1、1 微電子器件原理第3章 晶體管的頻率特性2第3章 晶體管的頻率特性 在實(shí)際運(yùn)用中，晶體管大多數(shù)都是在直流偏壓下放大交流信號(hào)。隨著工作頻率的增加，晶體管內(nèi)部各個(gè)部位的電容效應(yīng)將起著越來越重要的作用，因而致使晶體管的特性發(fā)生明顯的變化。 本章討論在高頻信號(hào)作用下晶體管的哪些特性參數(shù)發(fā)生什么樣的變化以及這些這些變化與工作頻率的關(guān)系等，以便能更好地認(rèn)識(shí)高頻下晶體管特性的變化規(guī)律，更重要的是了解應(yīng)設(shè)計(jì)制造什么樣的晶體管以滿足高頻工作條件的要求。為此，首先介紹晶體管高頻工作下的特殊參數(shù)，然后再討論這些參數(shù)與結(jié)構(gòu)、工作條件的關(guān)系等。33.1 基本概念lg20)()23() 13(|1BJT 1 . 1 .

2、 3BCVdBiidIdIiihecECecfb表示為電流增益也可以用分貝大小指的是它的模通常說的式，可將其表示為復(fù)數(shù)形若考慮信號(hào)的相位關(guān)系）基極交流短路電流增益，共基極電流增益（共的交流小信號(hào)電流增益常數(shù)4lg20)()23()33(|2CEVdBiidIdIiihbcBCbcfe表示為電流增益也可以用分貝大小指的是它的模通常說的式，可將其表示為復(fù)數(shù)形若考慮信號(hào)的相位關(guān)系增益）共發(fā)射極交流短路電流，共發(fā)射極電流增益（常數(shù)53.1.2 描述BJT頻率特性的參數(shù)6頻率。，因此該頻率也叫或處的大小為或根據(jù)上式可知，或表示為表示的關(guān)系可表示。圖止頻率用表示，共射極截共基極截止頻率用的截止頻率。倍時(shí)的

3、頻率為的降到其低頻值一般定義當(dāng)電流增益下一，截止頻率dBffffjffjff3226)-(3 1113BJT2/100007。得到）（超過式可以很方便地在低頻為利用且測(cè)量方便，因使用頻率上的限制，而不僅可以反映倍頻程下降?；蛘哒f倍頻程隨頻率升高以后，高于率可知，共射接法中當(dāng)頻和式從圖帶寬積。也稱為增益故因此有常數(shù)關(guān)系共射接法中近似有如下。因?yàn)椋r(shí)的頻率為特征頻率（下降為當(dāng)共發(fā)射極電流增益共發(fā)射極運(yùn)用中，定義二，特征頻率TTTTTTfffdBdBffffffffdB)73(BJT/610/20)63(131|)73(|0108得到?？捎墒轿灰矔?huì)產(chǎn)生滯后，大小，另外，高頻時(shí)信號(hào)相帶寬積也稱為功率增

4、益滿足如下關(guān)系與工作頻率后，功率增益，當(dāng)作用。體管就失去了任何放大一旦超過這個(gè)頻率，晶，管工作的極限使用頻率表示。該頻率也是晶體最高振蕩頻率，用率）時(shí)的頻率為（輸入功率等于輸出功益下降為，定義晶體管的功率增。增益仍大于能力，所以功率時(shí)，仍舊具有電壓放大在電流增益等于，因?yàn)榧幢闳?，最高振蕩頻率)63(4)93( 31211BJT12/1mmppTmfffGfGfff93.2 電流增益的頻率變化關(guān)系-截止頻率和特征頻率n3.2.1 交流小信號(hào)電流的傳輸過程發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電效應(yīng)、基區(qū)電荷存儲(chǔ)效應(yīng)或發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容充放電效應(yīng)、集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越過程、集電結(jié)勢(shì)壘電容充放電效應(yīng)10相位發(fā)生變化。過程產(chǎn)生延

5、遲，即信號(hào)此電流傳輸容充放電需要時(shí)間，因另外由于發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電小。越大，交流發(fā)射效率越容分量可見信號(hào)頻率越高結(jié)電定義發(fā)射效率為一，發(fā)射過程CTeeCTeepeeneCTepeneeiiiiiiiiiii)123( 1)113( 11即信號(hào)相位發(fā)生變化。流傳輸過程產(chǎn)生延遲，容的充放電會(huì)使電數(shù)越小。同樣該擴(kuò)散電越少，交流基區(qū)輸運(yùn)系流用電子電越大，到達(dá)集電結(jié)的有電容電流分量可見信號(hào)頻率越高擴(kuò)散為定義交流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)。表示擴(kuò)散電容分流電流表示基區(qū)復(fù)合電流；邊界的電子電流；表示輸運(yùn)到基區(qū)集電結(jié)其中二，基區(qū)輸運(yùn)過程)0()413( 1)0()0()133( )0(*ncCDeneCDeneVRnencCDe

6、VRncCDeVRncneiiiiiiiiiiiiiii12電子電流表示到達(dá)集電區(qū)邊界的其中比結(jié)勢(shì)壘區(qū)的電子電流之：表示流出與流入集電集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)生滯后。度會(huì)降低、相位也會(huì)產(chǎn)可以比擬時(shí)，信號(hào)幅（直流下）與信號(hào)周期間當(dāng)集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越時(shí)過程三，集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越)()513( )0()(mCncncmCncddxiixit13流為最終集電極流出的電電子電流表示到達(dá)集電區(qū)邊界的其中來描述這一過程定義集電區(qū)衰減因子。電流電容充放電，形成分流荷區(qū)寬度，即對(duì)該勢(shì)壘降，影響集電結(jié)空間電阻上產(chǎn)生一個(gè)交變電壓交變電流在集電區(qū)體電四，集電區(qū)傳輸過程cmCncmCncCTcmCncCTcmCncmCnccC

7、Tcixixiixiixixiii,)()713( )(-1)()( )(,cc14）一致。（和直流電流傳輸圖將退化為分量很小，圖低頻下，上面四個(gè)交流示為：總的交流電流增益可表因此，考慮上述四點(diǎn)后b4223)813( cd*ecii153.2.2 共基極電流增益和截止頻率。數(shù)量級(jí)該頻率通常都在使用頻率都是滿足的的一般時(shí)才成立，并且這對(duì)于作頻率滿足者在工與頻率無關(guān)的假設(shè)。或、注意：以上均基于。）（下另外，發(fā)射結(jié)正偏情況時(shí)間。，它也叫作發(fā)射極延遲相位延遲是間常數(shù)，其產(chǎn)生的表示勢(shì)壘電容充放電時(shí)其中）（或者有其中所以因?yàn)槎x發(fā)射效率為延遲時(shí)間常數(shù)一，發(fā)射效率和發(fā)射極)G(BJT13)0(45 . 2)

8、arctan(2031,1/11)/()113( 2e00e0HzDWiiCCCrjriiirCrjrCjriiriiiiiiiiiiiiiiiiiiinBBpeneTeTeeiTeeepeneneTeTeepeneCTepeneCTepeneCTepeneneCTepeneneeneCTepenee16散長(zhǎng)度定義為基區(qū)少子交流擴(kuò)其中解出量各自滿足的方程得到直流分量和交流分方程由基區(qū)中的少子連續(xù)性是常數(shù)。區(qū)寬度為推導(dǎo)簡(jiǎn)單起見認(rèn)為基集電極總電壓：發(fā)射極總電壓：區(qū)渡越時(shí)間二，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和基*/1122122002022022)293( )()273( 01 )263(0)243(1)233()(

9、)223()(*nBLxLxnBnBnBBnBnBBBtjcCcCBCtjeEeEBELBeAexnnLjxnLnnxntnDLnnxnWeVVtvVVeVVtvVVnBnB17)353()(,;)0(, 0)343()1 (),()333()1 (), 0(|)313( / )(exp),()303( / )(exp), 0(11/0/0/0/000kTVqnnWnWxkTVqnnnxkTVqnnennkTVqnnennennekTqVentWnennekTqVentnqkTVVkteVVqntWnkteVVqntncCcBBeEecCckTqVBCeEekTqVBEtjcCtjckTqVB

10、BtjeEtjekTqVBcetjcCBBtjeEBCECE件區(qū)少子交流分量邊界條得到了基壓成正比關(guān)系。從而也流分量和交流小信號(hào)電關(guān)系；交和直流電壓分量成指數(shù)可見少子密度直流分量，其中展開并略去高次項(xiàng)有右端指數(shù)項(xiàng)按泰勒級(jí)數(shù)，則對(duì)上兩式、足當(dāng)交變信號(hào)電壓幅值滿為基區(qū)邊界少子濃度分別根據(jù)肖克萊邊界條件，KTqVnVVKTqnxnKTqVpVVKTqpxpApABJnppAnABJpnnexp )(exp)( 72)-(X1 exp )(exp)(0000肖克萊邊界條件直流分量交流分量18，需要修正。表達(dá)式還是有些誤差的際的注意：上面表達(dá)式與實(shí)遲時(shí)間。電容充放電而需要的延散也是注入電流對(duì)基區(qū)擴(kuò)稱為基

11、區(qū)渡越時(shí)間，它，其中間的關(guān)系是具有類似形式。它們之?dāng)?shù)可見和直流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)）時(shí)的交流基區(qū)輸運(yùn)系路（最終得到集電極交流短。的交流分量電流分布微分從而得到基區(qū)電子的表達(dá)式并使其對(duì)解出件帶入將少子交流分量邊界條*0*00*1/1)393(1)(sec)383)(1(sec|)0()(0)()293( )(*bbnBBnBnBBVnBnCnLxLxjLWhjLWhiWiVixxnBeAexnCnBnB19導(dǎo)電流。感應(yīng)除了愈之等值得傳就已經(jīng)在勢(shì)壘區(qū)輸出端越勢(shì)壘區(qū)的過程中存在，當(dāng)載流子還在穿一半是因?yàn)槲灰齐娏鞯牡模?，它等于遲時(shí)間（或稱渡越時(shí)間也稱為集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延。，其中達(dá)式為其指數(shù)項(xiàng)展開后近似表系數(shù)最終得

12、到的勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)生了位移電流。并且這個(gè)過程中還產(chǎn)所需時(shí)間為穿過該區(qū)域，度很強(qiáng)，載流子以極限速反偏集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)遲時(shí)間系數(shù)和集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延三，集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)常數(shù)ddslmCdddddtjVnccdslmCdsltvxtjtjejjvxtvdBC2211)623(1|)0()483( 20間常數(shù)。對(duì)勢(shì)壘電容的充放電時(shí)區(qū)串聯(lián)電阻代表通過集電成為集電極延遲時(shí)間，其中因此集電區(qū)衰減因子為以有兩端交流電壓相等，所、時(shí)因?yàn)楹雎约妳^(qū)延遲時(shí)間四，集電區(qū)衰減因子和CTcCcccCmCcccTcCTcCcCTcCBrCrjiixiiCrjCjriiCrrTcTc)653(11)1 ()()643( /1121！

13、特殊淺結(jié)工藝可以更高。可達(dá)時(shí)，度可減到雙擴(kuò)散的平面管基區(qū)寬；可達(dá)左右合金管，基區(qū)寬度截止頻率舉例：。截止頻率，值為稱為共基極截止頻率或，因此下降到低頻值得時(shí)，當(dāng)和滯后表示為電流增益的幅值和相位直流或低頻電流增益時(shí)間發(fā)射極到集電極總延遲其中到，忽略二次冪以上項(xiàng)得將前述各項(xiàng)代入并化簡(jiǎn)增益為五，總之，共基極電流GHzHzfmHzfmfffffffffjfjjeccdbeececcd4100M5 . 031M0.510212/1)arctan()/(1|)673(/1/11200000*223.2.3 共射極電流增益、截止頻率和特征頻率)()703(/1)(1BCEC|)693( 11|10000Tc

14、TeeecdbeeVeceeeececcecbceVbcCCrfjfjiiiiiiiiiiiiiicc，其中），所以有和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電時(shí)要對(duì)發(fā)射結(jié)射結(jié)上所加交流信號(hào)同交流參數(shù)是并聯(lián)的，發(fā)而言，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)對(duì)于交流信號(hào)遲時(shí)間的不同（原因：態(tài)相比僅在于發(fā)射極延因?yàn)楣采浣M態(tài)與共基組間交流短路）、間交流短路后者、相區(qū)別，前者電流增益（注意與共基極小信號(hào)其中，代入上式有因?yàn)榱x：，共射極電流增益的定截止頻率一，共射極電流增益和23。是一樣的，通?？梢娦问缴虾推渲械玫年P(guān)系，與共射極直流電流增益共基極直流電流增益的定義式，并利用，將其代入，所以的一般于反偏勢(shì)壘電容，因此因?yàn)檎珓?shì)壘電容遠(yuǎn)大的關(guān)系與直流電

15、流增益，交流電流增益ffffffjCCdcbeeTcTe000000)733( )(21)723( )/(1BJT224利用矢量圖分析ic與ib的變化下降！截止頻率較低在很小頻率就開始相比與造成|25二，特征頻率TcdbeTTTfffffffffffffffffjf002/12002020202/1200|)/(1|)(21111)(1 1)/(1|)723( )/(1BJT時(shí)，可見當(dāng)另外，根據(jù)，所以因?yàn)榈囊粋€(gè)主要參數(shù)。頻率特性，其實(shí)衡量去電流放大能力的頻率定義的是共射組態(tài)下失26三，特征頻率與截止頻率的關(guān)系ffffffffffffffffffffTTTTT，且若基區(qū)寬度較寬時(shí)，有所以有系，歸

16、納如下：因此它們之間存在著聯(lián)常數(shù)）決定，的物理參數(shù)（四個(gè)時(shí)間三者都由、)()753( )73-(3 )( BJT00027四，特征頻率與晶體管工作點(diǎn)的關(guān)系)(210cdbeTff率特性工作點(diǎn)，得到較好的頻結(jié)論：應(yīng)設(shè)置一個(gè)合適變得很大，因此集電區(qū)勢(shì)壘變很寬，達(dá)到某個(gè)值后再上升，三個(gè)延遲時(shí)間都減小，小也較長(zhǎng)，因此（未飽和），故移速度較低造成載流子在勢(shì)壘區(qū)漂較大，而小的電場(chǎng)強(qiáng)度和較小時(shí)，寬度和電場(chǎng)強(qiáng)度影響：的關(guān)系受集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)與，發(fā)生大電流效應(yīng)，并超過某個(gè)值得時(shí)候，小電流時(shí)，也很小很小，開始時(shí)，又是一個(gè)關(guān)鍵因素：而的影響，用的的關(guān)系主要受起決定作與TdCETCETdcbCECETTCTCTCEeTc

17、TeeeCTfVfVfVVffIfIfIqIkTrCCrIf321321/)(28五，提高特征頻率的措施電容，注意減小其它的雜散電壓，良好的歐姆接觸選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏骱蛥^(qū)電阻及厚度，結(jié)面積，適當(dāng)減小集電區(qū)雜質(zhì)濃度梯度，減小減薄基區(qū)，適當(dāng)提高基以下措施：從制管角度看，主要有，減小結(jié)面積降低率和集電區(qū)厚度來減小，通過降低集電區(qū)電阻提高擊穿電壓矛盾。區(qū)電阻率，但與，主要方法是降低集電度來減小，減小集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬，減小發(fā)射結(jié)面積減小使發(fā)射極動(dòng)態(tài)電阻電阻，選擇大的電流的影響。、小，須考慮較高時(shí)，基區(qū)寬度已較之間。值一般取場(chǎng)帶來的好處，因此系數(shù)下降，抵消自建電很高，而造成少子擴(kuò)散射結(jié)側(cè)摻雜濃度會(huì)取值太大意

18、味著基區(qū)發(fā)但是若雜質(zhì)分布的濃度梯度?；鶇^(qū)摻雜濃度，并適當(dāng)提高要求增加基區(qū)發(fā)射結(jié)側(cè)基區(qū)阻滯場(chǎng)的作用，這意減小載流子的輸運(yùn)。但要注，加強(qiáng)基區(qū)自建電場(chǎng)對(duì)，提高基區(qū)電場(chǎng)因子，減小基區(qū)寬度的主要因素：是決定較低時(shí)，TccdTeeCcdeTTbTCrCrIfff3216321同樣結(jié)構(gòu)下npn和pnp誰fT大？)(210cdbeTff293.3 高頻功率增益和最高振蕩頻率)(lg10dBppGppGfiopiop，或定義功率增益為：而降低的。隨晶體管的功率增益也是30一，晶體管的功率增益)853()()843(1)833()()813( )813( )803(211222112212122211221122

19、21121222212122121111122hhYhZhhGhZhhIIhhYhZhhVVbVhIhIaVhIhVhVIVIppGLgpLLgggiop表達(dá)式于是可得功率增益一般數(shù)有負(fù)載時(shí)的電流放大倍為可以解出電壓放大倍數(shù)參數(shù)模型再利用增益為的晶體管功率因?yàn)榭紤]信號(hào)源阻抗后31高、低頻?？捎糜谌魏我环N組態(tài)及益參數(shù)表示的最佳功率增，最終得到的以最大有用功增益。，故最佳功率增益又叫，輸出有用功功率功功率為。因?yàn)檩斎胗杏贸鲭娏魅魅胴?fù)載電阻流全流入輸入電阻；輸在匹配情況下，輸入電率增益。與前者之比就是最佳功最大，此時(shí)后者向負(fù)載輸出的功率都為體管輸出功率和晶體管匹配。此時(shí)信號(hào)源向晶配或稱共軛此時(shí)成為

20、復(fù)阻抗下的匹的共軛復(fù)數(shù)是的共軛復(fù)數(shù)是電源內(nèi)阻其中和抗匹配時(shí)，有，當(dāng)輸入端與輸出端阻導(dǎo)納?；芈贩瓷涞捷敵龌芈返臅r(shí)的輸出導(dǎo)納減去輸入開路可見其等于輸入端交流，：輸出阻抗或輸出導(dǎo)納為阻抗回路反射到輸入回路的時(shí)的輸入阻抗減去輸出短路可見其等于輸出端交流：得到晶體管的輸入阻抗，利用前面的公式可以率增益為最大。時(shí)的功率增益，此時(shí)功號(hào)源阻抗相匹配相匹配、輸入阻抗和信體管的輸出阻抗和負(fù)載，最佳功率增益是當(dāng)晶pmLoggigiLLggoLiggoooLiGhRVPRVRVPYYZZYYZZIZhhhhYYIVZVYhhhhIVZ4444,;)913()903(3)0()893(1;)0()883( 212222

21、*1112112222222221121111二，最佳功率增益32)943( 11 %504)()()()()()(52112222112112221122122222222222hhhhhhhhhGRURRURPPRRRPRRURPjXjXXXRRURIRPXXRRUIjXRZUjXRZpmLSLSSLLLLSLLLSSLLSLLSLSSLLLLSLSSLLLSSSS功率增益表達(dá)式為：到的最佳個(gè)常見的要求。最終得對(duì)于控制系統(tǒng)中這時(shí)一能工作于這種狀態(tài)但是，雖然電力系統(tǒng)中不之比為與整個(gè)電路獲得的功率而此時(shí)負(fù)載獲得的功率，大的功率而這時(shí)可知負(fù)載獲得最負(fù)載與電源共軛匹配。此時(shí)稱具有極值并且為極大值時(shí)

22、，的極值條件可知，當(dāng)對(duì)而求時(shí)，分母最小，功率為當(dāng)負(fù)載獲得的功率為則電路中電流有效值為的負(fù)載供電。向一個(gè)復(fù)阻抗的電源考慮一個(gè)給定內(nèi)阻率值計(jì)算。，關(guān)于共軛匹配下的功33三，晶體管的高頻功率增益)/1()983(1)973(1)963(0)953(b 1/a102202112110TcTeDetTteTTcTTcetTcTcoeTfereBietetTcCCCCCrffCCjrCCCjhhffjffjhhhhrhhhCrCCh；其中、；參數(shù)：各因此比較兩圖可以得到短路基本上被，可以略去，用下面近似：參數(shù)高頻等效模型中采高頻時(shí)可以在推導(dǎo)，高頻功率增益表達(dá)式34)1033(84)943()1023(1)

23、1013(11)1003(1)993()983(1)973(1)963(0)953(222220211211TcBTTcBTpmTcTTcTTcoeTcTcTcTLBgTcTTcetTcTcoeTfereBieCrffCrGCLjCCjhCLCLCRrRCCjrCCCjhhffjffjhhhhrhh體管的最佳功率增益，于是可得共射組態(tài)晶佳功率表達(dá)式將上述各參數(shù)值代入最看去的電路輸出電阻為因此，從負(fù)載電阻向左或；有此利用共軛匹配的條件抗都是純電阻性的，因因?yàn)樾盘?hào)源和負(fù)載的阻；35)1083()(8)1073(2121)211 ()163(2121/1843)1053()1 ()(,)4103(8

24、4,2111122ceTBTpmeTBeBeBfeLoefebcbcebcBbeeBbieecBTTcBTpmTccCLfrffGLrLjrLjrhhYhhiiiiLjiiriLjirihhLCrffCrGCC頻功率表達(dá)式：后常用的晶體管最佳高電容引線電感和集電極寄生最終得到考慮了發(fā)射極因此，輸入阻抗），有（套用共軛匹配條件代入的電流增益，因此是輸出端共軛匹配時(shí)候因?yàn)橐虼擞校β试鲆嫦陆?。使輸入阻抗變大而造成響更大影?duì)共射組態(tài)的輸入阻抗而發(fā)射極引線電感所以有代替了，用集電極總輸出電容考慮了各種寄生電容后36。與制造的重要依據(jù)之一高頻功率管設(shè)計(jì)的頻率和功率性能，是該值全面反映了晶體管帶寬積：，可

25、得功率增益和。而根據(jù)可能小于；反之，、輸出電阻較大時(shí)，當(dāng)晶體管輸入電阻較小頻率，即可求得晶體管最高振蕩令優(yōu)值，最高振蕩頻率和高頻)1103()(8-)1093()8103()1093()(81)(82222/12ceTBTmpmTmTmceTBTmceTBTpmCLfrfffGffffCLfrffCLfrffG373，功率增益隨工作點(diǎn)的變化及其它寄生參數(shù)，減小發(fā)射極引線電感，減小高摻雜區(qū)，主要是將外基區(qū)制成，降低基極，提高頻功率增益的途徑有：總的看來提高晶體管高下降。產(chǎn)生使變大，直到大電流效應(yīng)增大，從而使的增大使的變化。力量的消長(zhǎng)影響了相之間的影響相反，因此其互加大，兩者對(duì)減小而的變大使4321cBTpmpmcCpmpmBBCECrfGGCIGGrWV383.4 雙極晶體管的噪聲特性39。理想情況下為為用分貝表示的噪聲系數(shù)。水平的高低，越小越好衡量了晶體管自身噪聲中的噪聲功率之比。它率與被放大了的信號(hào)源晶體管輸出的總噪聲功