為電子器件與ic設(shè)計第三章bjt 3擴展

1BJT頻率特性2第六節(jié)BJT的頻率特性放大系數(shù)的分貝表示：6分貝/倍頻αβ3dBfβfTf電流放大系數(shù)（dB）03dBfα＋＋＋－－－＋＋＋－－－＋＋＋－－－發(fā)射區(qū)(N)基區(qū)(P)空間電荷區(qū)3第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運（一）發(fā)射效率及發(fā)射結(jié)延遲時間Vbe交變

發(fā)射節(jié)空間電荷區(qū)寬度變化

CTE充放電ineipeine中一部分用于填充正空間電荷區(qū)基區(qū)提供空穴填充負空間電荷區(qū)iCTE4第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運（一）發(fā)射效率及發(fā)射結(jié)延遲時間等效電路Ine中一部分用于發(fā)射結(jié)勢壘電容CTE充放電，轉(zhuǎn)換為基極電流

信號延遲（相位變化） 發(fā)射效率|γ|下降ine+ipeiCTEEBiereCTErb5第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運（二）基區(qū)輸運過程Vbe交變

基區(qū)積累電荷變化

CDE充放電irbineiCDEIne中一部分用于基區(qū)非平衡少子變化基區(qū)提供空穴用于基區(qū)多子變化 6第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運（二）基區(qū)輸運過程 等效電路Ine中一部分用于發(fā)射結(jié)擴散電容CDE充放電，轉(zhuǎn)換為基極電流

信號延遲（相位變化） 輸運系數(shù)β*下降EBine+ipeieiCDEreCDErb－－－＋＋＋＋－－－＋＋＋＋基區(qū)空間電荷區(qū)集電區(qū)inc7第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運（三）集電結(jié)勢壘區(qū)輸運過程

正半周時進入集電結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的電子總量(負電荷量Q)

交變Vbe不變時集電結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)總電荷量不變負空間電荷區(qū)-Q/2

正空間電荷區(qū)+Q/2

空電區(qū)邊界移動－－－－＋＋＋－－－－＋＋＋

負半周時inc8第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運（三）集電結(jié)勢壘區(qū)輸運過程空間電荷區(qū)邊界的移動借助于載流子流動

類似于電容充放電

－－－－＋＋＋－－－－＋＋＋－－－＋＋＋＋－－－＋＋＋＋

正半周時

負半周時基區(qū)空間電荷區(qū)集電區(qū)ine中一部分用于空電區(qū)邊界移動轉(zhuǎn)換為基極電流(信號幅度下降)電子穿過勢壘區(qū)需要時間 (

信號相位變化)dQ/dt9第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運（四）集電區(qū)傳輸過程交流電流通過集電區(qū)體電阻Rc

Vbc

交變集電結(jié)勢壘區(qū)寬度變

CTC充放電

inc中一部分用于填充正空間電荷區(qū) 同時基區(qū)提供空穴填充負空間電荷區(qū)CBinciciCTCreCTCrbrc發(fā)射結(jié)EBC集電結(jié)ieipeirineinci’ncicibi’ne10第六節(jié)BJT的頻率特性一、高頻下晶體管中載流子的輸運iCDEiCTC空穴流電子流iCTEdQ/dT11第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時間、截止角頻率（1）發(fā)射效率與發(fā)射結(jié)延遲時間τe發(fā)射結(jié)延遲時間發(fā)射極截止角頻率

發(fā)射結(jié)等效電阻12第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時間、截止角頻率（1）發(fā)射效率與發(fā)射結(jié)延遲時間τe由EM模型：當：Vbc

<0|Vbc|>>

kT/q

Vbe

>0時忽略與Vbc有關(guān)的項

13第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時間、截止角頻率（1）發(fā)射效率與發(fā)射結(jié)延遲時間τe

CTE：正偏下的勢壘電容

CTE≈(2.5～4)CTE(0)14第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時間、截止角頻率（2）基區(qū)輸運系數(shù)與基區(qū)渡越時間τb

re

和CDE

兩端電壓相等：

基區(qū)渡越時間基區(qū)輸運系數(shù)截止角頻率發(fā)射結(jié)等效電阻15第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時間、截止角頻率（2）基區(qū)輸運系數(shù)與基區(qū)渡越時間τb均勻基區(qū)晶體管：緩變基區(qū)晶體管：

可以證明τb

為載流子穿越基區(qū)的時間16第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時間、截止角頻率（3）集電結(jié)勢壘輸運系數(shù)βd與集電結(jié)勢壘渡越時間τb集電結(jié)勢壘渡越時間集電結(jié)勢壘渡越截止角頻率載流子飽和漂移速度17第六節(jié)BJT的頻率特性二、高頻下晶體管電流放大系數(shù)中間參量與延遲時間、截止角頻率（4）集電區(qū)衰減因子αC

與集電極延遲時間τc集電極延遲時間集電極截止角頻率集電區(qū)體電阻18第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)1、共基極電流放大系數(shù)α與截止頻率fα展開分母，忽略二次冪以上的項其中：19第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)1、共基極電流放大系數(shù)α與截止頻率fα電流幅度增益：電流相位滯后：20第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)2、共發(fā)射極電流放大系數(shù)β與截止頻率fβ21第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)

3.

特征頻率fT22第六節(jié)BJT的頻率特性三、電流放大系數(shù)與頻率參數(shù)

4.討論

23第六節(jié)BJT的頻率特性四、提高晶體管頻率特性的途徑（1）減小基區(qū)渡越時間τb A．Wb↘：主要措施

B．Dnb↗：Nb↘(適當) C．λ↗：η↗(即Nb(0)↗)（2）減小發(fā)射結(jié)延遲時間τe A．re↘：Ie↗ B．CTE↘：Ae↘

（3）τd

xmc↘：ρc↘（Nc↗）（4）τc A．rcs↘：ρc↘、Wc↘ B．CTC↘：Ac↘BJT開關(guān)特性2425第七節(jié)BJT開關(guān)特性一、晶體管的開關(guān)作用tViRLRBVCC飽和區(qū)截止區(qū)VCEICVCCRLIB=026第七節(jié)BJT開關(guān)特性一、晶體管的開關(guān)作用（一）三個工作區(qū)特點

發(fā)射結(jié)集電結(jié)IC截止區(qū)反偏/零偏反偏≈0飽和區(qū)正偏正偏/零偏IC

≠

βIB放大區(qū)正偏反偏IC=βIB27第七節(jié)BJT開關(guān)特性一、晶體管的開關(guān)作用(二)開關(guān)時間定義td:延遲時間：正信號輸入

Ic=0.1Icstr:上升時間：Ic=0.1Ics

Ic=0.9Ics

td＋tr＝ton

(開啟時間)ts:存儲時間：負信號輸入

Ic

=0.9Icstf:下降時間：Ic=0.9Ics

Ic=0.1Ics

ts＋tf＝toff

(關(guān)閉時間)VB(t)tIB(t)ttstftontofftdIc(t)t0.1IcsIcs0.9Icstr28第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(一)、延遲過程

1.截止態(tài):

特點：發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏

流過集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的電流為反偏電流

IC≈ICBO

IE≈IEBO發(fā)射結(jié)和集電結(jié)空間電荷區(qū)寬度較大E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB029第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(一)、延遲過程

2.延遲過程:

(1)載流子輸運過程

(2)基極電流的作用：

IB≈

VBE/RB

(a)填充發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)

(CTE充電) (b)建立與0.1ICS相對應的空穴積累(少子的積累由發(fā)射區(qū)提) (c)補充基區(qū)空穴復合損失E(n)B(p)C(n)積累pE0pC0nB0復合30第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(一)、延遲過程

2.延遲過程:(3)減小延遲時間的措施：

(a)減小結(jié)面積，即減小CTE：

減小對空間電荷區(qū)充電的電荷總量

(b)減小截止時發(fā)射結(jié)反偏電壓：

減小發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)寬度，即減小達到0.1Ics對應的空間電荷區(qū)所需的電荷總量

(c)提高基極電流：

提高由基極注入空穴的速度；但會使飽和后的飽和深度增大E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB031第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(二)、上升過程

(1)載流子傳輸IB繼續(xù)向CTE充電

Vbe↗、

nB(x)梯度↗

IC↗到0.9ICSIC↗

VRL↗

VCE↘

直到等于VBE，即|VBC|↘到0

進入臨界飽和

E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB032第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(二)、上升過程

(2)基極電流作用給CTE

CTC充電建立與0.9ICS相對應的空穴積累(少子的積累由發(fā)射區(qū)提供)補充基區(qū)空穴復合損失補充發(fā)射區(qū)空穴復合損失E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB033第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(二)、上升過程

(3)減小上升時間的措施

(A)減小結(jié)面積：

即減小CTC和CTE(B)減小基區(qū)寬度：

減小基區(qū)積累載流子總量， 加快建立對應的基區(qū)少子分布

(C)增大基區(qū)少子壽命τB

：

減小基區(qū)復合電流 加快建立對應的基區(qū)少子分布

(D)增大基極電流：

即，增大基極注入空穴的速；但會使飽和深度增大E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB0

QB34第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(三)飽和狀態(tài)與超量存儲電荷(1)

臨界飽和狀態(tài)

(A)特點：VBC＝0

集電結(jié)失去少子抽取作用

IC＝ICS≈VCC/RL

(B)IBS作用：補充基區(qū)中空穴的復合損失補充發(fā)射區(qū)中空穴的復合損失

(C)臨界飽和條件∵當IB>

IBS

時進入飽和區(qū) ∴IB＝IBS稱為臨界飽和條件復合復合E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0臨界飽和驅(qū)動電流35第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(三)飽和狀態(tài)與超量存儲電荷(2)

飽和狀態(tài) 當IB>IBS

時，IC受RL限制達飽和ICS，且不滿足IC＝β0IB

關(guān)系。此時稱：“IB處于過驅(qū)動狀態(tài)”

過驅(qū)動電流:(A)

特點：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏或零偏IC達飽和值ICS

IC不隨IB變化

(

IC

≠βIB

)

IC

受RL限制(IC＝ICS≈VCC

/RL)IB由外電路決定(

IB＝(VB－Vbe)/

RB

)VCE很?。ㄒ话?.2～0.3V）達到飽和值VCES

36第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(三)飽和狀態(tài)與超量存儲電荷(2)

飽和狀態(tài)

(B)

載流子傳輸與超量存儲電荷：

基區(qū)超量存儲電荷QBS

集電區(qū)超量存儲電荷QCS

(C)基極電流作用補充基區(qū)中空穴復合損失補充發(fā)射區(qū)中空穴復合損失補充集電區(qū)中空穴復合損失E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0QCSQBS37第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(三)飽和狀態(tài)與超量存儲電荷(3)飽和深度S反映超量存儲電荷的多少

S↗

超量存儲電荷↗、飽和越深

關(guān)斷時間越長

S＝1時(IB＝IBS)：臨界飽和狀態(tài)，無超量存儲電荷一般取S≥438第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(四)電荷存儲效應(1)超量存儲電荷的消失過程IB

反向；IC幾乎不變基區(qū)中少子梯度不變集電結(jié)電壓減小；空間電荷區(qū)寬度變寬

超量存儲電荷抽取E(n)B(p)C(n)pE0pC0nB0超量存儲電荷復合39第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(四)電荷存儲效應(2)減小存儲時間的措施（A）減小導通時基極電流IB，即飽和深度S不可太大

減小超量存儲電荷QBS

、QCS

（B）減小集電區(qū)寬度WC或集電區(qū)少子擴散長度LPC

減小超量存儲電荷QCS

，但必須保證足夠的擊穿電壓（C）增大截止時的基極抽取電流IB

加快超量存儲電荷抽取速度（D）減小集電區(qū)少子壽命τC(如在集電區(qū)摻金)

減小超量存儲電荷QCS(∵τC↘LC↘)

加快復合使QCS下降更快40第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(五)下降過程(1)下載過程中載流子的輸運IB的抽取基區(qū)中載流子的復合

QB↘,

nB(x)梯度↘

IB對集電結(jié)、發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)有載流子抽取作用

發(fā)射結(jié)電壓降低直至反偏 集電結(jié)反偏電壓增大

E(n)B(p)C(n)PE0PC0nB0

基區(qū)中存儲的載流子41第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(五)下降過程(2)下載過程與上升過程比較上升過程下降過程基極電流注入多子抽取多子對CTECTC充電對CTECTC放電積累空穴QB抽取空穴QB復合作用阻礙QB積累（延緩上升過程）加快QB消失（加速下降過程）42第七節(jié)BJT開關(guān)特性二、開關(guān)過程(五)下降過程(3)減小下降時間的措施

(A)減小發(fā)射結(jié)、集電結(jié)勢壘電容CTE

、CTC、 減小基區(qū)寬度WB (減少需要抽取的電荷)

(B)增大基極抽取電流

(加快電荷抽取速度)43第七節(jié)BJT開關(guān)特性三、提高開關(guān)速度的措施1．從晶體管結(jié)構(gòu)考慮（1）縮短集電區(qū)少子壽命(如：SiNPN管摻金)

減少超量存儲電荷QCS

關(guān)斷時加速Q(mào)CS的復合

(同時不影響電流增益)

（2）減小集電區(qū)厚度WC(可采用外延結(jié)構(gòu))

從空間上減小QCS

降低集電區(qū)電阻率ρC

(增大NC↗)

減小集電區(qū)少子壽命（3）減小結(jié)面積(

減小CTC、CTE) 縮短結(jié)電容充放電時間