半導(dǎo)體器件物理12

（1）頻率對(duì)晶體管電流放大系數(shù)的影響§2.5晶體管的頻率特性按工作頻率范圍通常把晶體管分為低頻晶體管（只能在3MHz以下的頻率范圍內(nèi)使用）；高頻晶體管（可在幾十到幾百M(fèi)Hz的頻率下使用）；超高頻晶體管（能在750MHz以上頻率范圍內(nèi)使用的晶體管）。1．晶體管交流特性和交流小信號(hào)傳輸過(guò)程導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要是晶體管中載流子的分布情況隨交流信號(hào)而變化引起的。由于要提供再分布的電荷，消耗掉了一部分注入載流子的電流，變?yōu)榛鶚O電流。交流信號(hào)頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)用于再分布的電荷也越多，即消耗的電流也越大，輸出電流則越小，導(dǎo)致高頻時(shí)電流放大系數(shù)下降。與此同時(shí)，交流電流在從發(fā)射極傳輸?shù)郊姌O的過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)4個(gè)區(qū)：發(fā)射結(jié)、基區(qū)、集電結(jié)空間電荷區(qū)、集電區(qū)。顯然，完成上述的傳輸，必然要消耗掉部分電流，也需要一定的時(shí)間。所以，隨著頻率的增高，不僅電流放大系數(shù)下降，輸出電流相對(duì)于輸入電流也將產(chǎn)生相移。晶體管工作頻率較低時(shí)，電流放大系數(shù)基本上不因工作頻率而改變。但當(dāng)工作頻率高到一定程度時(shí)，電流放大系數(shù)將隨工作頻率的升高而下降，直至失去電流放大作用，并產(chǎn)生相位滯后。對(duì)于交流小信號(hào)電流，其傳輸過(guò)程與直流情況有很大不同，一些被忽略的因素開(kāi)始起作用了，這些因素主要有4個(gè)：①發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電效應(yīng)；②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)）；③集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越過(guò)程；④集電結(jié)勢(shì)壘電容充放電效應(yīng)。（2）交流小信號(hào)傳輸過(guò)程直流電流在晶體管內(nèi)部的傳輸過(guò)程是：發(fā)射極電流由發(fā)射結(jié)注入到基區(qū)，通過(guò)基區(qū)輸運(yùn)到集電結(jié)，被集電結(jié)收集形成集電極輸出電流。在這個(gè)電流傳輸過(guò)程中主要有2次電流損失（對(duì)理想情況）：①與發(fā)射結(jié)反向注入電流的復(fù)合；②基區(qū)輸運(yùn)過(guò)程中在基區(qū)體內(nèi)的復(fù)合。1）發(fā)射過(guò)程當(dāng)發(fā)射極輸入一交變信號(hào)時(shí)，交變信號(hào)作用在發(fā)射結(jié)上，發(fā)射結(jié)的空間電荷區(qū)寬度將隨著信號(hào)電壓的變化而改變，因此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。發(fā)射極電流中的一部分電子通過(guò)對(duì)勢(shì)壘電容的充放電，轉(zhuǎn)換成基極電流的一部分，造成電子流向集電極傳輸過(guò)程中比直流時(shí)多出一部分損失，使發(fā)射效率降低。由于對(duì)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電需要一定時(shí)間，因而使電流發(fā)射過(guò)程產(chǎn)生延遲。設(shè)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充放電時(shí)間常數(shù)為，稱(chēng)為發(fā)射極延遲時(shí)間。一般發(fā)射極延遲時(shí)間為：→零偏壓時(shí)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容值

2）基區(qū)輸運(yùn)過(guò)程當(dāng)發(fā)射極輸入交變信號(hào)時(shí)，除發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度隨信號(hào)變化外，基區(qū)積累電荷量也將隨之變化。例如在信號(hào)正半周，交變電壓疊加在發(fā)射結(jié)直流偏壓上，使結(jié)偏壓升高，注入基區(qū)的電子增加，使基區(qū)電荷積累增加。因此，注入到基區(qū)的電子，除一部分消耗于基區(qū)復(fù)合而形成復(fù)合電流外，還有一部分電子用于增加基區(qū)電荷積累，即相當(dāng)于對(duì)擴(kuò)散電容的充電。同時(shí)，為了保持基區(qū)電中性，基極必須提供等量的空穴消耗于基區(qū)積累，即對(duì)擴(kuò)散電容的充放電電流也轉(zhuǎn)換為了基極電流的一部分。因此，到達(dá)集電結(jié)的有用電子電流減小，即基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)下降。設(shè)電子在基區(qū)的輸運(yùn)時(shí)間為。假設(shè)基區(qū)中

處，注入少子電子的濃度為，以速度穿越基區(qū)，形成的電流為：載流子穿越基區(qū)的時(shí)間為（注意）又代入上式，可得3）集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越過(guò)程在直流電流傳輸過(guò)程中，由基區(qū)輸運(yùn)到集電結(jié)邊界的電子流，被反偏集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的強(qiáng)電場(chǎng)全部拉向集電區(qū)，并且穿過(guò)勢(shì)壘區(qū)的時(shí)間很短。因此，電子流在勢(shì)壘區(qū)渡越過(guò)程中，既無(wú)幅度也無(wú)相位上的變化，可以認(rèn)為這一過(guò)程對(duì)電流傳輸沒(méi)有影響。但是，對(duì)于交流信號(hào)，特別是信號(hào)頻率較高以致集電結(jié)勢(shì)壘渡越時(shí)間可與信號(hào)周期相比擬時(shí)，就必須考慮集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)的渡越過(guò)程了。交流小信號(hào)電流在這一過(guò)程中，不僅信號(hào)幅度將降低，也會(huì)產(chǎn)生相位滯后。由于反偏集電結(jié)空間電荷區(qū)電場(chǎng)一般很強(qiáng)，當(dāng)空間電荷區(qū)電場(chǎng)超過(guò)臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，載流子速度就達(dá)到飽和，載流子將以極限速度（飽和速度）穿過(guò)空間電荷區(qū)。對(duì)于硅：對(duì)于鍺：設(shè)集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度為，則載流子渡越集電結(jié)空間電荷區(qū)的時(shí)間為：4）集電區(qū)傳輸過(guò)程到達(dá)集電區(qū)邊界的電流并不能全部經(jīng)集電區(qū)輸運(yùn)而形成集電極電流，這是因?yàn)榻蛔冸娏髟谕ㄟ^(guò)集電區(qū)時(shí)，會(huì)在體電阻上產(chǎn)生一個(gè)交變的電壓降。這個(gè)交變信號(hào)電壓疊加在集電極直流偏置電壓上，使集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度隨著交變信號(hào)的變化而變化。因此，在到達(dá)集電區(qū)邊界的電流中需要分出一部分電子電流對(duì)集電結(jié)勢(shì)壘電容充放電，形成分電流，同時(shí)，基極也提供相應(yīng)大小的空穴流充電，故分電流形成了基極電流的一部分。對(duì)勢(shì)壘電容充放電的時(shí)間常數(shù)設(shè)為（也稱(chēng)為集電極延遲時(shí)間）。①發(fā)射結(jié)發(fā)射過(guò)程中的勢(shì)壘電容充放電電流；②基區(qū)輸運(yùn)過(guò)程中擴(kuò)散電容的充放電電流；③集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)渡越過(guò)程中的衰減；④集電區(qū)輸運(yùn)過(guò)程中對(duì)集電結(jié)勢(shì)壘電容的充放電電流。綜上分析可以看到，與直流電流傳輸情況相比，在交流小信號(hào)電流的傳輸過(guò)程中，增加了4個(gè)信號(hào)電流的損失途徑：這4個(gè)途徑損失的電流隨著信號(hào)頻率的增加而增大，同時(shí)使信號(hào)產(chǎn)生的附加相移也增加。因此，造成電流增益隨頻率升高而下降。2．共基極交流放大系數(shù)及其截止頻率共基極交流電流放大系數(shù)定義為：在共基極連接時(shí)，集電極輸出交流電流與發(fā)射極輸入交流電流之比，即：設(shè)發(fā)射極到集電極總延遲時(shí)間為，則交流小信號(hào)共基極接法電流放大系數(shù)可表示為：式中：

；→直流或低頻共基極電流放大系數(shù)；

→信號(hào)頻率。

（1）交流放大系數(shù)前面分析表明，電流放大系數(shù)的幅值隨頻率升高而下降，相位滯后則隨頻率升高而增大。當(dāng)頻率上升到時(shí)，降到其低頻值的倍（即），此時(shí)的頻率稱(chēng)為共基極截止頻率（或截止頻率），其值為：對(duì)于一般高頻晶體管，由于基區(qū)寬度較寬，往往比、、大得多，所以通常在時(shí)，4個(gè)時(shí)間常數(shù)中，往往起主要作用。

（2）截止頻率3．共發(fā)射極交流放大系數(shù)及其截止頻率共發(fā)射極交流電流放大系數(shù)定義為：在共發(fā)射極連接時(shí)，集電極輸出交流電流與基極輸入交流電流之比，即：由關(guān)系式可得：其中：（1）交流放大系數(shù)對(duì)于一般的晶體管有，因此可近似認(rèn)為是共基極小信號(hào)電流放大系數(shù)，從而可得（用到，）（其中）（考慮到）可見(jiàn)，共發(fā)射極小信號(hào)電流放大系數(shù)與一樣，其幅值隨頻率升高而下降，相位滯后隨頻率升高而增大。（2）截止頻率一般晶體管的是比較大的，可見(jiàn)，共射極電流增益截止頻率比共基極電流增益截止頻率低得多，即，這也說(shuō)明共基極晶體管放大器的帶寬（即截止頻率）比共射極晶體管放大器的帶寬大得多。當(dāng)頻率升高到時(shí)，下降到低頻或直流值的倍（即），這時(shí)的頻率稱(chēng)為共發(fā)射極截止頻率，其值近似為：4．晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數(shù)（1）頻率特性曲線通常在晶體管手冊(cè)中給出的電流放大系數(shù)是在低頻（一般為1000Hz）的情況下測(cè)定的，對(duì)于共發(fā)射極接法通常用表示；對(duì)于共基極接法通常用表示。慢慢升高測(cè)量頻率，測(cè)出不同頻率下的電流放大系數(shù)，以電流放大系數(shù)的分貝數(shù)作為縱坐標(biāo)，以頻率作為橫坐標(biāo)作圖，可得到如上圖所示的晶體管頻率特性曲線。電流放大系數(shù)的分貝（dB）值定義為：從圖可以看出，在低頻范圍內(nèi)，電流放大系數(shù)等于低頻時(shí)的（或），而當(dāng)頻率進(jìn)一步升高時(shí)，它們就開(kāi)始下降。

（也稱(chēng)截止頻率）：是當(dāng)共基極電流放大系數(shù)下降到低頻的（或0.707）倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。此時(shí)的分貝值下降3dB。（也稱(chēng)截止頻率）：是當(dāng)共發(fā)射極電流放大系數(shù)下降到低頻的（或0.707）倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。此時(shí)的分貝值下降3dB。從的定義可知，當(dāng)時(shí)，將下降到以下，但電流放大系數(shù)仍有相當(dāng)高的數(shù)值。例如，設(shè)晶體管的，當(dāng)時(shí)，，所以并不能反映實(shí)際晶體管的使用頻率極限。為了表示晶體管具有電流放大作用的最高頻率極限，引入特征頻率，定義為：隨著頻率的增加，晶體管的共發(fā)射極電流放大系數(shù)降到1

時(shí)所對(duì)于的頻率。當(dāng)時(shí)，，晶體管有電流放大作用；當(dāng)時(shí)，，晶體管就沒(méi)有了電流放大作用。特征頻率是是判斷晶體管是否能起到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)。（2）特征頻率根據(jù)定義，由可得（注意到）（前面結(jié)論）當(dāng)工作頻率比大很多（如）時(shí)，可得：所以有：可見(jiàn)，當(dāng)工作頻率比大得多時(shí)，工作頻率與電流放大系數(shù)的乘積是一常數(shù)，且該常數(shù)為。因此只要在比大得多的任何一個(gè)頻率

下測(cè)出，兩者相乘即可得到。

（3）最高振蕩頻率

反映了晶體管具有電流放大作用的最高頻率，但還不能表示具有功率放大能力的最高頻率。如圖所示，輸入信號(hào)電流為，輸出電流為。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，故輸入功率為：負(fù)載上得到的功率（輸出功率）為：所以功率放大倍數(shù)（功率增益）為：可見(jiàn)，盡管在時(shí)，，但負(fù)載電阻可以比大得多，所以仍可有，即晶體管仍有功率放大能力。但當(dāng)頻率繼續(xù)升高時(shí)，的數(shù)值不能取得太大了。這是因?yàn)橐玫阶畲蠊β瘦敵?，?fù)載阻抗必須與晶體管的輸出阻抗相等，這稱(chēng)為阻抗匹配。由于晶體管的集電結(jié)電容是并聯(lián)在輸出端的，隨著頻率升高，的容抗減小，輸出阻抗也變得越來(lái)越小，因此的取值也要減小。同時(shí)在高頻率時(shí)，也要繼續(xù)下降，可能比1

小很多，這樣就使得高頻時(shí)下降，頻率足夠高時(shí)將小于1。晶體管輸入輸出阻抗各自匹配時(shí)，功率增益可達(dá)到最佳，表示為：隨著頻率的升高，最佳功率增益將下降。時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為晶體管的最高振蕩頻率，用表示。·········

①在①式中令，可得為：·········

②可見(jiàn)，晶體管的最高振蕩頻率主要取決于其內(nèi)部參數(shù)，即晶體管的輸入電阻、輸出電容及特征頻率等。表示晶體管真正具有放大能力的極限。由①②式還可得到：

稱(chēng)為晶體管的高頻優(yōu)值，這個(gè)參數(shù)全面反映了晶體管的頻率和功率性能，優(yōu)值越高，晶體管的頻率和功率性越好，而且高頻優(yōu)值只取決于晶體管的內(nèi)部參數(shù)，因此它是高頻功率晶體管設(shè)計(jì)和制造中的重要依據(jù)之一。

（4）影響特征頻率的因素和改進(jìn)措施從前面分析可知，晶體管的特性頻率是晶體管的一個(gè)重要高頻參數(shù)，而且晶體管的最高振蕩頻率和高頻優(yōu)值也都與有關(guān)。所以，對(duì)器件設(shè)計(jì)者和制造者來(lái)說(shuō)，了解影響的因素和提高的措施具有重要意義。通常基區(qū)