實(shí)驗(yàn)3、晶體管特征頻率測(cè)量

實(shí)驗(yàn)三、晶體管特征頻率的測(cè)量一、目的1、通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解特征頻率fT的物理意義并掌握其測(cè)量方法。2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解fT隨偏流、偏壓的變化情況。二、原理晶體管有高頻管和低頻管之分，一般來(lái)說(shuō)低頻管只能用在3MC以下的頻率范圍（MC：兆周:1Mc=1兆赫MHz=1000千赫KHz）；而高頻管則可以用到幾十或者幾百M(fèi)C的高頻范圍，有時(shí)稱(chēng)超過(guò)75MC的管子為超高頻晶體管。如果使用頻率超過(guò)了晶體管的頻率范圍，則晶體管的放大特性就顯著地變壞，甚至無(wú)法使用。晶體管放大特性的變壞，是由于訊號(hào)頻率超過(guò)某一值以后，晶體管的電流放大系數(shù)開(kāi)始下降而造成的。晶體管的共射極電流放大系數(shù)與信號(hào)頻率f間的關(guān)系為： （1）式中0為低頻是的電流放大系數(shù)，f為共射極的截止頻率（也就是共射極電流放大系數(shù)下降到0或0.7070的頻率）。圖1畫(huà)出了晶體管發(fā)射極電流放大系數(shù)隨頻率的變化曲線。由圖可見(jiàn)，在頻率比較低時(shí)，基本不隨頻率變化，它的數(shù)值被定義為0。當(dāng)頻率比較高時(shí)，值隨頻率f升高而下降。如果訊號(hào)頻率超過(guò)發(fā)射極截止頻率f，晶體管的共射極電流放大系數(shù)就比低頻時(shí)的0小的多。但是，f并不是晶體管所能使用的最高頻率，因?yàn)閒下的值（即0.7070）仍比1大的多，所以晶體管此時(shí)還是有電流放大作用的。晶體管的實(shí)際使用頻率可以比f(wàn)高。圖1圖1由1式可見(jiàn)，當(dāng)頻率遠(yuǎn)大于f(比如f>2f就可以認(rèn)為f>>f)，時(shí)有f=f0=常數(shù) (2)因?yàn)閒T是等于1的f值，因此上式中的常數(shù)就是fT。所以f=fT (3)比較確切地反映了晶體管的頻率特性。當(dāng)頻率低于fT時(shí)，電流放大系數(shù)>1，晶體管有電流放大作用；當(dāng)f<fT，<1，沒(méi)有電流放大作用，所以特征頻率fT是晶體管可以起電流放大作用的最高頻率的限度，是共射極電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)。fT作為晶特管的頻率參數(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量比較方便。由公式（3）可以看出，我們并不需要去測(cè)量=1時(shí)的頻率來(lái)測(cè)量fT，而只要在比f(wàn)高幾倍（如比f(wàn)高兩倍以上）任一頻率f時(shí)測(cè)量值，然后求出與f的積就可以了。例如某一晶體管的fT為100MC，而0=20。如果我們需要測(cè)出該fT時(shí)，我們不必直接測(cè)出=1時(shí)的f值，而只需要在高于10MC（從公式（1）可以求得f為5MC）的某一頻率下測(cè)出對(duì)應(yīng)的值就可以了。fT也被稱(chēng)為“增益寬帶乘積”。因?yàn)榉从沉司w管對(duì)電流的增益作用，f代表了從低頻起到某一頻率f的頻帶寬度。所以和f的乘積就代表了增益帶寬乘積。例如某一電路中要求晶體管的大于10，帶寬是0~60MC，則該晶體管的特征頻率應(yīng)大于600MC。晶體管的電流放大系數(shù)隨訊號(hào)頻率增高而下降，有如下四種原因：1、發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容的充放電引起發(fā)射效率的下降。根據(jù)晶體管的等效電路，我們知道P-n結(jié)的勢(shì)壘電容是并聯(lián)在P-n結(jié)電阻上的。如圖2所示。顯然交流訊號(hào)ie的一部分流過(guò)勢(shì)壘電容CT，它不參加基區(qū)輸運(yùn)。因此使注入到基區(qū)的電子擴(kuò)散流在總電流中的比例下降了。頻率越高，CT容抗越小，通過(guò)CT的電流越大，電流放大系數(shù)就越小。圖2圖2交流電流通過(guò)CT就是要對(duì)CT充電和放電，充電和放電所用時(shí)間越長(zhǎng)，CT對(duì)電流放大系數(shù)的影響就越大。CT充電和放電的時(shí)間為發(fā)射結(jié)的延遲時(shí)間，用c表示：c=eCT2、基區(qū)渡越時(shí)間使基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)下降。擴(kuò)散通過(guò)基區(qū)的少子具有與其有效質(zhì)量及遷移率相關(guān)聯(lián)的一定的慣性，如果加到發(fā)射結(jié)上的電壓的頻率不斷的增加，載流子對(duì)外訊號(hào)就不能瞬間響應(yīng)。其結(jié)果造成物理滯后，使復(fù)合增加，電流增益下降。這個(gè)滯后時(shí)間也稱(chēng)基區(qū)延遲時(shí)間，用b表示：（均勻基區(qū)）（線性緩變基區(qū)，如平面管）其中W是有效基區(qū)寬度，Dn是電子在基區(qū)中的擴(kuò)散系數(shù)。3、集電極勢(shì)壘渡越時(shí)間使電流放大系數(shù)下降?；鶇^(qū)中的少子輸運(yùn)到集電結(jié)邊界后，還要越過(guò)集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)，才能到達(dá)集電區(qū)。這是需要時(shí)間的。因此在高頻訊號(hào)下，必將引起勢(shì)壘區(qū)中電荷積累的迅速變化，所以需要有部分少子電流去提供這一積累，使越過(guò)勢(shì)壘區(qū)能到達(dá)集電區(qū)的少子數(shù)目比由基區(qū)輸運(yùn)來(lái)的少了。因此使電流放大系數(shù)下降了。渡越集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)的時(shí)間可由下式表示：式中0是集電結(jié)勢(shì)壘厚度，Um是越過(guò)集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)的最大速率。4、集電結(jié)勢(shì)壘電容的影響。和發(fā)射結(jié)相似，集電結(jié)還存在勢(shì)壘電容CT和集電極體電阻rce，所以電流越過(guò)集電結(jié)后還不能全部變成有用的ic，有一部分還要對(duì)勢(shì)壘電容CT充放電，引起電流放大系數(shù)的下降和電流的延遲，延遲時(shí)間為：考慮到上述四項(xiàng)因素，可以得到特征頻率的表達(dá)式如下：式中m是超相移因子，對(duì)于硅平面管，m=0.4，所以 （4）理論（如公式4）和實(shí)驗(yàn)均證明特征頻率與晶體管的工作點(diǎn)有密切關(guān)系。在使用中我們可以選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)使fT最大。圖3示出了特征頻率與集電極電流的關(guān)系曲線。電流比較小時(shí)，fT隨Ic的增加而增加，這是由于Ic的增加使c變小之故；電流較大時(shí)，fT變化減小了；當(dāng)電流更大時(shí)，fT隨Ic的增加而下降。這有兩種原因，一是大注入效應(yīng)使管子的下降，從而使fT也降低了；二是基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)使基區(qū)渡越時(shí)間增加，從而引起fT的下降。究竟那種原因其主要作用，則視晶體管的結(jié)構(gòu)而定。如小功率晶體管，往往是前者起主要作用；高反壓管往往是后者起主要作用。圖3圖3圖10畫(huà)出了特征頻率與集電極電壓的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，隨電壓升高，fT也升高。這是由于集電極電壓的增加，集電極勢(shì)壘變寬，使基區(qū)有效寬度W減小造成的。圖4圖4三、實(shí)驗(yàn)線路（）t圖5是測(cè)量fT的簡(jiǎn)單裝置，其中Ug是標(biāo)準(zhǔn)高頻訊號(hào)發(fā)生器；是高頻微伏表。因訊號(hào)頻率較高，所以該電路的交流等效電路如圖6所示。t圖5圖5t在同軸開(kāi)關(guān)K1、K2置于Ue時(shí)，高頻微伏表可測(cè)得R2上的電壓，并進(jìn)而求出ic值，即，此時(shí)的基極電流為：ttt當(dāng)K1、K置于“VR1”時(shí)，高頻微伏表可以測(cè)得R1上的電壓并就而求出ib值，即Ib=VR1/R1又因?yàn)?，所以有：，因此，圖6圖6四、操作步驟：接通“標(biāo)準(zhǔn)高頻訊號(hào)發(fā)生器”和“高頻微伏表”電源預(yù)熱待用。然后按圖5接好電路。把“標(biāo)準(zhǔn)高頻訊號(hào)發(fā)生器”和“高頻微伏表”的頻率指示調(diào)到15MC（在此頻率下，3DG12晶體管的<10，而其0<20；3DG6晶體管的<15，而其0>30。所以無(wú)論對(duì)3DG12晶體管還是對(duì)3DG6晶體管，f=15MC都是遠(yuǎn)大于其f的）。測(cè)試fT隨偏流Ic的變化規(guī)律：插入被測(cè)3DG6晶體管，注意管腳不要插錯(cuò)。固定偏壓Uco=3V，改變IB（從而也改變了Ic）讀出不同的Ic下的fT值。把偏壓Vco再調(diào)到6伏，改變Ic讀出不同電流下的fT值。把被測(cè)晶體管改為3DG12晶體管，重復(fù)②、③兩步。測(cè)量fT隨偏壓的變化規(guī)律：把3DG12晶體管的偏流Ic分別固定為：3mA,5mA，改變偏壓Vce，讀出不同偏壓下的fT值。把被測(cè)晶體管改為3DG6晶體管，重復(fù)①的步驟。畫(huà)出3DG12晶體管和3DG6晶體管的fT~Ic和f