均转变成基极电流，使总发射极电流随频率升高而增大，发射效率下降。在等效电路上CTe 和CDe 是并联的，但实质上CTe 反映的电荷变化发生在eb结势垒区，而CDe反映的电荷变化发生在基区中。,50,三、集电结势垒输运系数及渡越时间,通过基区输运到集电结势垒边界的载流子，在反偏集电结空间电荷区强电场作用下漂移通过空间电荷区，同时产生幅值的下降和相移，其实质是交流信号作用下，集电结空间电荷区边界平移，载流子对空间电荷区充放电而引起的,51,集电结空间电荷区,电子穿过集电结空间电荷区引起其中电荷分布的变化直流时，这种变化是稳定的，小注入下可以忽略（耗尽层近似）交流时，这种变化是交变的,在信号正半周，流入电子（负电荷）密度增大，负电荷区电荷密度增大，正电荷区电荷密度减小；一定的结电压下，前者变窄，后者变宽在信号负半周，流入电子（负电荷）密度减小，负电荷区电荷密度减小，正电荷区电荷密度增大；一定的结电压下，前者变宽，后者变窄正负电荷区宽度的变化由载流子的流动实现，相当于电容的充、放电，电子由穿过集电区的电子流分流，空穴由基极电流提供,52,关于集电结势垒渡越时间（空间电荷区延迟时间）有平行板电容器模型晶体管原理张屏英 周佑谟单边突变结模型微电子技术基础曹培栋参考(P166)Qd=Q/2模型双极型和场效应晶体管自学,53,附加电场的电力线终止在极板上，使极板上感应出相应的电荷极板a上感应正电荷，对应基极电流提供的空穴极板b上感应正电荷，对应集电区侧空间电荷区展宽，电子流出，形成传导电流因此，运动电荷尚未到达b极板，极板上已因感应而产生传导电流,54,55,以上讨论的是一个电荷薄层在集电结空间电荷区运动的情况,56,57,58,集电结势垒延迟时间等于载流子穿越空间电荷区所需延迟时间的一半集电极电流并不是渡越势垒的载流子到达集电极“极板”才产生的，当载流子还在穿越空间电荷区的过程中，就在集电极产生了感应电流集电极电流是空间电荷区内运动的载流子在集电极所产生的感应电流的平均表现当信号波长远大于势垒区宽度时，所得结果才成立,59,四、集电区倍增因子与集电极延迟时间,集电极电流在集电极串联电阻上的压降形成电场，该电场促进少子空穴流向集电结，使集电极电流增大。一般情况下可认为集电区倍增因子等于1输出端交流短路时，集电极串联电阻rcs上的交流压降引起集电结势垒电容CTc两端电压交变，导致其充放电电流对输出电流分流，使输出电流减小定义集电极衰减因子集电极截止角频率集电极延迟时间集电结势垒输运和集电极延迟同时发生在集电结势垒区中，只是从物理概念上分别讨论,60,交变电流流过集电结势垒区引起其中电荷量的变化交变电流流过集电区在串联电阻上产生压降引起集电结势垒电容上电压交变两者都通过集电结势垒电容的充放电对输出电流分流并产生延迟两者同时发生在集电结中,61,交变信号作用下晶体管各部分电容充放电使载流子运动产生延迟；充放电电流的分流作用使输出电流幅值下降，电流放大系数下降发射结势垒电容充放电引起发射效率下降和注入基区的电流延迟发射结扩散电容充放电使基区输运系数下降和基区渡越延迟集电结势垒电容因交变电流改变其中电荷量及串联电阻上压降改变其两端电压而分别产生集电结势垒渡越延迟和集电极延迟,62,63,发射效率及发射结延迟时间,基区输运系数及基区渡越时间,集电结势垒输运系数及渡越时间,集电区倍增(衰减)因子与集电极延迟时间,64,3.5 晶体管电流放大系数与频率的关系,一、共基极运用,其中,65,二、共发射极运用,（一）随频率的变化,66,代入、整理、化简,比较上两式有,高频端放大系数幅值与工作频率成反比满足6dB/倍频程,67,68,（二）讨论,共发射极截止频率远低于共基极截止频率，特征频率略小于共基极截止频率，随频率增高，下降的速度比的下降速度快(早)。,2、时，基极电流的主要成分是充、放电电流，而在低频情况下，基极电流主要是复合电流。,共基宽带共射选频,69,三、影响fT的因素和提高fT的途径,1、基区渡越时间,2、发射结延迟时间,3、集电结势垒渡越时间 和集电极延迟时间 远小于前两项,提高fT的措施,特征频率fT是晶体管最重要的也是最实用的高频参数之一，因为它不仅仅是晶体管作电流放大用的最高频率极限，也直接影响着晶体管高频下的功率放大能力和开关特性。因而在设计与制造中总是设法提高其数值。,70,减薄基区宽度，可采用浅结扩散或离子注入技术。降低基区掺杂浓度Nb以提高Dnb；适当提高基区杂质浓度梯度以建立一定的基区自建电场。减小结面积Ae、Ac，以减小结电容。减小集电区电阻及厚度，采用外延结构，以减小xmc及rcs，但集电区电阻率及外延层厚度的选择要照顾到对击穿电压的影响。做好Al电极欧姆接触。注意管壳的设计及选择，以减小杂散电容。在结构参数均相同时，npn管较pnp管有较高的fT(DnDp)。,提高fT的措施,71,3.6 晶体管的高频功率增益,一、最佳高频功率增益KPm,为了得到晶体管最大有用功率增益，输入端和输出端必须满足共轭匹配条件。在满足阻抗匹配时的最大功率增益称为最佳功率增益。功率增益取决于电流放大系数，故与工作频率有关。,72,输入、输出端满足共轭匹配条件时，可获得最大功率增益,输入端为纯电阻性匹配，输出端输出阻抗为容性。阻抗为：,要求负载阻抗为：,73,上式说明，KPm与fT成正比，与rb、Cc成反比，与f 2成反比随f上升，KPm下降，f增大一倍，KPm下降为1/4（-6dB）即-6dB/倍频程,74,可见fT并不能作为晶体管是否具有功率放大能力的判据,二、高频优值和最高振荡频率,当KPm=1时，,fM称为晶体管的最高振荡频率功率放大的最高频率,称为晶体管的高频优值,75,三、提高功率增益或最高振荡频率的途径,提高Kpm、fM、fM2三者是一致的，不外乎是提高fT，减少基区电阻rb，输出电容Cc及发射极引线电感Le等,1、浅结扩散,2、浓硼扩散,3、减少输出电容Cc,4、减少发射极引线电感Le,浅结扩散既可获得薄的基区宽度，又可有效减小基区方块阻,76,77,3.7 工作条件对晶体管fT、Kpm的影响,一、工作条件对fT的影响,1.工作电压Vce对fT的影响,2.工作电流Ic对fT的影响,1.工作电压Vce对Kpm的影响,2.工作电流Ic对Kpm的影响,二、工作条件对Kpm的影响,工作条件包括工作电压和工作电流，通过结电容、结电导（阻）、势垒宽度和基区宽度等参数影响频率参数,78,1.工作电压Vce对fT的影响,2.工作电流Ic对fT的影响,随Vce,fT:Vce Vcb xmc Wb tb Vce Vcb CTc tc Vce Vcb Ecb v vsl td 随Vce,fT:v vsl后，xmc td tb、tc变化不大,随Ic,fT:Ic Ie re te 随Ic,fT:发生有效基区扩展效应Wb tb,79,1.工作电压Vce对Kpm的影响,随Vce,Kpm:Vce Vcb xmc CcVce Vcb xmc Wb rb 随Vce,Kpm 上升变缓:Vce xmc扩展变缓x1扩展变缓Wb变缓，Cc变缓,80,1.工作电压Vce对Kpm的影响,2.工作电流Ic对Kpm的影响,随fT的变化,随Vce,Kpm:Vce Vcb xmc CcVce Vcb xmc Wb rb 随Vce,Kpm 上升变缓:Vce xmc扩展变缓x1扩展变缓Wb变缓，Cc变缓,81,3.1 晶体管交流电流放大系数与频率参数3.2 晶体管的交流特性分析3.3 晶体管的高频参数及等效电路3.4 高频下晶体管中载流子的输运及中间参数3.5 晶体管电流放大系数的频率关系3.6 晶体管的高频功率增益3.7 工作条件对晶体管fT、KPm的影响,本章小结,82,一、交流短路电流放大系数,二、晶体管的频率参数,截止频率 f：共基极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值,截止频率 f：共发射极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值,特征频率fT：共发射极交流短路电流放大系数为1时 对应的工作频率,最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率,83,一、均匀基区晶体管（以npn管为例）,交流信号作用下基区电子一维扩散方程,基区电子密度分布（直流、交流叠加）,分解与时间有关项和与时间无关项,基区电子电流密度交流分量,通过发射结的空穴电流密度交流分量,交流信号作用下发射区空穴一维扩散方程,均匀基区晶体管交流电流-电压方程,高频参数频率特性,3.2 晶体管的交流特性分析,84,二、缓变基区晶体管,基区电子的一维连续性方程,85,3.3 晶体管的高频参数及等效电路,一、晶体管高频Y参数及其等效电路,二、晶体管高频h参数及其等效电路,1、共基极本征输入导纳Ycei,2、共基极本征输出导纳Ycci,3、共基极本征正向转移导纳Ycei,4、共基极本征反向转移导纳Yeci,86,目的：高频下晶体管电流放大系数随工作频率变化的物理实质（关系）方法：利用晶体管的等效电路，逐步分析载流子的运动过程（中间参数）实质：RC回路对高频信号产生延迟和相移（电容的分流作用）,3.4 高频下晶体管中载流子的输运过程,发射结发射,基区输运,集电结收集,集电极输出,87,交变信号作用下晶体管各部分电容充放电使载流子运动产生延迟；充放电电流的分流作用使输出电流幅值下降，电流放大系数下降发射结势垒电容充放电引起发射效率下降和注入基区的电流延迟发射结扩散电容充放电使基区输运系数下降和基区渡越延迟集电结势垒电容因交变电流改变其中电荷量及串联电阻上压降改变其两端电压而分别产生集电结势垒渡越延迟和集电极延迟,88,发射效率及发射结延迟时间,基区输运系数及基区渡越时间,集电结势垒输运系数及渡越时间,集电区倍增(衰减)因子与集电极延迟时间,89,3.5 晶体管电流放大系数与频率的关系,一、共基极运用,二、共发射极运用,（一）随频率的变化,（二）讨论,2、时，基极电流的主要成分是充、放电电流，而在低频情况下，基极电流主要是复合电流。,三、影响fT的因素和提高fT的途径,90,3.6 晶体管的高频功率增益,一、最佳高频功率增益KPm,二、高频优值和最高振荡频率,三、提高功率增益或最高振荡频率的途径,fM称为晶体管的最高振荡频率功率放大的最高频率,称为晶体管的高频优值,91,3.7 工作条件对晶体管fT、Kpm的影响,工作条件包括工作电压和工作电流，通过结电容、结电导（阻）、势垒宽度和基区宽度等参数影响频率参数,