晶體管的頻率特性與功率特性

晶體管的頻率特性與功率特性

第

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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RT4.6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)晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!●——本章重點

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)晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!在交流工作狀態(tài)下，P-N結(jié)的電容效應(yīng)將對晶體管的工作特性產(chǎn)生影響。當頻率升高時，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。當晶體管的放大能力下降到一定程度時，就無法使用，這就表明晶體管的使用頻率有一個極限。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!4.1晶體管的頻率特性晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!β截止頻率

表示共發(fā)射極短路電流放大系數(shù)的幅值|β|下降到低頻值β0的1/時的頻率。

即=時，|β|=β0/晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!特征頻率表示共射短路電流放大系數(shù)的幅值下降到|β|=1時的頻率。

它是晶體管在共射運用中具有電流放大作用的頻率極限。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!最高振蕩頻率

表示最佳功率增益等于1時的頻率。晶體管具有功率增益的頻率極限。當時，晶體管停止振蕩。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!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，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α表示。（交流信號用小寫字母表示。）晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!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γ下降。所以，交流發(fā)射效率γ隨頻率的升高而下降。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!交流基區(qū)輸運系數(shù)

頻率越高，分流電流iCDe越大，到達集電結(jié)的電子電流inc(0)越小所以，基區(qū)輸運系數(shù)β*也隨著頻率的升高而下降。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!集電結(jié)勢壘電容分流電流iCTc

到達集電區(qū)的交變電子電流，在通過集電區(qū)時，還需要用一部分電子電流對集電結(jié)勢壘電容充放電，形成勢壘電容的分流電流iCTc，真正到達集電極的電子電流只有incc

inc(xm)=incc+iCTc晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!共基極交流短路電流放大系數(shù)α

在各個傳輸過程中，由于結(jié)電容對傳輸電流的分流作用，使傳輸電流的幅值減小，對電容充放電所產(chǎn)生的延遲時間，使輸出信號同輸入信號間存在相位差（延遲或不同步）。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!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)β：工作在共射狀態(tài)下的晶體管在輸出端交流短路VCE0=0時，集電極交流電流ic與基極輸入電流ib之比。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!與的關(guān)系說明

共射短路電流放大系數(shù)β比共基短路電流放大系數(shù)α下降更快。

因此，共基電路比共射電路頻帶更寬。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!功率增益輸出功率和輸入功率的比值。最佳功率增益信號源所供給的最大功率與晶體管向負載輸出的最大功率之比，即是輸入輸出阻抗各自匹配時的功率增益。GPm

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!共射晶體管的最佳功率增益表達式晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!最佳功率增益GPm=1時的頻率，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式晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!4.4晶體管的大電流特性

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發(fā)生明顯變化，電流增益和特征頻率等參數(shù)都會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。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

以共發(fā)射極運用為例，如何根據(jù)電源電壓Vcc和輸出功率PO的要求來確定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。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!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）晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!梳狀電極平面晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!防止發(fā)射極電流集邊效應(yīng)為了減小基區(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，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；但又不能選取過小的條寬，使工藝難度增大。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!在正常工作狀態(tài)下，發(fā)射結(jié)正向偏置電壓VBE遠小于集電極反向偏置電壓VCB，體串聯(lián)電阻rcs也很小。

因此，晶體管的功率主要耗散在集電結(jié)上。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!熱阻表示晶體管散熱能力的大小任意兩點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：在開關(guān)和脈沖電路中，隨時間變化的晶體管的熱阻RTs

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!盡量降低晶體管的熱阻RT；選用最高結(jié)溫Tjm高的材料；

盡量降低使用時的環(huán)境溫度Ta。

提高晶體管最大耗散功率的主要措施

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!晶體管二次擊穿的實驗曲線

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!

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。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!二次擊穿的機理

●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間，因此熱型二次擊穿的觸發(fā)時間較長。（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是器件由高壓小電流狀態(tài)向低壓大電流狀態(tài)過渡十分迅速，所需延遲時間很短，因此電流型二次擊穿是快速型的二次擊穿。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!功率晶體管直流安全工作區(qū)

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!

二次擊穿臨界線（圖中虛線）

由實驗測定，它隨改善二次擊穿特性措施的實施而逐漸靠近最大功耗線。區(qū)域Ⅱ為熱型二次擊穿區(qū)。工作在此區(qū)內(nèi)，晶體管將產(chǎn)生過熱點，最終導(dǎo)致材料局部熔化，結(jié)間產(chǎn)生熔融孔而永久失效。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!

晶體管的安全工作區(qū)

（圖中陰影部分）

安全工作區(qū)的大小與電路工作狀態(tài)有關(guān)。從設(shè)計和制造的角度考慮，盡量擴大晶體管的安全工作區(qū)仍是高頻功率管的重要任務(wù)。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!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晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!α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|α|下降到低頻值α0的1/時的頻率。即=時，|α|=α0/。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!反映了電流放大系數(shù)β的幅值|β|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。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!

從圖可以看出，上述幾個頻率參數(shù)間有如下關(guān)系且很接近當工作頻率滿足關(guān)系時，|β|隨頻率的增加，按-6dB/倍頻的速度下降。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!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)α和截止頻率晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!發(fā)射結(jié)勢壘電容分流電流iCTe

當發(fā)射極輸入一交變信號時，發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度將隨著交變信號變化，因而需要一部分電子電流對發(fā)射結(jié)勢壘電容進行充放電。（有一部分電子電流被勢壘電容分流，形成分流電流iCTe）所以高頻時發(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）晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!擴散電容分流電流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擴散電容充放電，產(chǎn)生擴散電容分流電流iCDe，真正到達基區(qū)集電結(jié)邊界的電子電流只有inc(0)。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!集電結(jié)空間電荷區(qū)輸運系數(shù)

到達集電結(jié)邊界的電子電流inc(0)，通過集電結(jié)空間電荷區(qū)時需要一定的傳輸時間；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βd隨著頻率增高而下降。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!集電區(qū)衰減因子αc

集電極輸出電流ic應(yīng)該等于從發(fā)射極傳輸過來的電子電流incc和集電結(jié)反向電流ipc之和。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!

交流放大系數(shù)α是復(fù)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。α0

共基極短路電流放大系數(shù)的低頻值α截止頻率晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!共發(fā)射極短路電流放大系數(shù)共射交流放大系數(shù)β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

（與α類似）晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!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功率的放大能力。本節(jié)從等效電路入手，用簡化方法求出功率增益表達式，用h參數(shù)導(dǎo)出功率增益的一般表達式和最佳功率增益表示式。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!共射等效電路晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!實際晶體管中，集電極的輸出阻抗除集電結(jié)勢壘電容外，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。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!頻帶寬度

高頻優(yōu)值（增益-帶寬乘積）表達式高頻優(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)計和制造高頻功率晶體管的重要依據(jù)之一。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!集電極最大電流IcM

共發(fā)射極直流短路電流放大系數(shù)β下降到其最大值βM的一半時所對應(yīng)的集電極電流。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!大電流工作時產(chǎn)生的三個效應(yīng)通過晶體管的電流是電流密度和結(jié)面積的乘積，可見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)面積的方法并不可取，（結(jié)面積的增大會導(dǎo)致成品率的降低，并會增大結(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產(chǎn)生的三個效應(yīng)。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!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，較大的基極電流流過基極電阻，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)致晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!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，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。晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!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)。因為晶體管在受到電學(xué)特性限制的同時，還要受到熱學(xué)特性的限制。總耗散功率PC晶體管工作時，電流通過發(fā)射結(jié)、集電結(jié)和體串聯(lián)電阻都會發(fā)生功率耗散

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!

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。當結(jié)溫Tj高于環(huán)境溫度Ta時，熱量就靠溫差由管芯通過管殼向外散發(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)。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!穩(wěn)態(tài)

瞬態(tài)

最大耗散功率表達式晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!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，二次擊穿一直受到極大的重視。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!擊穿曲線上可用A、B、C、D四點將其分為四個區(qū)域。當電壓VCE增加到集電結(jié)的雪崩擊穿電壓時，首先在A點發(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。當電流增加到B點，并在B點經(jīng)過短暫的停留后，晶體管將由高壓狀態(tài)躍變到低壓大電流C點，若電路無限流措施，電流將繼續(xù)增加，進入低壓大電流區(qū)域CD段，直至最后燒毀。

晶體管的頻率特性與功率特性共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!

二次擊穿對晶體管具有一定的毀壞作用。在二次擊穿狀態(tài)下停留一定時間后，會使器件特性惡化或失效。若外加限流電阻