半導(dǎo)體物理與器件_課件_教學(xué)PPT_作者_(dá)裴素華_第3章_雙極型晶體管課件

1、第3章 雙極型晶體管雙極型晶體管 3.1晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理 3.1.1 晶體管的基本結(jié)構(gòu) 晶體管就有兩種基本組合形式：P-N-P型或N-P-N型，它們的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖所示，其符號(hào)中的箭頭方向表示發(fā)射結(jié)電流的方向。 （a）管芯結(jié)構(gòu) （b）符號(hào) P-N-P型晶體管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 3.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布 1. 合金晶體管 PNP型合金管結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布如圖所示 合金晶體管的雜質(zhì)分布特點(diǎn)：三個(gè)區(qū)的雜質(zhì)分布都是均勻分布，基區(qū)的雜質(zhì)濃度最低，其發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均是突變結(jié)。 （a）管芯結(jié)構(gòu) （b）雜質(zhì)分布 鍺合金晶體管的結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布 3.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布 2. 平面晶體管 平面

2、晶體管結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布如圖所示 平面工藝最主要的特點(diǎn)是：利用SiO2穩(wěn)定的化學(xué)性能，能耐高溫，具有掩蔽雜質(zhì)原子擴(kuò)散和良好的絕緣性能，與光刻技術(shù)相配合，可進(jìn)行選擇擴(kuò)散，這樣使平面晶體管具有更為合理的電極形狀，薄的基區(qū)，鈍化的表面，因此在功率、噪聲、穩(wěn)定性、可靠性等方面達(dá)到一個(gè)較高的水平。 （a）管芯結(jié)構(gòu) （b）雜質(zhì)分布 圖3-4 硅平面晶體管的結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布 3.1.2晶體管的制備工藝與雜質(zhì)分布 3. 外延平面晶體管 在平面晶體管制造工藝的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種外延平面晶體管。其結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布如圖所示 由圖可見，雙擴(kuò)散外延平面晶體管的基片電阻率很低，集電極串聯(lián)電阻很小，使集電極飽和壓降減小，晶體管可做

3、得很小，基區(qū)寬度Wb很薄，從而使外延平面晶體管在頻率特性、開關(guān)速度和功率等方面都有很大的提高與改善，因此，成為目前生產(chǎn)最主要的一種晶體管。 （a）管芯結(jié)構(gòu) （b）雜質(zhì)分布 硅外延平面管結(jié)構(gòu)及雜質(zhì)分布示意圖 3.1.3 晶體管的工作原理 晶體管最重要的作用是具有放大電信號(hào)的能力。為什么緊靠著的兩個(gè)PN結(jié)具有放大作用？要晶體管具有放大作用首先要有適當(dāng)?shù)碾娐贰?晶體管放大電路原理 3.1.3晶體管的放大功能 基區(qū)厚度很大的NPN結(jié)構(gòu)的電流流通與少子分布示意圖 3.1.4 晶體管的放大功能 表1給出了型號(hào)為3DG6晶體管（硅高頻小功率管），在集電結(jié)UCC=6V條件下測(cè)量所得的實(shí)際數(shù)據(jù)。晶體管的電壓放大

4、系數(shù)為：晶體管的功率放大應(yīng)等于它的電流放大系數(shù)與電壓放大系數(shù)的乘積， 表表1 晶體管各電極電流分配表晶體管各電極電流分配表發(fā)射極電流IE（mA)12345集電極電流IC（mA)0.981.962.943.924.90基極電流IB（mA)0.020.040.060.080.10rRUUKUL入出2LrRKP3.2 晶體管的電流放大特性 幾點(diǎn)假設(shè): n 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為理想的突變結(jié)，且結(jié)面積相等（用A表示）；n 各區(qū)雜質(zhì)為均勻分布，載流子僅做一維傳輸，不考慮表面的影響；n 外加電壓全部降落在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)，勢(shì)壘區(qū)以外不存在電場(chǎng)；n 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，且不存在載流子的產(chǎn)生與

5、復(fù)合，因而通過勢(shì)壘區(qū)的電流不變；n 發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的寬度遠(yuǎn)大于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，而基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度；n 注入基區(qū)的少子濃度比基區(qū)多子濃度低得多，只討論小注入情況。 3.2.1 晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸 1. 平衡晶體管的能帶及載流子的濃度分布 （a）結(jié)構(gòu) （b）能帶 （c）載流子分布平衡晶體管能帶與載流子濃度分布 3.2.1 晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸 2. 非平衡晶體管的能帶及少數(shù)載流子的濃度分布 （a）結(jié)構(gòu) （b）能帶 （c）少子分布非平衡晶體管能帶與少數(shù)載流子濃度分布 3.2.1 晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸 3. 載流子的輸運(yùn)過程 （a）少子分布示意

6、圖 （b）載流子輸運(yùn)過程示意圖 晶體管中載流子分布及其輸運(yùn)過程示意圖 3.2.1 晶體管的能帶、濃度分布及載流子的傳輸 3. 載流子的輸運(yùn)過程 （1）根據(jù)正向PN結(jié)特性，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)靠發(fā)射結(jié)邊界X2處的電子濃度為 由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)靠發(fā)射結(jié)邊界X1處的空穴濃度為 （2） 根據(jù)反向PN結(jié)特性，集電結(jié)兩邊界X3和X4處的少子濃度分別為 kTqUbbEenXn/02)(kTqUeeEepXp/01)(0)(/0/03kTqUbkTqUbbCCenenXn0)(/0/04kTqUckTqUccCCepepXp3.2.2 晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成 1. 晶體管內(nèi)的電流傳輸 NPN型晶體管電流傳

7、輸示意圖 3.2.2 晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成 2. 晶體管各端電流的形成 （1） 發(fā)射極電流IE 從上面的分析與討論可知，發(fā)射極的正向電流IE是由兩股電流組成的： IE=Ip(X1)+ In(X2) （3-8） （2） 基極電流IB 基極電流IB是由三部分組成的： IB= Ip(X1)+ IVB-ICBO （3-9）由于通常情況下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示為 IB Ip(X1)+ IVB （3-10） （3） 集電極電流IC 通過集電結(jié)和集電區(qū)的電流主要有兩股組成： IC= In(X4)+ ICBO （3-11）因?yàn)镮CBO很小，（3-11）

8、式可近似表示為 IC=In(X4) （3-12） 3.2.2 晶體管內(nèi)的電流傳輸與各端電流的形成 2. 晶體管各端電流的形成 （4） 晶體管三端電流之間的關(guān)系 由上面的分析可以得出In(X2)= IVB + In(X3)= IVB+ In(X4) （3-13）將（3-13）式代入（3-8）式，得IE= Ip(X1)+IVB+In(X4) （3-14）將（3-9）式與（3-11）式相加，可得IB+ IC= Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO= Ip(X1)+IVB+In(X4) （3-15）將（3-15）式代入（3-14）式，得 IE=IB+ IC （3-16） 3.2. 3

9、 晶體管的直流電流方程式 1. In(X2)的表達(dá)式 In(X2)是注入基區(qū)的電子所形成的擴(kuò)散電流，根據(jù)擴(kuò)散電流公式有 基區(qū)電子可近似看成線性分布 基區(qū)少子分布示意圖 dxxdnAqDXIbnbn)()(23.2. 3 晶體管的直流電流方程式 根據(jù)PN結(jié)理論，基區(qū)X2和X3處的電子濃度分別為 基區(qū)電子分布函數(shù)為 那么基區(qū)電子的擴(kuò)散電流In(X2)則為 可求出In(X2)近似為 kTqUbbEenXn/02)(0)(3XnbkT/qUbbbEe )Wx(n)x(n10kTqUbbnbbnbnEeWnqDAdxxdnAqDXI/02)()(）（1)()(/02kTqUbbnbbnbnEeWnqDA

10、dxxdnAqDXI3.2. 3 晶體管的直流電流方程式 2. Ip(X1)表達(dá)式 Ip(X1)是在發(fā)射結(jié)正偏情況下由基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴擴(kuò)散電流。根據(jù)正向PN結(jié)特性，邊界X1處的少子空穴濃度為 空穴擴(kuò)散電流為 kTqUeX/0e1eEp)(p）（1Lp)(/pe0epe1pEkTqUeqDAXI3.2. 3 晶體管的直流電流方程式 3. IVB表達(dá)式 IVB是注入基區(qū)的電子與基區(qū)中的空穴復(fù)合而形成的復(fù)合電流。 IVB=-q單位時(shí)間內(nèi)在基區(qū)中復(fù)合的電子數(shù) 在只考慮體內(nèi)復(fù)合的情況下 nbVBqI基區(qū)中積累的電子總數(shù)）（1nW21nxnAW21Eb0bb02bbkT/qUeA)(）（12nAW/n

11、b0bbVBEkTqUeqI3.2. 3 晶體管的直流電流方程式 4. ICBO的表達(dá)式 ICBO由電子漂移電流和空穴漂移電流IpCB兩部分組成，即ICBO=InCB+IpCB 若晶體管工作在放大區(qū)，且有 時(shí)， ）（1WnDACb0bnbnCBkT/qUeqI）（1LpDACpc0cpcpCBkT/qUeqI）（1AA/P0cpcb0bnbpCBnCBCBOCkTqUceLpqDWnqDIIIqTUCcLpqDWnqDIP0cpcb0bnbCBOAA3.2. 3 晶體管的直流電流方程式 5. IE、IC、IB直流電流方程式 因?yàn)镮E由Ip(x1)和In(x2)組成，所以 因?yàn)镮C= In(x4

12、)+ ICBO= In(x2)- IVB + ICBO，所以 因?yàn)镮B= Ip(x1)+ IVB - ICBO，所以 ）（1AA)()(/b0bnbpe0epe2n1pEEkTqUeWnqDLpqDXIXII）（）（1AA12AA/P0cpcb0bnb/nb0bbb0bnbCCEkTqUckTqUeLpqDWnqDenWqWnqDI）（）（1AA12AA/Pc0cpcb0bnb/nb0bbpe0epeBCEkTqUkTqUeLpqDWnqDenWqLpqDI3.2. 4 晶體管的直流電流放大系數(shù) 1. 共基極直流電流放大系數(shù) 在共基極電路中，基極作為輸入和輸出的公共端，共基極連接方式如下圖所示

13、。NPN型晶體管的共基極連接 3.2. 4 晶體管的直流電流放大系數(shù) 2. 共發(fā)射極直流電流放大系數(shù) 在共發(fā)射極電路中發(fā)射極作為輸入和輸出的公共端，其連接方式如圖所示。 NPN型晶體管的共發(fā)射極連接 3.2. 4 晶體管的直流電流放大系數(shù) 3. 共集電極直流電流放大系數(shù) 共集電極電流放大系數(shù) 4.0與0的關(guān)系 0和0的關(guān)系曲線 10BBCBEIIIII00CECBC01IIIII3.2. 5 晶體管電流放大系數(shù)的定量分析 1. 均勻基區(qū)晶體管電流放大的中間參量 （1） 發(fā)射結(jié)的發(fā)射效率0 對(duì)于NPN型晶體管，0定義為注入基區(qū)的電子電流與發(fā)射極總電流之比，即有 （3-41） 由于IE=In(X2

14、)+Ip(X1)， 利用 nbopbo= neopeo =ni2 E2n0)(IXI)()(11)()()()(2n1p1p2n2nE2n0XIXIXIXIXIIXIpeb0be0nbpe2n1p)()(LnWpDDXIXInbnbpepeqTDqTD，3.2. 5 晶體管電流放大系數(shù)的定量分析 pebe0nbb0pe2n1pLWnp)(I)(IXXpebe0nbb0pe0LWnp11pebbe0LW113.2. 5 晶體管電流放大系數(shù)的定量分析 （2） 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)0* 對(duì)于NPN晶體管，定義為到達(dá)集電結(jié)邊界X3的電子電流In(X3)與注入基區(qū)的電子電流In(X2)之比，即有 )(I)(I2

15、n3n*0XX)(II1II)(I)(I)(I2nVB2nVB2n2n3n*0XXXXX）（）（1W2LDWA12WAb2nb0nb2bn0VBkT/qUbkT/qUbbbEEenqenqI）（1)(/02kTqUbbnbnEeWnqDAXI)(ILW212n2nb2bVBXI2nb2b0LW211 *3.2. 5 晶體管電流放大系數(shù)的定量分析 （3）晶體管直流電流放大系數(shù)與0和0*的關(guān)系 In(X3)= In(X4)IC 1 LPe時(shí)） （當(dāng)We2） （4） 緩變基區(qū)共基極直流電流放大系數(shù)0 （5） 緩變基區(qū)共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)0 2nb2b0LW1*2-e1-12nb2b04LW1*)

16、(*2nb2bb e 0004LW1RR112nb2bb e 04LWRR12nb2bb e 004LWRR113.2. 6 影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素 1發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合對(duì)電流放大系數(shù)的影響 Ip(X1)= Ip(X2) ，In(X2)= In(X1) IE= Ip(X1)+In(X2) IE= Ip(X1)+In(X2)+IVE 發(fā)射效率 )()()(11)()()(2211220XIIXIXIIXIXIXInVEnpVEpnn3.2. 6 影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素 發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流示意圖 根據(jù)PN結(jié)空間電荷區(qū)復(fù)合電流公式可推出 TqUmeeiVEEeXA

17、nqI2/213.2. 6 影響晶體管直流電流放大系數(shù)的其它因素 2. 基區(qū)表面復(fù)合對(duì)電流放大系數(shù)的影響 考慮表面復(fù)合后NPN管中的電流傳輸 3. 集電極電流大小對(duì)電流放大系數(shù)的影響電流放大系數(shù)也與晶體管的工作電流即集電極電流的大小有關(guān)，0與IC的變化如圖所示。 0與IC的變化曲線 4. 基區(qū)寬變效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響 當(dāng)晶體管的集電結(jié)反向偏壓發(fā)生變化時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度Xmc也將發(fā)生變化，因而會(huì)引起有效基區(qū)寬度的相應(yīng)變化，如圖所示。這種由于外加電壓變化引起有效基區(qū)寬度變化的現(xiàn)象稱為基區(qū)寬度效應(yīng)。 基區(qū)寬度效應(yīng)示意圖 基區(qū)寬變效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響表現(xiàn)在晶體管輸出特性曲線族上（輸出特性

18、曲線在后面討論），如圖所示。具體表現(xiàn)為曲線隨外加電壓增加而傾斜上升。 基區(qū)寬度效應(yīng)對(duì)輸出特性曲線的影響 （a）曲線向上傾斜 （b）基區(qū)寬度效應(yīng)的影響 對(duì)均勻基區(qū)晶體管，其電流放大系數(shù)為 00(1)2mcbXWbb=+對(duì)緩變基區(qū)晶體管，其電流放大系數(shù)為00()16BbmcBbNWXN Wbb=+由此可見，晶體管的基區(qū)寬度越窄，反向偏壓越高Xmc越寬，則基區(qū)寬度效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響越嚴(yán)重。5. 溫度對(duì)電流放大系數(shù)的影響溫度對(duì)電流放大系數(shù)的影響是比較顯著的，當(dāng)溫度升高時(shí)，0會(huì)隨之增大，如圖所示。 0隨溫度的變化關(guān)系 3.3 晶體管的直流特性曲線3.3.1 共基極連接直流特性曲線下圖為測(cè)量晶體管共

19、基極直流特性曲線的原理圖。圖中UEB為發(fā)射極和基極之間的電壓降，UCB為集電極和基極之間的電壓降，RE為發(fā)射極串聯(lián)電阻，可控制UEB或IE。 共基極直流特性曲線測(cè)量原理電路圖 共基極直流輸入特性曲線 對(duì)于一個(gè)給定的UCB，改變UEB，測(cè)量IE，可以測(cè)得一條IE與UEB的關(guān)系曲線，對(duì)于不同的UCB值，改變UEB測(cè)量IE，可測(cè)得一組IE與UEB的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共基極直流輸入特性曲線，如圖（a）所示。 共基極直流特性曲線 （a）輸入特性曲線 由前所知 IE=Jp(X1)+ Jn(X2) AE式中Jp(X1)為空穴擴(kuò)散電流密度；Jn(X2)為電子擴(kuò)散電流密度；AE為發(fā)射結(jié)面積。Jp(X1)和J

20、n(X2)都隨正向壓降增大而呈指數(shù)增大，因此IE也必然與UEB呈指數(shù)規(guī)律增大。在同樣的UEB下，IE隨著UCB的增大而增大，表現(xiàn)為曲線左移。這是因?yàn)榧娊Y(jié)空間電荷區(qū)的寬度隨著UCB的增大而展寬，結(jié)果引起了有效基區(qū)寬度的減?。ㄓ行Щ鶇^(qū)寬度隨著UCB的增大或減小而減小或增大的現(xiàn)象，就是上面所討論過的基區(qū)寬變效應(yīng)），使得在同樣的UEB下，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子濃度梯度增加，流速加快，IE增大。 2. 共基極直流輸出特性曲線對(duì)于一個(gè)給定的IE，改變UCB，測(cè)量IC，可得到一條IC-UCB之間的關(guān)系曲線。對(duì)于固定的不同的IE，改變UCB，測(cè)量IC，可得到一組不同的IC-UCB的曲線，稱這組曲線為共基極直流

21、輸出特性曲線，如圖（b）所示。 共基極直流特性曲線 （b）輸出特性曲線 3.3.2 共發(fā)射極連接直流特性曲線下圖為晶體管共發(fā)射極直流輸出特性曲線的測(cè)試原理電路圖。圖中UBE為基極與發(fā)射極間壓降；UCE為集電極與發(fā)射極間壓降；RB為基極串聯(lián)電阻，可控制UBE或IB。測(cè)量共發(fā)射極直流特性曲線原理電路圖 1. 共發(fā)射極直流輸入特性曲線對(duì)于固定的不同的UCE，改變UBE，測(cè)量IB，可以得出一組IB與UBE的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共發(fā)射極直流輸入特性曲線，如圖（a）所示。 共發(fā)射極直流特性曲線 （a）輸入特性曲線 2. 共發(fā)射極直流輸出特性曲線對(duì)于固定的不同的IB，改變UCE，測(cè)量IC，可得出一組IC與

22、UCE的關(guān)系曲線，稱這組曲線為共發(fā)射極的輸出特性曲線，如圖（b）所示。 共發(fā)射極直流特性曲線（b）輸出特性曲線 3.3.3 共基極與共發(fā)射極輸出特性曲線的比較比較共基極與共發(fā)射極兩種輸出特性曲線，可以看到兩者的共同之處是：當(dāng)輸入電流一定是，兩種特性曲線的輸出電流都不隨輸出電壓的增加而變化，只有當(dāng)輸入電流改變了輸出電流才會(huì)跟著變化。然而兩種輸出特性曲線之間也存在許多不同的地方。首先，共發(fā)射極電路的電流放大系數(shù)要比共基極的大得多。其次，共基極電路的輸出阻抗比共發(fā)射極電路大。 另外， UCE的減小對(duì)輸出電流的影響有所不同。實(shí)際上，共基極與共發(fā)射極特性曲線在輸出電壓減小時(shí)的下降所反映的是同一個(gè)物理過程

23、，只不過共基極電路的輸出電壓就是UCB，才使得其特性曲線的下降發(fā)生在輸出電壓更小（負(fù)值時(shí)）的區(qū)域。 3.3.4 共發(fā)射極輸出特性曲線的討論 正常特性曲線對(duì)于一只性能良好的晶體管，它的共發(fā)射極輸出特性曲線應(yīng)該如圖所示。正常晶體管共發(fā)射極輸出特性曲線 2. 特性曲線向上傾斜如圖所示，包括零注入線在內(nèi)，整個(gè)曲線組向上傾斜，它所反映出的問題是整個(gè)曲線族的IC均隨輸出電壓UCE的增加而明顯增加，這是由于晶體管的反向電流過大引起的。 特性曲線的傾斜 3. 特性曲線分散如圖所示的曲線，零線是平坦的，而其他曲線則分散傾斜。特性曲線分散傾斜會(huì)降低晶體管的輸出阻抗，并且因放大系數(shù)不均勻引起信號(hào)失真。這種不正常特性

24、曲線產(chǎn)生的原因是由于晶體管的基區(qū)寬變效應(yīng)過于靈敏所致。 特性曲線的分散 4. 小注入時(shí)特性曲線密集小注入時(shí)特性曲線密集的狀況如圖所示。 導(dǎo)致小注入時(shí)0變低的原因有三：其一有比較嚴(yán)重的表面復(fù)合作用，在注入電流比較小時(shí)，大部分注入電流都在基區(qū)表面被復(fù)合掉了。其二發(fā)射結(jié)勢(shì)壘復(fù)合作用比較強(qiáng)，小注入時(shí)一部分載流子沒能注入到基區(qū)，而在發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)被復(fù)合掉了。其三發(fā)射結(jié)特性不好，漏電流太大被旁路掉了，沒有起到真正的注入作用。小注入時(shí)特性曲線密集 5. 大注入時(shí)特性曲線密集大注入時(shí)特性曲線密集的狀況如圖所示。大注入時(shí)引起了0下降的原因是由于發(fā)射效率0的降低造成的，大注入引起0降低的原因有三：基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)

25、；集電結(jié)空間電荷限制效應(yīng)；基區(qū)自偏壓效應(yīng)。 大注入時(shí)特性曲線密集6. 溝道漏電下圖所示的特性曲線稱為溝道漏電，其特點(diǎn)是發(fā)射極與集電極之間有很大的漏電流，使得IB=0的曲線（零線）升高。 溝道漏電特性曲線 這種現(xiàn)象往往是由溝道效應(yīng)引起的，若在N-P-N晶體管的P型基區(qū)表面,受氧化層正電中心作用形成了N型反型層，則N型發(fā)射區(qū)和N型集電區(qū)就通過反型層連接起來，通常把這樣的連通稱“溝道”，如圖所示。 N型反型層形成的溝道 7. 飽和壓降大（曲線上升緩慢）輸出特性曲線上升得比較緩慢，即晶體管飽和壓降大的狀況如圖所示。顯然由于曲線不陡，飽和壓降也會(huì)較大。其原因是集電區(qū)或者在E、C電極接觸處有較大的串聯(lián)電阻

26、，電阻的存在分掉了部分電壓，從而使加到結(jié)上的電壓降減小，造成電流IC上升緩慢。 飽和壓降大的特性曲線 8. 低擊穿特性曲線低擊穿盡管是硬擊穿，但擊穿電壓很低，只有幾伏，如圖所示，低擊穿主要是由E、C穿通或集電結(jié)低擊穿所致。 低擊穿特性曲線 3.4 晶體管的反向電流與擊穿電壓3.4.1 晶體管的反向電流反向電流主要包括：ICBO、IEBO和ICEO，它不受輸入電流的控制，因此對(duì)放大作用沒有貢獻(xiàn)，它無謂地消耗掉一部分電源能量，甚至還影響晶體管工作的穩(wěn)定性.1. ICBO ICBO是發(fā)射極開路時(shí)，集電極基極（即集電結(jié)）的反向漏電流，如圖所示。與反向PN結(jié)一樣，晶體管集電結(jié)的反向電流ICBO由空間電荷

27、區(qū)外的反向擴(kuò)散電流IR、空間電荷區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生電流Ig和表面漏電流IS三部分組成。以NPN晶體管為例：22()pcinbiRCbBpcCqD nqD nIAW NL N=+2imcCgqn XAIt=由上兩式可見，IR、 Ig均隨著溫度的升高而指數(shù)增大（因?yàn)閚i隨溫度的升高而指數(shù)增大），說明I CBO隨溫度的升高而快速增大。 I S表面漏電流往往比IR和 Ig大得多，因此減小ICBO關(guān)鍵在于減小IS。2. IEBOIEBO是集電極開路，發(fā)射極基極間（即發(fā)射結(jié)）的反向漏電流，如圖所示。實(shí)際上 ，對(duì)IEBO要求不高。 IEBO測(cè)量原理圖 3. ICEOICEO是基極開路，集電極發(fā)射極間的反向漏電流，如

28、圖所示。它不受基極電流控制，對(duì)放大無貢獻(xiàn)，ICEO一般都比ICBO大。 從ICEO測(cè)量原理圖上看出，測(cè)量ICEO時(shí)電壓的偏置使發(fā)射結(jié)處于正向，集電結(jié)處于反向。上圖示意地畫出了基極開路時(shí)的電流傳輸情況。從圖中可見，通過集電極的總電流ICEO = In(X4)+ ICBO ICBO 在基極開路的情況下， In(X4)= 0ICBO ICEO =0ICBO + ICBO=（0+1）ICBO 上式表明：要減小ICEO，必須減小ICBO。3.4.2 晶體管的反向擊穿電壓 BUCBO BUCBO是發(fā)射極開路時(shí)，集電極與基極間的擊穿電壓，也是集電結(jié)本身的擊穿電壓。下圖為測(cè)量BUCBO的電路原理圖。 BUCB

29、O測(cè)量原理圖 改變電源電壓（增大電源電壓），當(dāng)ICBO突然趨向無窮大時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓即為BUCBO，這樣的擊穿特性稱雪崩擊穿，也稱硬擊穿，如下圖中的曲線甲。但是，在實(shí)際的晶體管中也經(jīng)常遇到下圖中的曲線乙所示的情況，該曲線稱軟擊穿，反向電流ICBO不飽和，而是隨著電壓的增加而增加。 BUCBO的實(shí)際測(cè)量曲線 2. BUCEOBUCEO是基極開路時(shí)集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓，也是共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)集電極發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓，測(cè)試電路原理如圖所示。 改變電源電壓，電流ICEO隨著增加，當(dāng)ICEO達(dá)到指標(biāo)所規(guī)定的某一電流值時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓即為BUCEO。 BUCEO測(cè)量原理圖 BUCEO是晶體管

30、的重要參數(shù)之一，它與BUCBO有一定的關(guān)系，同時(shí)在測(cè)量時(shí)，經(jīng)?？吹絀CUCE曲線有負(fù)阻現(xiàn)象，如圖所示，下面就以上兩個(gè)問題給以簡(jiǎn)單分析。 ICUCE曲線的負(fù)阻現(xiàn)象 （1） BUCEO與BUCBO的關(guān)系 011CBOCEOnBUBUb=+BUCEO與BUCBO的上述關(guān)系式只能用于近似地估算，但它說明了兩個(gè)問題：其一是BUCEO小于BUCBO；其二是要想提高BUCEO就必須首先提高BUCBO。（2） ICUCE曲線上的負(fù)阻現(xiàn)象 在基極開路、外加電壓UCE增高至BUCEO時(shí)，集電結(jié)擊穿，擊穿后電流上升，電壓卻反而降低，這種現(xiàn)象稱為負(fù)阻現(xiàn)象。 出現(xiàn)負(fù)阻現(xiàn)象的主要原因在于集電極電流較小時(shí)，0隨IC增大而變

31、大的結(jié)果。對(duì)電流放大系數(shù)隨IC變化不大的晶體管，如硼基區(qū)晶體管，其負(fù)阻現(xiàn)象比較小。而對(duì)于用開管擴(kuò)鎵作基區(qū)的晶體管其負(fù)阻現(xiàn)象比較明顯。 3. BUCEO與BUCES、BUCER、BUCEX、BUCEZ的關(guān)系晶體管工作時(shí)，基極并不是開路的，常常在基極與發(fā)射極之間串接外電阻，或者電源，或者短路，如圖所示。晶體管的工作情況不同，集電極發(fā)射極間的擊穿電壓也不同，因而晶體管還有下述幾種擊穿電壓?；鶚O不同情況的共射極擊穿電壓（1） BUCES BUCES是基極對(duì)地（發(fā)射極）短路時(shí)集電極與發(fā)射極之間的擊穿電壓。這種情況的應(yīng)用之一是在集成電路芯片中作為PN結(jié)使用。此時(shí)BUCES BUCEO。 （2）BUCERB

32、UCER是基極接有電阻RB時(shí)集電極發(fā)射極間的擊穿電壓。這種偏置條件實(shí)際上與基極短路時(shí)相同，只是相當(dāng)于rb增大了RB（二者串聯(lián)），因此電流傳輸過程兩者是相同的。 BUCERBUCER。 （4）BUCEZBUCEZ是基極加有正向偏壓時(shí)CE間的擊穿電壓。當(dāng)晶體管工作在正常放大工作狀態(tài)時(shí)就屬這種情況。外接正偏壓使得發(fā)射結(jié)正偏程度比基極開路時(shí)更甚，In(X4)比基極開路時(shí)更大，因而CE間擊穿電壓所需要的倍增因子M值更小，故BUCEZ BUCEO。 從以上討論可知，基極在各種不同偏置條件下，CE間的擊穿電壓大小關(guān)系為BUCEZ BUCEO BUCER BUCES BUCEX BUCBO，且BUCEX BU

33、CBO。4. BUEBOBUEBO是集電極開路，發(fā)射極與基極間的擊穿電壓，也是發(fā)射結(jié)本身的擊穿電壓。下圖為測(cè)量BUEBO的電路原理圖，改變電源電壓，當(dāng)IEBO達(dá)到指標(biāo)所規(guī)定的電流值時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射結(jié)外加反向偏壓即為BUEBO。 BUEBO測(cè)量原理圖 對(duì)于平面晶體管而言，發(fā)射結(jié)兩邊的雜質(zhì)濃度都比較高，勢(shì)壘區(qū)很薄，所以發(fā)射結(jié)的擊穿電壓只有幾伏特，如圖所示。 發(fā)射極基極間的擊穿電壓 3.4.3 穿通電壓發(fā)生穿通時(shí)所對(duì)應(yīng)的反向偏壓稱穿通電壓。造成穿通電壓的情況有兩種：基區(qū)穿通和外延層穿通。 1. 基區(qū)穿通電壓UPT基區(qū)穿通時(shí)的反向電壓曲線 基區(qū)穿通電壓曲線如圖所示。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因，一般認(rèn)為是基區(qū)穿通

34、引起的。當(dāng)反向偏置的集電結(jié)在發(fā)生雪崩倍增之前，向基區(qū)一側(cè)擴(kuò)展的空間電荷區(qū)與發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)連通在一起的結(jié)果。 一般來說，這種現(xiàn)象在擴(kuò)散基區(qū)晶體管是不易發(fā)生的。因?yàn)榛鶇^(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于集電區(qū)，集電結(jié)空間電荷區(qū)主要往集電區(qū)一側(cè)擴(kuò)展，而往基區(qū)一側(cè)擴(kuò)展的很少，不易與發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)相連。但是，由于材料缺陷和工藝不良等，發(fā)射結(jié)結(jié)面會(huì)出現(xiàn)“尖峰”，如圖所示，在尖峰處的基區(qū)很薄，在此可能發(fā)生局部穿通。 結(jié) “尖峰”示意圖 在基區(qū)未穿通之前，集電結(jié)呈現(xiàn)正常的反向電流電壓特性，若電壓增加到UPT發(fā)生局部基區(qū)穿通，UPT稱為基區(qū)穿通電壓。此時(shí)可認(rèn)為電壓仍加在集電結(jié)上，對(duì)發(fā)射結(jié)無影響。 當(dāng)電壓高于UPT后，發(fā)射結(jié)的一

35、部分處于正電位，而另一部分如上圖中的B處則處于反向偏置。當(dāng)基極與集電極間外加偏壓達(dá)到UPT+BUEBO時(shí)，反向偏置的那部分發(fā)射結(jié)便發(fā)生雪崩擊穿。 發(fā)生基區(qū)穿通時(shí)，CB極間的擊穿電壓BUCBO =UPT+BUEBO 如果UPT遠(yuǎn)小于集電區(qū)電阻率決定的雪崩擊穿電壓理論值UB，那么BUCBO遠(yuǎn)小于UB?？梢?，擊穿電壓BUCBO不僅由電阻率、外延層厚度決定，有時(shí)還受基區(qū)穿通的限制。 對(duì)于基區(qū)為低摻雜的合金晶體管，由于集電結(jié)空間電荷區(qū)主要擴(kuò)展在基區(qū)這一側(cè)，若基區(qū)寬度不當(dāng)，很容易發(fā)生基區(qū)穿通現(xiàn)象。所以，合金晶體管的基區(qū)寬度必須大于集電結(jié)雪崩擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)的空間電荷區(qū)寬度。對(duì)于NPN型合金晶體管，以NB代表表基

36、區(qū)凈雜質(zhì)濃度，即10202()SBbBUWqNe e式中Wb0為基區(qū)寬度；UB為基區(qū)摻雜濃度為NB時(shí)所決定的雪崩擊穿電壓理論值。2. 外延層穿通電壓發(fā)生外延層穿通的電壓為 (2)ccCBOBmcmcWWBUUXX=-式中Wc為外延層厚度；UB為集電結(jié)雪崩擊穿電壓的理論值；Xmc為電壓UB時(shí)的空間電荷區(qū)寬度理論值。為了防止外延層穿通，外延層厚度d必須大于結(jié)深Xjc和Xmc之和，即 dXjc+Xmc 3.5 晶體管的頻率特性3.5.1 晶體管交流電流放大系數(shù)所謂晶體管的交流頻率特性是指一個(gè)小交流信號(hào)重疊在一個(gè)直流信號(hào)基礎(chǔ)的情況，如圖所示，交流信號(hào)為正弦。 （a）電壓偏置 （b）電流ic小信號(hào)意指交

37、流電壓和電流的峰值小于直流的電壓、電流值。當(dāng)一個(gè)小信號(hào)附加在輸入電壓上時(shí)，基極電流ib將會(huì)隨時(shí)間變化而成為一個(gè)時(shí)間函數(shù)，基極電流的變化使得輸出電流ic跟隨變化，最終實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的放大。 共基極交流放大系數(shù) 共基極交流放大系數(shù)定義為：在共基極運(yùn)用時(shí)，集電極（輸出端）交流短路，集電極的輸出交流小信號(hào)電流ic與發(fā)射極的輸入交流小信號(hào)電流ie之比（用小寫字母代表小信號(hào)交流電流），即aceiia=在低頻下，電流放大與工作頻率無關(guān)。但在頻率較高下，考慮到相位關(guān)系，為復(fù)數(shù)，通常所說的的大小是指它的模值 。2共發(fā)射極交流放大系數(shù)共發(fā)射極交流放大系數(shù)定義為：在共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)，集電極（輸出端）交流短路，集電極的輸

38、出交流小信號(hào)電流ic與基極的輸入交流小信號(hào)電流ib之比，即cbiib=同樣，也是復(fù)數(shù)。在交流小信號(hào)工作條件下，晶體管端電流與之間仍有如下關(guān)系式ie=ic+ib 1aba=-電流增益也常用分貝（dB）表示，即 (dB)=20lg (dB)=20lg 由于與是在集電極交流短路的條件下定義的，因此也稱為交流短路電流增益。3.5.2 晶體管頻率特性參數(shù)隨著晶體管工作頻率的增高，晶體管的電學(xué)性能會(huì)發(fā)生很大變化，主要表現(xiàn)為電流增益和功率增益的下降。下圖示出典型的電流增益隨頻率變化關(guān)系的簡(jiǎn)圖，其中縱坐標(biāo)是以分貝表示電流放大系數(shù)。 電流放大系數(shù)與頻率的關(guān)系 從晶體管的頻率響應(yīng)特性定義以下幾個(gè)參數(shù)，用于描述其高

39、頻性能。 1.截止頻率ff定義為共基極短路電流放大系數(shù)下降到低頻 的所對(duì)應(yīng)的頻率，即 時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率，此時(shí)的分貝值比 下降3dB，f反映了共基極運(yùn)用的頻率限制。000.7072aaa=0a0a 2. 截止頻率f f定義為共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到低頻0的時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率?；蛘哒f，f為比0下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。3. 特征頻率fT 在共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)，截止頻率f還不能完全反映晶體管使用頻率的上限，也就是說當(dāng)工作頻率等于f時(shí)，值還可能相當(dāng)大。為了更好地表示共發(fā)射極運(yùn)用晶體管具有電流放大作用的最高頻率限制，引進(jìn)了特征頻率fT的概念。特征頻率fT定義為共發(fā)射極電流放大系數(shù) =1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。 顯然，當(dāng)

40、工作頻率等于fT時(shí)，晶體管不再具有電流放大作用，由此說明特征頻率fT是判斷晶體管是否能起電流放大作用的一個(gè)重要依據(jù)，也是晶體管電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。4. 最高振蕩頻率fMfT還不是晶體管工作頻率的最終限制。為此，再引入一個(gè)最高振蕩頻率fM的概念。最高振蕩頻率fM定義為共發(fā)射極運(yùn)用時(shí)，功率增益等于1時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。可見fM是晶體管工作頻率的最終限制，此時(shí)晶體管的輸出功率等于輸入功率。 fM不僅表示晶體管具有功率放大作用的頻率極限，也是晶體管使用頻率的最高上限，若工作頻率超過fM，晶體管失去任何放大作用。3.5.3 交流電流放大系數(shù)隨頻率變化的物理原因1. 頻率對(duì)晶體管交流電流放大系數(shù)的影響首先

41、給出高頻時(shí)輸出電流ic幅度變化和相移示意圖，如圖所示，以作為頻率對(duì)晶體管交流電流放大影響的感性認(rèn)識(shí)。高頻下輸出電流幅度變化和相移示意圖 2. 交流小信號(hào)電流的傳輸過程以NPN晶體管為例分為四個(gè)階段闡述交流電流的傳輸過程，如圖所示。并且引入新的中間參量來描述每個(gè)傳輸過程的效率。晶體管交流小信號(hào)電流傳輸示意圖 （1） 通過發(fā)射結(jié)階段 發(fā)射極交流小信號(hào)電流由三部分組成，即11()()enpCTeiiXiXi=+式中的iCTe為發(fā)射結(jié)結(jié)電容分流電流。由此可得出交流發(fā)射效率的表達(dá)式為11()()1pnCTeeeeiXiXiiiig= =-顯然，信號(hào)頻率越高，結(jié)電容分流電流iCTe越大，交流發(fā)射效率越低。

42、此外，由于對(duì)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電需要一定的時(shí)間，因而使電流在發(fā)射過程產(chǎn)生延遲。（2） 基區(qū)輸運(yùn)階段 以iCDe表示擴(kuò)散電容分流電流，in(X3)表示輸運(yùn)到基區(qū)集電結(jié)邊界的電子電流，則注入到基區(qū)的電子電流 in(X2)= in(X3)+ iVB+iCDe 交流情況下基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)可定義為*3233()1()()()nVBCDennniXiIiXiXiXb=-因此，頻率越高分流電流iCDe越大，到達(dá)集電結(jié)的有用電子in(X3)越小，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)越小。同樣，對(duì)CCDe的充放電時(shí)間也對(duì)信號(hào)產(chǎn)生一定延遲。（3） 集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越階段 為了描述到達(dá)X4邊界in(X4)的減小，引入集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)d，它定

43、義為流出與流入集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)的電子電流之比，即43()()ndniXiXb=（4） 通過集電區(qū)階段 最終到達(dá)集電極的電子電流大小為ic= in(X4)- iCTc 為了描述該過程電流的損失，引入集電區(qū)衰減因子這一概念，其表達(dá)式為41()ccCTccncCTcciiiiXiiia=-+綜上所述，與直流電流傳輸情況相比，在交流小信號(hào)電流的傳輸過程中，增加了四個(gè)信號(hào)電流損失途徑： 發(fā)射結(jié)發(fā)射過程中的勢(shì)壘電容充放電電流； 基區(qū)輸運(yùn)過程中擴(kuò)散電容的充放電電流； 集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越過程中的衰減； 集電區(qū)輸運(yùn)過程中對(duì)集電結(jié)勢(shì)壘電容的充放電電流。上述四個(gè)分流電流均隨著信號(hào)頻率的升高而增加，使輸運(yùn)到集電極電流ic減

44、小和電流增益下降；同時(shí)對(duì)電容的充放電均需要一定的時(shí)間，使信號(hào)產(chǎn)生延遲，導(dǎo)致輸入信號(hào)與輸出信號(hào)存在相位差。3.5.4 晶體管高頻等效電路1. 發(fā)射結(jié)和發(fā)射區(qū)發(fā)射結(jié)正向偏壓的改變會(huì)引起三個(gè)結(jié)果：引起發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)空間電荷量的變化，這一變化可用發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容CTe來等效；引起了發(fā)射極電流的變化，這一變化的大小可以用發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻re來等效；引起了基區(qū)、發(fā)射區(qū)貯存電荷的變化，這一變化可用發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電容CDe來等效。發(fā)射結(jié)的作用可以用re、CTe、CDe的并聯(lián)來等效，如下圖所示。 發(fā)射結(jié)和發(fā)射區(qū)的等效電路2. 集電結(jié)和集電區(qū)與發(fā)射結(jié)同樣，可用集電結(jié)勢(shì)壘電容CTc、擴(kuò)散電容CDc和動(dòng)態(tài)電阻rc來描述，并

45、且集電結(jié)可用三者并聯(lián)來等效，如圖所示。集電結(jié)和集電區(qū)的等效電路 3. 基區(qū) 基區(qū)貯存電荷的改變已經(jīng)由擴(kuò)散電容所描述。晶體管的基極電流是一股平行于結(jié)平面方向流動(dòng)的多子電流，它將在基區(qū)橫向產(chǎn)生電位降，基區(qū)的這一作用可用一個(gè)電阻來等效，這一等效電阻稱為基極電阻，用rb表示。 把發(fā)射結(jié)電流ie通過基區(qū)輸運(yùn)而轉(zhuǎn)化為集電極電流的相互控制關(guān)系反映出來，為此可用一個(gè)恒流源表示，如圖所示。 集電結(jié)和集電區(qū)的等效電路 4. 晶體管共基極高頻等效電路通過上述分析，立即可得到晶體管共基極“T”型等效電路。如果CTe、CDe并聯(lián)后的電容用Ce代表、CTc、CDc并聯(lián)后的電容用Cc代表，則得到晶體管共基極高頻等效電路圖所

46、示。晶體管共基極高頻等效電路 5. 晶體管共發(fā)射極高頻等效電路將共基極晶體管高頻“T”型等效電路中的基極與發(fā)射極交換，恒流源用ib去代替ie，就可得到共發(fā)射極晶體管高頻“T”型等效電路，如圖所示。在此需要說明的是，與ib并聯(lián)的電阻縮小為原來的1/（1+），而電容則擴(kuò)大為原來的（1+）倍。 晶體管共發(fā)射極高頻等效電路 3.5.5 共基極交流電流放大系數(shù)及截止頻率f的定量分析上面我們已經(jīng)定義了共基極小信號(hào)電流放大系數(shù)= ic /ie，綜合前面對(duì)晶體管交流傳輸過程，晶體管的共基極電流放大系數(shù)可表示為*234234()()()()()()cnnncdceennniiXiXiXiiiiXiXiXagbb

47、 a=鬃下面對(duì)各個(gè)中間參量進(jìn)行定量分析，從而得出與f的定量表達(dá)式。1. 發(fā)射效率和發(fā)射極延遲時(shí)間常數(shù)通過前面對(duì)發(fā)射極發(fā)射過程的分析，并依據(jù)晶體管的共基極等效電路，我們也可將發(fā)射結(jié)等效為下圖所示的電路。 發(fā)射結(jié)小信號(hào)等效電路 上圖中in(X2)和反向注入電流ip(X1)是通過發(fā)射結(jié)動(dòng)態(tài)電阻的電流，iCTe是對(duì)勢(shì)壘電容充放電形成的分流電流。根據(jù)簡(jiǎn)單的并聯(lián)支路的電流關(guān)系，可以得到21()()1/CTeeeTenpTeirj rCiXiXj Cww=+1111101111()()()()()()()11()()nnpnnCTeenpCTeeTenpiXiXiXiXiXiiiXiXij rCiXiXgg

48、w+=+由發(fā)射效率的定義式可得1201121()()()()()()nnnpnpiXiXiXiXiXiXg=+0為低頻發(fā)射效率。 令reCTe=e，e是發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電時(shí)間常數(shù)，則發(fā)射效率01ejggwt=+式中為輸入信號(hào)的角頻率（=2f）。發(fā)射結(jié)延遲時(shí)間為(2.5 4)(0)eTeETCqIkt=嚴(yán)格分析表明，in(X2)和ip(X1)均與頻率有關(guān)，只有在晶體管的使用頻率滿足的關(guān)系時(shí)，才能認(rèn)為in(X2)和ip(X1)與頻率無關(guān)。不過，一般晶體管的使用頻率都滿足這個(gè)關(guān)系，所以上述結(jié)果通常是適用的。2. 基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和基區(qū)渡越時(shí)間注入基區(qū)邊界的少子電子在渡越基區(qū)時(shí)，需要一定的時(shí)間，用b表示

49、。假設(shè)在基區(qū)中的x處注入少子電子的濃度為nb(x)、以速度u(x)穿越基區(qū)，這時(shí)形成基區(qū)傳輸電流則為 I nB (x)=Aq nb(x) u(x)則載流子渡越基區(qū)的時(shí)間為00( )1( )( )bbWWbbnBAqn xdxdxu xIxt=蝌通常在基區(qū)寬度WbLnb時(shí)，基區(qū)傳輸電流InB (x)= In(X2)，且基本維持不變，此時(shí)基區(qū)少子分布可用線性近似，即2( )()(1)bbbxn xnXW=-2202()(1)()2bbWbbbnnbxAqnXWWdxIXDt-=可以得到b也可用注入電流In(X2) 對(duì)擴(kuò)散電容CDe進(jìn)行充放電而產(chǎn)生基區(qū)積累電荷Qb所需的延遲時(shí)間，即有b=reCDe

50、由前面的討論可知，交流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)為3*33302333()()()()()()11()()nnnnVBCDeCDennVBCDenVBnVBiXiXiXiXiiiiXiXiiiXiiXibb+=+與交流發(fā)射效率的分析方法相比較可推得均勻基區(qū)交流基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的一級(jí)近似表達(dá)式/*01/bjmbejw wbbw w-=+2112bbbnbmmWDwt+=*02bb=式中 對(duì)于緩變基區(qū)晶體管，由于自建電場(chǎng)的作用，相當(dāng)于擴(kuò)散系數(shù)增大，所以可推得2bbnbWDtl=3. 集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延遲時(shí)間當(dāng)空間電荷區(qū)電場(chǎng)強(qiáng)度超過臨界電場(chǎng)強(qiáng)度104V/cm時(shí)， 載流子的速度達(dá)到飽和，那么載流子將以

51、極限速度usl穿過空間電荷區(qū)（對(duì)于硅usl8.5106cm/s；對(duì)于鍺usl61016cm/s）。載流子以極限速度穿過空間電荷區(qū)所需的時(shí)間為s mcsslXut=式中Xmc為集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度。 若將集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)輸運(yùn)系數(shù)d寫成與其他傳輸過程相同的形式，即 111/21dsdjjbwtwt=+式中d為集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)延遲時(shí)間，它等于載流子穿越勢(shì)壘區(qū)所需時(shí)間的二分之一 。4. 集電區(qū)衰減因子和集電區(qū)延遲時(shí)間下圖示出了集電結(jié)交流短路條件下，集電結(jié)小信號(hào)等效電路圖。 集電結(jié)交流小信號(hào)等效電路圖 集電區(qū)衰減因子c為 1411(1)()11ccCTccncCTcccsTcciiiiXiiij r Cjaww

52、t-=+=+式中c稱為集電極延遲時(shí)間。c=rcsCTc c代表通過集電區(qū)串聯(lián)電阻rcs對(duì)勢(shì)壘電容的充放電時(shí)間常數(shù)。5. 共基極電流放大系數(shù)及其截止頻率共基極電流增益為 00011/1/ecjjjffaaaaaawtw w=+021(/)ffaaa=+()farctgfaaj= -式中ec為發(fā)射極到集電極總延遲時(shí)間，ec=e +b +d+c；0為直流或低頻電流增益；=1/ec=2f；f為信號(hào)頻率。電流放大系數(shù)的幅值和相位滯后可表示為當(dāng)頻率上升到f=f時(shí)，下降到其低頻值的1/2，因此f稱為共基極截止頻率，其值為1122 ()ecebdcfaptp tttt=+上面得出的表達(dá)式，對(duì)均勻基區(qū)和緩變基區(qū)

53、都適用.3.5.6 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)、f及fT的定量分析0ccbiUib=1. 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)和截止頻率f共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)是指工作在共發(fā)射極狀態(tài)下，在輸出端集電極交流短路時(shí)（即Uc=0） ，集電極交流電流ic與基極輸入電流ib之比，即截止頻率f0012()ebdcffabbpbtttt=+上述情況也可用相量圖來說明，在交流工作狀態(tài)下，交流電流可用矢量表示，且有關(guān)系ie=ic+ib，將這個(gè)關(guān)系在復(fù)平面圖上畫出，如圖所示。 交流情況下電流變化關(guān)系的相量圖 2. 特征頻率fT01122 ()Tecebdcffbbptp tttt=+可見，特征頻率同樣由四個(gè)時(shí)間常數(shù)決定。當(dāng)工

54、作頻率遠(yuǎn)大于f時(shí)，如f5f， 002 1/21() Tffffbbbbb=+這表明當(dāng)工作頻率滿足f f f時(shí)，共射極電流增益的幅值與工作頻率的乘積是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就是fT。 3. 特征頻率與截止頻率的定量關(guān)系截止頻率f、f和特征頻率fT是按共基極、共發(fā)射極電流增益隨頻率變化的關(guān)系定義的，因此各自有不同的表達(dá)式。然而共基極和共射極只是晶體管的兩種不同組態(tài)，所以f、f與fT之間必然有一定的聯(lián)系，事實(shí)上，它們都是有四個(gè)時(shí)間決定的。三者的關(guān)系式為 fT= f=0f 因此，三個(gè)頻率參數(shù)的關(guān)系是：f fT f，且fT很接近f 4. 提高特征頻率的有效途徑（1） 控制基區(qū)寬度減小b （2） 盡量減小發(fā)射

55、結(jié)面積和動(dòng)態(tài)電阻re來減小e （3） 盡量減小集電結(jié)面積、降低集電區(qū)電阻率以減小d 此外，為了減小集電區(qū)延遲時(shí)間c，必須降低集電區(qū)電阻率c，減小集電區(qū)厚度Wc，以減小集電區(qū)串聯(lián)電阻。但這也與功率要求相矛盾，因此必須兩者同時(shí)兼顧。綜上所述，提高晶體管特征頻率的主要途徑是：減小基區(qū)寬度Wb(對(duì)于微波器件，還必須采用淺結(jié)工藝)、減小結(jié)面積，適當(dāng)降低集電區(qū)電阻率及其厚度，盡量減小延伸電極面積。3.5.7 高頻功率增益和最高振蕩頻率1. 高頻功率增益晶體管的功率增益定義為晶體管的輸出功率p0與輸入功率pi之比，用符號(hào)Gp表示，即0pipGp=右圖示出了共射極功率增益電路簡(jiǎn)圖，圖中輸入信號(hào)電流是ib，輸出

56、交流電流是ic，在頻率較高時(shí)，晶體管的輸入阻抗基本上等于基區(qū)電阻rb。 共射極功率放大電路簡(jiǎn)圖 故輸入功率Pi為 2ib bpi r=2OcpibpRGprb=輸出功率（負(fù)載上得到的功率）p0為 因此功率增益GP為2Occpi R=2. 最高振蕩頻率fM和高頻優(yōu)值為比較準(zhǔn)確地描述晶體管的功率放大隨頻率變化的關(guān)系，引進(jìn)了晶體管最佳功率增益這一參數(shù)，用符號(hào)GPm表示。最佳功率增益GPm 是指晶體管向負(fù)載輸出的最大功率與信號(hào)源供給晶體管的最大功率之比，即是晶體管輸入、輸出阻抗各自匹配時(shí)的功率增益。 228TPmMbcfGffr Cp=稱為晶體管的高頻優(yōu)值，亦稱功率增益寬帶積。這個(gè)參數(shù)全面反映了晶體管

57、的頻率和功率性能，優(yōu)值越高，晶體管的頻率和功率性能越好。而且，高頻優(yōu)值只決定于晶體管的內(nèi)部參數(shù)，因此它是高頻功率管設(shè)計(jì)和制造中的重要理論依據(jù)之一。3.5.8 晶體管的噪聲 噪聲 簡(jiǎn)單地說，噪聲是一種雜亂的、無規(guī)則的電壓或電流圍繞在統(tǒng)計(jì)平均值的宏觀量上的波動(dòng)（或起伏）。 從本質(zhì)上說，噪聲是由于系統(tǒng)內(nèi)所含的大量的帶電微粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)所引起的 。 這種無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使在某個(gè)瞬時(shí)產(chǎn)生了偏離平均值的一個(gè)微小的電流或電壓漲落。由于帶電微粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這個(gè)微小的電流或電壓的變化也是無規(guī)則的，也是雜亂無章的，在電學(xué)里把這種雜亂無規(guī)則變化的微小的電流或電壓稱為噪聲。 下圖示出了正弦訊號(hào)與噪聲疊加后的波形。晶體管

58、的噪聲也是由于帶電微粒載流子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)所引起的。 噪聲波形 2. 噪聲系數(shù)在實(shí)際工作中，要衡量晶體管噪聲性能的好壞，常采用信號(hào)噪聲比（即信號(hào)功率與噪聲功率之比，簡(jiǎn)稱信噪比）來衡量噪聲的大小，即有 =信號(hào)功率信噪比噪聲功率為了更加嚴(yán)格起見，常用晶體管的輸入信號(hào)噪聲比同輸出信號(hào)噪聲比的比值來表示晶體管的噪聲特性，稱這個(gè)比值為噪聲系數(shù)，用符號(hào)NF表示，即 P/1GFN =輸入信噪比輸入信號(hào)功率 輸入噪聲功率輸出信噪比輸出信號(hào)功率 輸出噪聲功率輸入信號(hào)功率輸出噪聲功率輸出噪聲功率輸出信號(hào)功率輸入噪聲功率輸入噪聲功率噪聲系數(shù)是用以衡量晶體管自身噪聲水平的參數(shù)，當(dāng)然越小越好。在實(shí)際工作中，噪聲系數(shù)常常采

59、用分貝（dB）表示，記為()10lg10lgFFPNdBNG=輸出噪聲功率輸入噪聲功率如果晶體管本身不產(chǎn)生噪聲，則NF=1（或等于0 dB）。但實(shí)際晶體管總是存在噪聲的。因此NF總是大于1（或大于0 dB）。NF越小，表明晶體管的噪聲特性越好，反之亦然。3. 晶體管噪聲的來源晶體管噪聲的來源主要有以下三個(gè)方面：（1） 熱噪聲 熱噪聲是由于半導(dǎo)體中載流子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的。 （2） 散粒噪聲 由于半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生復(fù)合有漲落，那么參加導(dǎo)電的載流子數(shù)目將在其平均值附近起伏，這種由載流子數(shù)目起伏而引起的噪聲稱為散粒噪聲。 （3） 1/f噪聲 這種噪聲同頻率有關(guān)，頻率越低，噪聲越大。 3.6 晶體

60、管的功率特性3.6.1 晶體管集電極最大工作電流晶體管的最大電流就是集電極的最大工作電流ICM 。輸出大電流要受到諸多因素的制約，限制晶體管集電極大電流的主要因素，是電流放大系數(shù)在大電流下的顯著下降。 那么造成晶體管在大電流情況下電流放大系數(shù)下降的原因是什么呢？下降的原因歸結(jié)為三個(gè)效應(yīng)：基區(qū)大注入效應(yīng)，基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。 3.6.2 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響 n1. 大注入基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)在大注入條件下，不僅少子濃度增加很多，而且多子濃度也等量地增加，這是維持電中性的需要。多子濃度的增加，將使基區(qū)電阻率下降，由此產(chǎn)生基區(qū)電導(dǎo)率受注入電流調(diào)制，該調(diào)制稱為大注入條件下的基