1、晶體管的頻率特性與功率特性,第 4 章,4.1 晶體管的頻率特性 4.2 高頻等效電路 4.3 高頻功率增益和最高振蕩頻率 4.4 晶體管的大電流特性 4.5 晶體管的最大耗散功率PCm和熱阻RT 4.6 功率晶體管的二次擊穿和安全工作區(qū) 4.7 高頻大功率晶體管的圖形結(jié)構(gòu) 4.8 習(xí)題, 晶體管的頻率特性 晶體管的功率增益和最高振蕩頻率 晶體管的大電流特性 晶體管的二次擊穿 晶體管的安全工作區(qū),在交流工作狀態(tài)下，P-N結(jié)的電容效應(yīng)將對(duì)晶體管的工作特性產(chǎn)生影響。 當(dāng)頻率升高時(shí)，晶體管的放大特性要發(fā)生變化，使晶體管的放大能力下降。 當(dāng)晶體管的放大能力下降到一定程度時(shí)，就無(wú)法使用，這就表明晶體管的

2、使用頻率有一個(gè)極限。,主要的高頻參數(shù),截止頻率 特征頻率 高頻功率增益 最高振蕩頻率,4.1 晶體管的頻率特性,截止頻率 （共基極截止頻率）,表示共基極短路電流放大系數(shù)的幅 值|下降到低頻值0的1/ 時(shí)的頻率。 即 = 時(shí)，|=0/ 。,截止頻率,表示共發(fā)射極短路電流放大系數(shù)的 幅值|下降到低頻值0的1/ 時(shí)的頻率。 即 = 時(shí)，|=0/,反映了電流放大系數(shù)的幅值 |隨頻率上升而下降的快慢， 但并不是晶體管電流放大的頻率極限。 晶體管電流放大的頻率極限是后面將要講到的特征頻率。,特征頻率,表示共射短路電流放大系數(shù)的幅值 下降到|=1時(shí)的頻率。 它是晶體管在共射運(yùn)用中具有電流放大作用的頻率極限。

3、,從圖可以看出，上述幾個(gè)頻率參數(shù)間有如下關(guān)系 且 很接近 當(dāng)工作頻率滿足 關(guān)系時(shí)， |隨頻率的增加，按-6dB/倍頻的速度下降。,最高振蕩頻率,表示最佳功率增益等于1時(shí)的頻率。 晶體管具有功率增益的頻率極限。 當(dāng) 時(shí)，晶體管停止振蕩。,共基極短路電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系,共基極交流短路電流放大系數(shù)的定性分析 共基極交流短路電流放大系數(shù)的定量分析（略） 共基極交流短路電流放大系數(shù)和截止頻率,定性分析,共基極交流短路電流放大系數(shù)定義為輸出交流短路時(shí)，集電極輸出交流電流ic與發(fā)射極輸入交流電流ie之比，并用表示。（交流信號(hào)用小寫(xiě)字母表示。）,發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容分流電流iCTe,當(dāng)發(fā)射極輸入一交變信號(hào)時(shí)，

4、發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度將隨著交變信號(hào)變化，因而需要一部分電子電流對(duì)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容進(jìn)行充放電。（有一部分電子電流被勢(shì)壘電容分流，形成分流電流iCTe） 所以高頻時(shí)發(fā)射極電流為 ine 發(fā)射結(jié)注入基區(qū)交流電子電流 ipe 發(fā)射結(jié)反注入空穴電流（基區(qū)注入發(fā)射結(jié)的空穴電流）,交流發(fā)射效率,頻率增高，結(jié)電容分流電流iCTe增大，導(dǎo)致交流發(fā)射效率下降。 所以，交流發(fā)射效率隨頻率的升高而下降。,擴(kuò)散電容分流電流iCDe,在交流狀態(tài)下，注入基區(qū)的少子濃度和基區(qū)積累電荷將隨著結(jié)壓降的變化而變化。因此，注入基區(qū)的少數(shù)載流子，一部分消耗于基區(qū)復(fù)合，形成復(fù)合電流iVR外，還有一部分將消耗于對(duì)擴(kuò)散電容充放電，產(chǎn)生擴(kuò)散電容

5、分流電流iCDe，真正到達(dá)基區(qū)集電結(jié)邊界的電子電流只有inc(0)。,交流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù),頻率越高，分流電流iCDe越大，到達(dá)集電結(jié)的電子電流inc(0)越小 所以，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)*也隨著頻率的升高而下降。,集電結(jié)空間電荷區(qū)輸運(yùn)系數(shù),到達(dá)集電結(jié)邊界的電子電流inc(0)，通過(guò)集電結(jié)空間電荷區(qū)時(shí)需要一定的傳輸時(shí)間；耗盡層中產(chǎn)生位移電流用于維持空間電荷區(qū)邊界的變化，使到達(dá)集電區(qū)邊界的電子電流減少到inc(xm) 。 頻率越高，位移電流越大，使d隨著頻率增高而下降。,集電結(jié)勢(shì)壘電容分流電流iCTc,到達(dá)集電區(qū)的交變電子電流，在通過(guò)集電區(qū)時(shí) ，還需要用一部分電子電流對(duì)集電結(jié)勢(shì)壘電容充放電，形成勢(shì)壘電容的分

6、流電流iCTc ，真正到達(dá)集電極的電子電流只有incc,inc(xm)=incc+iCTc,集電區(qū)衰減因子c,集電極輸出電流ic應(yīng)該等于從發(fā)射極傳輸過(guò)來(lái)的電子電流incc和集電結(jié)反向電流ipc之和。,集電區(qū)倍增因子*,反向電流ipc一般很小，但當(dāng)集電區(qū)電阻較大時(shí)，輸運(yùn)至集電區(qū)的電子電流在體電阻上產(chǎn)生漂移電場(chǎng)，而漂移電場(chǎng)會(huì)使反向空穴電流增大，從而減小了有效電子電流incc。 （使集電區(qū)倍增因子變小）,共基極交流短路電流放大系數(shù),在各個(gè)傳輸過(guò)程中，由于結(jié)電容對(duì)傳輸電流的分流作用，使傳輸電流的幅值減小，對(duì)電容充放電所產(chǎn)生的延遲時(shí)間，使輸出信號(hào)同輸入信號(hào)間存在相位差（延遲或不同步）。,交流放大系數(shù)是復(fù)

7、數(shù)，其幅值隨著頻率的升高而下降，相位差隨著頻率的升高而增大。 0 共基極短路電流放大系數(shù)的低頻值 截止頻率,定量分析（略）,交流發(fā)射效率,e 發(fā)射極延遲時(shí)間,re 發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻 CTe 發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容,m 超相移因子（剩余相因子）,交流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù),b 基區(qū)渡越截止頻率,集電結(jié)空間電荷區(qū)輸運(yùn)系數(shù),集電結(jié)空間電荷區(qū)延遲時(shí)間,d,集電區(qū)衰減因子,c=rcsCTc,集電極延遲時(shí)間,rcs 集電區(qū)串聯(lián)電阻,CTc 勢(shì)壘電容,共基極短路交流電流放大系數(shù)和截止頻率,將以上各個(gè)系數(shù)的表達(dá)式代入表達(dá)式,對(duì)發(fā)射結(jié)處，基區(qū)側(cè)擴(kuò)散電容CDe的充電延遲時(shí)間，即 由表達(dá)式可以看出，交流電流放大系數(shù)是復(fù)數(shù)，其幅值隨頻率

8、升高而下降，相位滯后則隨頻率升高而增大。 從而從定量分析的角度證實(shí)了定性分析的正確性。,截止頻率,由放大系數(shù)表達(dá)式，令其等于低頻值0 的1/ 的時(shí)候，可以求出截止頻率。 其表達(dá)式如下：,（4-7）,以上得出的短路電流放大系數(shù)和 截止頻率 的表達(dá)式對(duì)均勻基區(qū)和緩 變基區(qū)均適用。 計(jì)算時(shí)只須代入各自的延遲時(shí)間和不同的超相移因子m的值即可。,共發(fā)射極短路電流放大系數(shù)及其截止頻率,共射短路電流放大系數(shù)：工作在共射狀態(tài)下的晶體管在輸出端交流短路VCE0=0時(shí)，集電極交流電流ic與基極輸入電流ib之比。,共發(fā)射極短路電流放大系數(shù),共射交流放大系數(shù)也是復(fù)數(shù) 幅值隨著頻率升高而下降 相位滯后隨著頻率升高而增大

9、 （與 類(lèi)似）,截止頻率,載流子從發(fā)射極到集電極總的傳輸延遲時(shí)間,P79,與 的關(guān)系,說(shuō)明 共射短路電流放大系數(shù)比共基短路電流 放大系數(shù)下降更快。,因此，共基電路比共射電路頻帶更寬。,晶體管的特征頻率,共射電流放大系數(shù)|下降到1時(shí)的頻率是共射運(yùn)用限制頻率，即特征頻率。,提高特征頻率的途徑,減小基區(qū)寬度 Wb ； 縮小結(jié)面積A ； 適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率 ； 適當(dāng)減小集電區(qū)厚度 ； 盡量減小延伸電極面積 。 原因略，有興趣的同學(xué)請(qǐng)自己看書(shū)。P8485,習(xí)題,P97 2 補(bǔ)1 導(dǎo)致共基極電路交流電流放大系數(shù)是復(fù)數(shù)的原因是什么？ 補(bǔ)2 簡(jiǎn)述提高晶體管特征頻率的方法。,4.2 晶體管高頻等效電路,在交流

10、小信號(hào)電流-電壓方程基礎(chǔ)上，討論晶體管的Y參數(shù)、h參數(shù)、Z參數(shù)及其等效電路。,在交流小信號(hào)狀態(tài)下，晶體管的輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)近似地按線性關(guān)系變化。因此，可以將晶體管等效為一個(gè)線性兩端網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。 這四個(gè)參量中只有兩個(gè)是獨(dú)立變量。選用不同的自變量和因變量，可以得到不同的參數(shù)方程。,I1、V1 輸入端的電流和電壓 I2、V2 輸出端的電流和電壓,當(dāng)選取電壓V1、V2為自變量時(shí)，可得Y參數(shù)方程,Y11 輸出交流短路時(shí)的輸入導(dǎo)納,Y12 輸入交流短路時(shí)的反向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納,Y21 輸出交流短路時(shí)的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納,Y22 輸入交流短路時(shí)的輸出導(dǎo)納,Y參數(shù)方程等效電路,當(dāng)選I1和V2為自變量時(shí)，得到h參數(shù)方程

11、,h11 輸出交流短路時(shí)的輸入阻抗,h12 輸入交流開(kāi)路時(shí)反向電壓放大系數(shù)， 即電壓反饋系數(shù),h21 輸出交流短路電流放大系數(shù),h22 輸入交流開(kāi)路時(shí)的輸出導(dǎo)納,h參數(shù)等效電路,選取I1和I2為自變量，可得Z參數(shù)方程,Z11 輸出交流開(kāi)路時(shí)的輸入電壓 與輸入電流的比值（輸入阻抗）,Z12 輸入交流開(kāi)路時(shí)的輸入電壓 與輸出電流的比值（反向轉(zhuǎn)移阻抗）,Z21 輸出交流開(kāi)路時(shí)輸出電壓 與輸入電流的比值（正向轉(zhuǎn)移阻抗）,Z22 輸入交流開(kāi)路時(shí)輸出電壓 與輸出電流的比值（輸出阻抗）,上述各參數(shù)都由晶體管自身的物理結(jié)構(gòu)決定 可以相互轉(zhuǎn)換 各有利弊 可以使用在不同的場(chǎng)合 運(yùn)用較多的是Y參數(shù)和h參數(shù)等效電路,

12、說(shuō) 明,4.3 高頻功率增益和最高振蕩頻率,功率增益表示晶體管對(duì)功率的放大能力。 本節(jié)從等效電路入手，用簡(jiǎn)化方法求出功率增益表達(dá)式，用h參數(shù)導(dǎo)出功率增益的一般表達(dá)式和最佳功率增益表示式。,功率增益,輸出功率和輸入功率的比值。,最佳功率增益,信號(hào)源所供給的最大功率與晶體管向負(fù)載輸出的 最大功率之比，即是輸入輸出阻抗各自匹配時(shí)的功率增益。,GPm,共射h參數(shù)等效電路,共射晶體管的最佳功率增益表達(dá)式,實(shí)際晶體管中，集電極的輸出阻抗除集電結(jié)勢(shì)壘電容外，還存在延伸電極電容和管殼寄生電容等，用Cc表示集電極的總輸出電容。,實(shí)際晶體管還存在引線電感等，考慮發(fā)射極引線電感的影響時(shí)，晶體管共射最佳功率增益表示為

13、,Le 發(fā)射極引線電感,最佳功率增益GPm=1時(shí)的頻率， 它是晶體管真正具有功率放大能力的頻率限制。,最高振蕩頻率,最高振蕩頻率表達(dá)式,頻帶寬度,高頻優(yōu)值（增益-帶寬乘積）表達(dá)式,高頻優(yōu)值全面地反映了晶體管的功率和頻率性能，而且只與晶體管本身的參數(shù)有關(guān)，因此高頻優(yōu)值是設(shè)計(jì)和制造高頻功率晶體管的重要依據(jù)之一。,提高功率增益的途徑,提高晶體管的特征頻率； 適當(dāng)提高基區(qū)雜質(zhì)濃度，以減小基極電阻r b； 盡量縮小集電結(jié)和延伸電極面積，以減小勢(shì)壘電容和延伸電極電容； 盡量減小發(fā)射極引線電感和其他寄生參數(shù)； 選用合適的管殼，以獲得最佳高頻優(yōu)值,功率增益隨工作點(diǎn)的變化（略）P85,4.4 晶體管的大電流特性

14、,較大功率的晶體管需要工作在高耐壓和大電流條件下。而在大電流區(qū)域，晶體管的直流和交流特性都會(huì)發(fā)生明顯變化，電流增益和特征頻率等參數(shù)都會(huì)隨著集電極電流增大而迅速下降，從而使集電極最大工作電流受到了限制。,集電極最大電流IcM,共發(fā)射極直流短路電流放大系數(shù)下降到其最大值M的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的集電極電流 。,以共發(fā)射極運(yùn)用為例，如何根據(jù)電源電壓Vcc和輸出功率PO的要求來(lái)確定IcM。,IcM的數(shù)值由輸出功率PO和電源電壓Vcc決定。要提高晶體管的輸出功率就必須提高IcM。,大電流工作時(shí)產(chǎn)生的三個(gè)效應(yīng),通過(guò)晶體管的電流是電流密度和結(jié)面積的乘積，可見(jiàn)要增大電流有兩種方法：增大結(jié)面積和增加電流密度。 增大結(jié)面

15、積的方法并不可取，（結(jié)面積的增大會(huì)導(dǎo)致成品率的降低，并會(huì)增大結(jié)電容而使晶體管的高頻性能變差）。 然而，電流密度的增加會(huì)導(dǎo)致電流放大系數(shù)、特征頻率和基極電阻的下降。 以下定性分析大電流密度時(shí)產(chǎn)生的三個(gè)效應(yīng)。,小注入：為維持電中性所增加的多子可忽略 大注入：為維持電中性所增加的多子不可忽略,基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),小注入 大注入,基區(qū)多子濃度增大導(dǎo)致基區(qū)電導(dǎo)率增大 “基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)” （基區(qū)電導(dǎo)率受注入電流調(diào)制）,有效基區(qū)寬度擴(kuò)展效應(yīng) kirk（克而克）效應(yīng),在大注入下，晶體管，特別是緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)寬度將隨注入電流的增加而擴(kuò)展 。 用這個(gè)效應(yīng)能夠比較有效地解釋大電流下晶體管的電流放大系數(shù)和截

16、止頻率下降的現(xiàn)象。 （原理分析略，參見(jiàn)P8790）,發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（基區(qū)電阻自偏壓效應(yīng) ）,晶體管工作在大電流狀態(tài)時(shí)，較大的基極電流流過(guò)基極電阻，將在基區(qū)中產(chǎn)生較大的橫向壓降，使發(fā)射結(jié)的正向偏置電壓從邊緣到中心逐漸減小，發(fā)射極電流密度則由中心到邊緣逐漸增大，由此產(chǎn)生發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。 由基區(qū)電阻的不均勻所導(dǎo)致,梳狀電極平面晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖,橫向壓降隨著基區(qū)薄層電阻的增大而增大，隨著y的增加而上升。 即發(fā)射極條寬越寬，距離發(fā)射極中心越遠(yuǎn)，則基區(qū)橫向壓降越大，發(fā)射極電流集邊效應(yīng)就越明顯。 此外，工作電流越大，基區(qū)橫向壓降也越大，發(fā)射極電流集邊效應(yīng)也就越明顯。,防止發(fā)射極電流集邊效應(yīng),為了減

17、小基區(qū)橫向壓降，防止發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，應(yīng)盡量縮小發(fā)射極寬度。 但實(shí)際晶體管中，最小條寬的選擇往往受光刻和制版工藝水平的限制。 因此，在選擇條寬時(shí)，既要防止電流集邊，使發(fā)射結(jié)面積得到充分利用，而盡量選用較小的條寬；但又不能選取過(guò)小的條寬，使工藝難度增大。,4.5 晶體管的最大耗散功率PCm和熱阻RT,最大耗散功率就是晶體管的主要熱限制參數(shù)。 因?yàn)榫w管在受到電學(xué)特性限制的同時(shí)，還要受到熱學(xué)特性的限制。,總耗散功率 PC,晶體管工作時(shí)，電流通過(guò)發(fā)射結(jié)、集電結(jié)和體串聯(lián)電阻都會(huì)發(fā)生功率耗散,在正常工作狀態(tài)下，發(fā)射結(jié)正向偏置電壓VBE遠(yuǎn)小于集電極反向偏置電壓VCB，體串聯(lián)電阻rcs也很小。 因此，晶體

18、管的功率主要耗散在集電結(jié)上。,耗散功率轉(zhuǎn)換為熱量，使集電結(jié)變成晶體管的發(fā)熱中心，集電結(jié)溫度升高。 當(dāng)結(jié)溫Tj高于環(huán)境溫度Ta時(shí)，熱量就靠溫差由管芯通過(guò)管殼向外散發(fā)。 散發(fā)出的熱量隨著溫差（Tj-Ta）的增大而增大。 在散熱條件一定的情況下，耗散功率PC越大，結(jié)溫就越高。 最高結(jié)溫Tjm：晶體管能正常地、長(zhǎng)期可靠工作的P-N結(jié)溫度。 與材料的電阻率和器件的可靠性有關(guān)。,熱阻,表示晶體管散熱能力的大小 任意兩點(diǎn)間的溫差與其熱流之比,穩(wěn)態(tài)熱阻：直流工作狀態(tài)下的熱阻 RT 瞬態(tài)熱阻：在開(kāi)關(guān)和脈沖電路中，隨時(shí)間變化的晶體管的熱阻 RTs,穩(wěn)態(tài) 瞬態(tài),最大耗散功率表達(dá)式,盡量降低晶體管的熱阻RT； 選用最

19、高結(jié)溫Tjm高的材料； 盡量降低使用時(shí)的環(huán)境溫度Ta。,提高晶體管最大耗散功率的主要措施,4.6 功率晶體管的二次擊穿和安全工作區(qū),二次擊穿是功率晶體管早期失效或損壞的重要原因，它已成為影響功率晶體管安全可靠使用的重要因素。 自從1957年發(fā)現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象以來(lái)，二次擊穿一直受到極大的重視。,晶體管二次擊穿的實(shí)驗(yàn)曲線,擊穿曲線上可用A、B、C、D四點(diǎn)將其分為四個(gè)區(qū)域。 當(dāng)電壓VCE增加到集電結(jié)的雪崩擊穿電壓時(shí)，首先在A點(diǎn)發(fā)生雪崩擊穿； 雪崩擊穿后，集電極電流IC隨電壓增加很快上升。當(dāng)電流增加到B點(diǎn)，并在B點(diǎn)經(jīng)過(guò)短暫的停留后，晶體管將由高壓狀態(tài)躍變到低壓大電流C點(diǎn)，若電路無(wú)限流措施，電流將繼續(xù)增加

20、，進(jìn)入低壓大電流區(qū)域CD段，直至最后燒毀。,二次擊穿,器件承受的電壓突然降低，電流繼續(xù)增大，器件由高壓小電流狀態(tài)突然躍入低壓大電流狀態(tài)的一種現(xiàn)象。,二次擊穿對(duì)晶體管具有一定的毀壞作用。 在二次擊穿狀態(tài)下停留一定時(shí)間后，會(huì)使器件特性惡化或失效。 若外加限流電阻，并適當(dāng)減小使用功率，對(duì)于二次擊穿耐量高的晶體管，可以得到可逆的二次擊穿特性，利用此特性可以制成二次擊穿振蕩器。 二次擊穿耐量低的晶體管，經(jīng)多次二次擊穿后必然失效。,二次擊穿的機(jī)理,熱型（熱不穩(wěn)定型）：二次擊穿是局部溫度升高和電流集中往復(fù)循環(huán)的結(jié)果。 而循環(huán)和溫度升高都需要一定的時(shí)間，因此熱型二次擊穿的觸發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)。（慢速型） 電流型（雪崩注入型）：由雪崩注入引起 雪崩擊穿即刻發(fā)生，所以此種擊穿的特點(diǎn)是器件由高壓小電流狀態(tài)向低壓大電流狀態(tài)過(guò)渡十分迅速，所需延遲時(shí)間很短，因此電流型二次擊穿