晶体管频率特性.pdf

1Semiconductor Device Electronics(20072008年第一学期)(20072008年第一学期)北京工业大学电子科学与技术学科部张万荣教授北京工业大学电子科学与技术学科部张万荣教授Lecture notes at the following e-mail box:Password:Password:transistor张万荣2007 Semiconductor Device Electronics2主要内容1.小信号参数(h,y,z,S)和小信号等效电路2.混合模型3.特征频率f1.小信号参数(h,y,z,S)和小信号等效电路2.混合模型3.特征频率fT T、总渡越时间，提高f、总渡越时间，提高fT T的方法4.功率增益和最高振荡频率，高频性能优值5.从S参数求解晶体管的一些关键参数6.课题讨论7.表征高频晶体管工作的最基本参数8.小信号应用时的（低频和高频）噪声系数9.大信号应用时的功率增益和效率10.介绍一些与本章内容有关的应用例子和最新结果，展示自己的感悟。的方法4.功率增益和最高振荡频率，高频性能优值5.从S参数求解晶体管的一些关键参数6.课题讨论7.表征高频晶体管工作的最基本参数8.小信号应用时的（低频和高频）噪声系数9.大信号应用时的功率增益和效率10.介绍一些与本章内容有关的应用例子和最新结果，展示自己的感悟。2张万荣2007 Semiconductor Device Electronics3本章的目的?兼顾没学过晶体管（或本科学得不好）的同学，介绍一些频率特性的一些基本知识。兼顾没学过晶体管（或本科学得不好）的同学，介绍一些频率特性的一些基本知识。?适当介绍一些在科研中实用性知识。适当介绍一些在科研中实用性知识。?介绍最新知识，开阔视野。介绍最新知识，开阔视野。?尽量避免大量公式推导，抽出核心知识，少而精，杂而不乱，强调基本概念，基本过程，基本意义，强调理解性记忆。应用性不强的部分精简。尽量避免大量公式推导，抽出核心知识，少而精，杂而不乱，强调基本概念，基本过程，基本意义，强调理解性记忆。应用性不强的部分精简。?课堂讨论之前部分为应掌握的知识，是重点部分。课堂讨论之后部分为知识延伸部分，为了解部分。课堂讨论之前部分为应掌握的知识，是重点部分。课堂讨论之后部分为知识延伸部分，为了解部分。张万荣2007 Semiconductor Device Electronics4参考书参考书?微电子技术基础-双极、场效应晶体管原理微电子技术基础-双极、场效应晶体管原理，曹培栋编著，电子工业出版社，2001年04月。(校图书馆电子图书有，曹培栋编著，电子工业出版社，2001年04月。(校图书馆电子图书有，可下载可下载)?无线应用射频微波电路设计无线应用射频微波电路设计，Ulrich l.Rohde,David P.Newkirk著，刘光沽等译，电子工业出版社，2004年8月。，Ulrich l.Rohde,David P.Newkirk著，刘光沽等译，电子工业出版社，2004年8月。?微波晶体管放大器分析与设计微波晶体管放大器分析与设计，Guillermo Gonzalez著，白晓东译，清华大学出版社，2003年6月。，Guillermo Gonzalez著，白晓东译，清华大学出版社，2003年6月。?射频电路设计射频电路设计，Joseph J.Carr著，电子工业出版社，2001年10月。(校图书馆电子图书有，Joseph J.Carr著，电子工业出版社，2001年10月。(校图书馆电子图书有，可下载可下载)?射频电路设计-理论与应用射频电路设计-理论与应用，Reihhold Ludwig,PavelBretchko著，王子宇等译，电子工业出版社，2002年5月。(校图书馆电子图书有，Reihhold Ludwig,PavelBretchko著，王子宇等译，电子工业出版社，2002年5月。(校图书馆电子图书有，可下载可下载)3张万荣2007 Semiconductor Device Electronics51.小信号参数和小信号等效电路在讨论BJT的频率特性时，小写符号大写下角标表示总瞬时值，大写符号大写下角标表示定态分量，小写符号小写下角标表示信号分量。依此规则，共发射极电路中输人电压的总瞬时值应表示为v1.小信号参数和小信号等效电路在讨论BJT的频率特性时，小写符号大写下角标表示总瞬时值，大写符号大写下角标表示定态分量，小写符号小写下角标表示信号分量。依此规则，共发射极电路中输人电压的总瞬时值应表示为vBEBEVVBEBEvvbebe（3-1）输出电流的总瞬时值则为i（3-1）输出电流的总瞬时值则为iC C=I=IC C+i+ic c（3-2）工作频率低，可以认为i（3-2）工作频率低，可以认为iC C随v随vBEBE的变化规律与I的变化规律与IC C随V随VBEBE的变化规律的变化规律kTqVSkTqVBinBECBEBEeIeGnDqAI=2相同，因此对于总瞬时值可写出相同，因此对于总瞬时值可写出（2-23）kTqvSCBEeIi=（33）张万荣2007 Semiconductor Device Electronics61.小信号参数和小信号等效电路将总瞬时值表示为定态分量与信号分量之和并代人上式，则1.小信号参数和小信号等效电路将总瞬时值表示为定态分量与信号分量之和并代人上式，则kTqvCkTqvkTqVSkTvVqScCbebeBEbeBEeIeeIeIiI=+)(+=.6121132bebebeCvkTqvkTqvkTqIv vbebekT/q时指数展开从上式可以看出，只要kT/q时指数展开从上式可以看出，只要vbebekT/q，则1时（3一96）式分母方括号中的第二项远大于第一项时，第一项可被忽略，1时（3一96）式分母方括号中的第二项远大于第一项时，第一项可被忽略，()2/12202201|+=TCTEDEmfefefeCCCghhh（3一96）12张万荣2007 Semiconductor Device Electronics23特征频率特征频率于是()TCTEDEmfeCCCgh+|将式中换成2f，上式改写为将式中换成2f，上式改写为()tconsCCCgfhTCTEDEmfetan2|=+=（3-101）（3-102）特征频率是|h特征频率是|hfefe|1的频率，按这一定义，根据（3-102）式应有|1的频率，按这一定义，根据（3-102）式应有()TCTEDEmfeTCCCgfhf+=2|(3-103)()TCTEDEfemCCChgf+=02上式与f式(下式)比较可知fT与f的关系为张万荣2007 Semiconductor Device Electronics24传输延迟时间传输延迟时间fT=hfe0f（3一104）另外(3-103)式所表明的|h另外(3-103)式所表明的|hfefe|和f的乘积等于常数这一关系是十分重要的，常称之为【-6dB/倍频】变化关系，即频率相对于起始值升高一倍时，|h|和f的乘积等于常数这一关系是十分重要的，常称之为【-6dB/倍频】变化关系，即频率相对于起始值升高一倍时，|hfefe|下降到其起始值的1/2，或者说下降6dB，在lg|h|下降到其起始值的1/2，或者说下降6dB，在lg|hfefe|lgf曲线上对应于一直线段。f|lgf曲线上对应于一直线段。fT T的实际测量在【-6dB倍频】范围内进行,选定频率下测出的实际测量在【-6dB倍频】范围内进行,选定频率下测出|h|hfefe|,f与|h|,f与|hfefe|的乘积即为f的乘积即为fT T。传输延迟时间传输延迟时间1）f1）fT T与与ecec的关系根据已推出的（3-103）式，特征角频率的倒数1/的关系根据已推出的（3-103）式，特征角频率的倒数1/T T可以表示为可以表示为()TCTEDEmTCCCg+=11(3-105)等式右端为三个时间常数之和，它们分别是基区渡越时间等式右端为三个时间常数之和，它们分别是基区渡越时间b=CDE/gm=re CDE=kT/(ICq)CDE (3-106)13张万荣2007 Semiconductor Device Electronics25传输延迟时间-传输延迟时间-tete、tctc发射结过渡(势垒)区电容充电时间发射结过渡(势垒)区电容充电时间tete=C=CTETE/g/gm m=kT/(I=kT/(IC Cq)Cq)CTE TE 以及集电结过渡(势垒)区电容充电时间以及集电结过渡(势垒)区电容充电时间tctc=C=CTCTC/g/gm m=kT/(I=kT/(IC Cq)Cq)CTCTC(3-107)(3-108)以上是从参数转换得来的结果；另一方面，在准静态近似下分析器件内部信号的传输过程，将有助于进一步理解以上是从参数转换得来的结果；另一方面，在准静态近似下分析器件内部信号的传输过程，将有助于进一步理解ecec的物理意义。一般用的物理意义。一般用ecec表示上述三者之和，称为传输延迟时间，或总渡越时间。显而易见，f表示上述三者之和，称为传输延迟时间，或总渡越时间。显而易见，fT T与与ecec的关系是的关系是1/fT=2ec(3-109)输入端施加信号电压，则器件内部改变状态，从起始状态过渡到另一个稳定状态，为实现电荷的建立与消失，必将需要一定的时间，这就是延迟时间的起源。输入端施加信号电压，则器件内部改变状态，从起始状态过渡到另一个稳定状态，为实现电荷的建立与消失，必将需要一定的时间，这就是延迟时间的起源。张万荣2007 Semiconductor Device Electronics26传输延迟时间传输延迟时间从真实器件的具体结构出发，以简化假定为基础，寻找描述各个时间常数的简单解析式，竭力使分析的结果同器件的具体结构直接联系起来，同f从真实器件的具体结构出发，以简化假定为基础，寻找描述各个时间常数的简单解析式，竭力使分析的结果同器件的具体结构直接联系起来，同fT T的测量数值直接联系起来，为分析和设计器件提供工具。对NPN晶体管，按区分析，将的测量数值直接联系起来，为分析和设计器件提供工具。对NPN晶体管，按区分析，将ecec表示为七个时间常数之和：表示为七个时间常数之和：ec=e+te+eb+b+d+c+tc（3116）e e称作发射区渡越时间称作发射区渡越时间tete称作发射结过渡(势垒)区电容充电时间称作发射结过渡(势垒)区电容充电时间ebeb称作发射结过渡(势垒)区渡越时间称作发射结过渡(势垒)区渡越时间b b称作基区渡越时间称作基区渡越时间d d称作集电结过渡(势垒)区渡越时间称作集电结过渡(势垒)区渡越时间c c代表集电结过渡区电容与集电区串联电阻RC网络形成的延迟代表集电结过渡区电容与集电区串联电阻RC网络形成的延迟tctc称作集电结过渡(势垒)区电容充电时间称作集电结过渡(势垒)区电容充电时间b=re CDE=kT/(ICq)CDEtc=CTC/gm=kT/(ICq)CTC14张万荣2007 Semiconductor Device Electronics27传输延迟时间-传输延迟时间-发射区渡越时间发射区渡越时间e e2）发射区渡越时间2）发射区渡越时间eCEedIdQ=定义:eDEEmDEECBEBEECEerCgCdIdVdVdQdIdQ=/)(21EnEEExqpWQ=EEnEpEEPEWxpqDAI)(=PEPEEEIDWQ22=I IPEPE与I与IC C之间的关系决定于发射极注入效率之间的关系决定于发射极注入效率EnBBPECPEnBPEGDGDIIII=001EnBBPEpEnBnBEnBGDGDIIIII+=+=110CEnBBPEPEEEEIGDGDDWFQ22=EBnBECECEeGGDWIQdIdQ22=张万荣2007 Semiconductor Device Electronics28传输延迟时间-传输延迟时间-发射区渡越时间发射区渡越时间e e在高晶体管中1/D在高晶体管中1/DPEPEGGB B/D/DnBnBGGE E，为便于分析问题，将这一关系代入，为便于分析问题，将这一关系代入e e式中，式中，e e被表示为：被表示为：e=(W2E/2DPE)/(3-184)综观上述各式可知，发射区渡越时间决定于发射区宽度、发射极注入效率以及F综观上述各式可知，发射区渡越时间决定于发射区宽度、发射极注入效率以及FE E。W。WE E愈大，愈大，0 0愈低则愈低则e e愈长。第三个影响因素F愈长。第三个影响因素FE E的数值大小决定于发射区内建电场的方向及强度。发射区均匀掺杂，的数值大小决定于发射区内建电场的方向及强度。发射区均匀掺杂，e e0时F0时FE E=1。若为加速场，=1。若为加速场，e e0，则F0，则FE E1。反之若为减速场（实际上双扩散器件恰同此种情况），可见1。反之若为减速场（实际上双扩散器件恰同此种情况），可见e e0，F0，FE E1。1。EBnBEECECEeGGDWFIQdIdQ22=对缓变发射区：D.JRou1ston给出的用于双扩散BJT的近似表达式如下：D.JRou1ston给出的用于双扩散BJT的近似表达式如下：nBBEeDWW5=(3-124)15张万荣2007 Semiconductor Device Electronics29传输延迟时间-传输延迟时间-基区渡越时间基区渡越时间b b3）基区渡越时间3）基区渡越时间b beDEBmDEBCBEBEBCBbrCgCdIdVdVdQdIdQ=/nBBBbDWF22=(对缓变基区)基区附加渡越时间基区附加渡越时间b b：以前假定，基区内反偏集电结边界上非平衡载流子密度n：以前假定，基区内反偏集电结边界上非平衡载流子密度nPBPB(W(WB B)近似等于零，载流子必须以无限大速度进入并通过集电结过渡区。事实上，载流子是以有限速度通过集电结过渡区的，因此n)近似等于零，载流子必须以无限大速度进入并通过集电结过渡区。事实上，载流子是以有限速度通过集电结过渡区的，因此nPBPB(W(WB B)必 然 是 有 限 的 非 零 值。n)必 然 是 有 限 的 非 零 值。npBpB（W（WB B）从零增大到非零值，Q）从零增大到非零值，QB B及及B B都将增大。都将增大。lCcBpBqvJnWn=)(0WBABnpB(0)npB(x)C图311 推导B的基区少子分布图(可直接计算得到下式)张万荣2007 Semiconductor Device Electronics30传输延迟时间-传输延迟时间-基区渡越时间基区渡越时间b b现在考虑两种边界条件对应相同的基区少子电流密度，所以虚线与实线平行。三角形AOW现在考虑两种边界条件对应相同的基区少子电流密度，所以虚线与实线平行。三角形AOWB B及梯形CBOW及梯形CBOWB B的面积分别等于零值及非零值边界条件下的单位结面积基区少子总量。此外若再假定n的面积分别等于零值及非零值边界条件下的单位结面积基区少子总量。此外若再假定npBpB（x）=n（x）=npBpB(x)，则应等于平行四边形ABCW(x)，则应等于平行四边形ABCWB B的面积与三角形AOW的面积与三角形AOWB B的面积之比，即的面积之比，即)0(2)0(21pBcBpBBcnnWnWn=b/b(3-130)考虑到基区少子电流与集电结空间电荷区电流在xW考虑到基区少子电流与集电结空间电荷区电流在xWB B处连续，可写出下列等式处连续，可写出下列等式lcBpBnBpBnBvqnWnqDdxxdnqD=)0()(3-131)cnBlBpBnDvWn=)0(lBnBvWD2=b/blBbvW=(对均匀基区对均匀基区)16张万荣2007 Semiconductor Device Electronics31传输延迟时间传输延迟时间ebeb,d d,c c,4）发射结空间电荷区渡越时间,4）发射结空间电荷区渡越时间ebeb定义CBEdIdQ=ebQQBEBE为发射结过渡区自由载流子电荷总量。为发射结过渡区自由载流子电荷总量。可以证明ebexp(-qVBE/2kT)。ebeb在在ecec中所占比重很小，常当作其它时间常数的二级修正中所占比重很小，常当作其它时间常数的二级修正。5）集电结空间电荷区渡越时间5）集电结空间电荷区渡越时间d d这一个延迟时间来源于集电结空间电荷区净空间电荷随集电极电流的变化。用xmc代表集电结空间电荷区宽度，可以证明d的表示式是d=xmc/2vl（3-171)6）6）c c(集电结过渡区电容C(集电结过渡区电容CTCTC与集电区串联电阻r与集电区串联电阻rcscs引起的附加延迟)引起的附加延迟)crcsCTC张万荣2007 Semiconductor Device Electronics32传输延迟时间传输延迟时间由于输出交流短路v由于输出交流短路vcece=0，上式中应用(r=0，上式中应用(rcs cs+r+reses)代替r)代替rcscs更严格的、更具有普遍意义的总延迟时间更严格的、更具有普遍意义的总延迟时间ecec应表示为：应表示为：ec=e+te+tc+b+b+d+c+=ECTCTECkTEEBnBeecAACCqJkTeGGDWbeV/2)(2)(222csesCTClmclBBnBBrrACvxvWFDW+e etetetcb bb bdc c这里的C表示单位面积的电容。A这里的C表示单位面积的电容。AC C、A、AE E表示集电结和发射结的面积表示集电结和发射结的面积17张万荣2007 Semiconductor Device Electronics33理解vce=0交流短路EVWbxmcWeCTECTCresrcs1/gm=kT/qICEBC张万荣2007 Semiconductor Device Electronics34特征频率和截止频率-特征频率和截止频率-提高f提高fT T的方法影响的方法影响fT的主要因素和提高的主要因素和提高fT的方法的方法l）基区渡越时间）基区渡越时间bb决 定于决 定于WB、DnB以及以及FB。在这三个因素当中，。在这三个因素当中，WB是最具有决定作用的，因为它的数值可以在很大范围内变动。附加基区渡越时间是最具有决定作用的，因为它的数值可以在很大范围内变动。附加基区渡越时间b正比于正比于WB，缩短，缩短b与缩短与缩短b的要求是一致的。的要求是一致的。2）发射区渡越时间）发射区渡越时间ee=(W2E/2DPE)/在高晶体管中影响影响e的主要因素分别是的主要因素分别是I）发射区宽度）发射区宽度。外延平面管中外延平面管中WE不能任意减小，首先受电流增益要求的限制，高发射区注人效率要求宽发射区，其次从工艺上考虑。过薄的发射区会使在其上制作欧姆接触金属化层的过程过于复杂，金属层在合金化以后要能保证不穿透发射区，以避免不能任意减小，首先受电流增益要求的限制，高发射区注人效率要求宽发射区，其次从工艺上考虑。过薄的发射区会使在其上制作欧姆接触金属化层的过程过于复杂，金属层在合金化以后要能保证不穿透发射区，以避免e-b短路。为兼顾各种因素的不同要求，浅结器件一般控制短路。为兼顾各种因素的不同要求，浅结器件一般控制xjcxje=1.32.0。18张万荣2007 Semiconductor Device Electronics35特征频率和截止频率-特征频率和截止频率-提高f提高fT T的方法的方法II)发射区少子扩散系数II)发射区少子扩散系数。III）发射区杂质分布形式III）发射区杂质分布形式。从欧姆接触到发射结，发射区杂质呈递减分布所形成的内建电场对从基区注入到发射区的空穴起减速作用。IV)发射区欧姆接触的界面复合IV)发射区欧姆接触的界面复合。发射区越薄，欧姆接触界面复合对e的影响变得更为重要。3）发射结及集电结过渡区充电时间(3）发射结及集电结过渡区充电时间(tete及及tctc)teCTE0/Jc。tcCTC0/JC，CTE0代表发射结单位面积单位面积过渡区电容，CTC0代表集电结单位面积单位面积过渡区电容，Jc为集电极电流密度，Jc=Ic/AE。使器件工作于高电流密度，Jc可以高至使特性退化的大电流效应未起作用。减小面积，主要是缩小发射区的宽度，而不是减小长度，因为发射区的长度决定器件的最大工作电流。张万荣2007 Semiconductor Device Electronics36特征频率和截止频率-特征频率和截止频率-提高f提高fT T的方法的方法4）集电结过渡区渡越时间4）集电结过渡区渡越时间d d尽可能减小Xmc，为此要求提高集电区掺杂浓度，同提高最大工作电流的要求一致，却同提高击穿电压减少过渡区电容的要求矛盾。19张万荣2007 Semiconductor Device Electronics37特征频率和截止频率-特征频率和截止频率-提高f提高fT T的方法的方法5）c(集电结过渡区电容与集电区串联电阻引起的延迟时间集电结过渡区电容与集电区串联电阻引起的延迟时间)c正比于集电区电阻率、集电区宽度及集电结单位面积过渡区电容。减小正比于集电区电阻率、集电区宽度及集电结单位面积过渡区电容。减小Wc和提高和提高Nc都同击穿电压要求相矛盾。都同击穿电压要求相矛盾。fT随集电极电流、电压的变化小电流段，小电流段，te反比于反比于Ic变化，因而变化，因而 Ic增大总渡越时间减小增大总渡越时间减小 fT升高。升高。Ic增加到增加到te远小于其它时间常数之和时，远小于其它时间常数之和时，ec趋近于常数，趋近于常数，fT达到最高值。随着达到最高值。随着Ic继续增大，继续增大，fT出现下降趋势是由于出现下降趋势是由于有效基区的纵向扩展效应有效基区的纵向扩展效应开始起作用。开始起作用。VCB增加，增加，fT增加的原因：增加的原因：VCB增加，增加，xmc增加增加WB下降下降b下降；下降；CTC下降下降c下降。电场增加，速度增加。下降。电场增加，速度增加。VCB增加，增加，fT下降的原因：下降的原因：VCB增加，增加，v vl，xmc增加 增加 d增加增加张万荣2007 Semiconductor Device Electronics38截止频率和超相移截止频率和超相移测量表明，测量表明，BJT的共基极正向电流增益的模的共基极正向电流增益的模|hfb|随频率上升而逐渐减小（如图随频率上升而逐渐减小（如图3-24所示）。若所示）。若hfb0代表代表|hfb|的低频值，通常将的低频值，通常将|hfb|下降到下降到hfb021/2的频率叫做共基极正向电流增益截止频率。的频率叫做共基极正向电流增益截止频率。hf b0|hf bffhf b021/20|图324|hfb|随频率的变化0)()(12212=xnCxxnpBnBpB2/121+=nBnBnBLjC0)()(2022=nBpBpBpBLnxnxxn直流下：=nBBLWhsec*0交流下：()+=nBnBBBnBjLWhWCh1secsec*模仿直流解基区输运系数20张万荣2007 Semiconductor Device Electronics39截止频率和超相移截止频率和超相移()()+=222112411secnxxhn利用()()nBBBnBLWhWCh/secsec*0*=化简bjmjeb1*0*+=其中()222144.2BnBBnBbWDmWD+=182=m本征注入效率等于1时，*jejm+=10(3-201)张万荣2007 Semiconductor Device Electronics40截止频率和超相移截止频率和超相移()222144.2BnBBnBbWDmWD+=当当=时，下降到低频值的时，下降到低频值的1/21/2，因此，因此即为即为截止角频率。截止角频率。j+=10/10jhhfefe+=如模仿hfe写出（3201）式分子中的代表（）式分子中的代表（3201）式相对于上式的）式相对于上式的附加相移附加相移。所以。所以m被称作超相移因子。被称作超相移因子。jme（3201a）超相移因子物理意义：少子注入基区，要经d的驰豫时间才能建立起准稳态分布。理论计算表明，对均匀基区d=0.19(d+b)，d0.23 b=mb，因此表示建立起准稳态分布所需的驰豫时间与对发射极扩散电容充放电延迟时间之比。21张万荣2007 Semiconductor Device Electronics41共基极接法与共射极接法的增益的频率特点如 果 共基极接法与共射极接法的增益的频率特点如 果 B B远 大 于 总 渡 越 时 间 中 其 它 时 间 常 数 之 和，f远 大 于 总 渡 越 时 间 中 其 它 时 间 常 数 之 和，fT T1/21/2B B，同时根据（3201a）求出f，同时根据（3201a）求出f=（1m）f（1m）fT T=1.22f=1.22fT T，说明f，说明f是大于f是大于fT T的。的。根据(3-104)，fT=fhfe0，ffT/hfe0因此，f因此，f ffff，G，GMAEMAE随频率的变化服从-6dB倍频规律，最高振荡频率是指-6dB/倍频关系外推到G随频率的变化服从-6dB倍频规律，最高振荡频率是指-6dB/倍频关系外推到GMAEMAE=1的频率，通常用f=1的频率，通常用fMM表示，f表示，fMM代表BJT接成振荡器或放大器工作时可能达到的频率上限。在（3249）式中令G代表BJT接成振荡器或放大器工作时可能达到的频率上限。在（3249）式中令GMAEMAE=1得出=1得出TCeTbbTmCLfrff)(82+=然后再将上式代回（3249）式，得出GMAEf2 f2M (功率增益带宽积、高频性能优值)(功率增益带宽积、高频性能优值)(3-251)(3-250)24张万荣2007 Semiconductor Device Electronics47工作条件(I，V)对晶体管功率增益的影响工作条件(I，V)对晶体管功率增益的影响ICGMAE(dB)Vce恒定V ceGMAE(dB)IC恒定(1)工作电压对功率增益的影响：(1)工作电压对功率增益的影响：在低压下，V在低压下，Vcece增大将使x增大将使xmcmc增大、C增大、CTCTC减小；有效基区宽度W减小；有效基区宽度Wb b减小，它将使r减小，它将使rb b和f和fT T都增大。为考察二者对G都增大。为考察二者对GMAMA的影响，变换(3-249)的影响，变换(3-249)TCeTbbMAECLfrfG)/(812+=基极电阻r基极电阻rb b近似地看作与基区宽度W近似地看作与基区宽度Wb b成反比，但f成反比，但fT T随W随Wb b减小的平方关系上升，即随W减小的平方关系上升，即随Wb b的减小f的减小fT T上升比r上升比rb b增加要快，所以r增加要快，所以rb b/f/fT T是下降的。可见C是下降的。可见CTCTC、r、rb b的变化结果都使G的变化结果都使GMAMA上升。当V上升。当Vcece升高时，由于集电结基区侧的杂质浓度远高于集电区的杂质浓度，升高时，由于集电结基区侧的杂质浓度远高于集电区的杂质浓度，张万荣2007 Semiconductor Device Electronics48工作条件(I，V)对晶体管功率增益的影响工作条件(I，V)对晶体管功率增益的影响使得x使得xmcmc向基区侧的扩展部分x向基区侧的扩展部分x1 1的增大速度比x的增大速度比xmcmc增大速度要小，即x增大速度要小，即x1 1/x/xmcmc下降。其结果使基区有效宽度减小不明显，r下降。其结果使基区有效宽度减小不明显，rb b、f、fT T变化均不大，只有C变化均不大，只有CTCTC随反压略减，所以G随反压略减，所以GMAMA上升不明显。上升不明显。(2)工作电流对功率增益的影响：(2)工作电流对功率增益的影响：曲线的变化规律是由于f曲线的变化规律是由于fT T随电流的增加先上升后下降的结果。随电流的增加先上升后下降的结果。提高功率增益和最高振荡频率的途径：提高功率增益和最高振荡频率的途径：从（3250）式明显看出，f从（3250）式明显看出，fMM与 f与 fT T、r、rbbbb、C、CTCTC有关，f有关，fMM正比于 f正比于 fT T；反比于 r；反比于 rbbbbC CTCTC，而这三个参数相互之间是有关联的。为提高 f，而这三个参数相互之间是有关联的。为提高 fMM，需要设法提高 f需要设法提高 fT T(前面已讨论)；(前面已讨论)；降低r降低rbbbb(前面已讨论），且浅结扩散有利于减少R(前面已讨论），且浅结扩散有利于减少Rbb，外基区浓硼扩散(见下页)；，外基区浓硼扩散(见下页)；降低 C降低 CTCTC。还要注意减小极间分布电容及延伸电极形成的电容。还应尽可能减小发射极引线电感，合理选用管壳结构。还要注意减小极间分布电容及延伸电极形成的电容。还应尽可能减小发射极引线电感，合理选用管壳结构。25张万荣2007 Semiconductor Device Electronics49几点讨论：几点讨论：rb1=SEROB1/12LE集电结过渡区电容C集电结过渡区电容CTCTC=F=FC CA AE EC CTC0TC0=F=FC CS SE EL LE EC CTC0TC0rbbCTCS2E fm(fT)1/2/SETCbbTTCbbTMAECrffCrG2284=GMAEf2 f2M若TTCbbfCr81则fM fTf=fT时 GMAE1若TTCbbfCr81则fM fTf=fT时 GMAE1(或)|2|121122222211SSSSK+=1|12112222SSS21122211SSSS=22222111|1+=SSB另一种K1和0以及潜在不稳定的晶体管，0K1.32张万荣2007 Semiconductor Device Electronics63最大单向传输功率增益MaxTUG,对单向绝对稳定晶体管（S12=0,|S11|1且|S22|1且）1|33张万荣2007 Semiconductor Device Electronics65求解转换器截止频率求解转换器截止频率fs(|S(|S2121|2 2=1(0dB)时的频率)(10log|S=1(0dB)时的频率)(10log|S2121|2 2)晶体管的（插入）增益晶体管的（插入）增益221|SGO=Insertion power gain50 系统中功率转换功率增益张万荣2007 Semiconductor Device Electronics66求解增益带宽频率f求解增益带宽频率fT T(|h(|hfefe|2 2=1时的频率)(10log|h=1时的频率)(10log|h2121|2 2)211222112121)1)(1(2SSSSSh+=34张万荣2007 Semiconductor Device Electronics67求解求解最大振荡频率f最大振荡频率fmaxmax(是晶体管最大可用功率增益（G(是晶体管最大可用功率增益（GA,maxA,max）或）或最大单向传输功率增益GTU,max等于1时的频率)等于1时的频率)()1|21221max,max,max,=KKSSGGGAPT|2|121122222211SSSSK+=21122211SSSS=222221211,|11|11SSSGMaxTU=张万荣2007 Semiconductor Device Electronics68举例实测微波SiGe HBT35张万荣2007 Semiconductor Device Electronics69输入共扼匹配下的功率增益211221|1|SSG=张万荣2007 Semiconductor Device Electronics70输出共扼匹配下的资用功率增益222221|1|SSG=36张万荣2007 Semiconductor Device Electronics71单向功率增益|/Re(|/|1/|2/11221122121221SSSSKSSU=张万荣2007 Semiconductor Device Electronics7237张万荣2007 Semiconductor Device Electronics73课堂讨论在器件生产实际中如何才能得到具有良好频率特性的晶体管？在器件生产实际中如何才能得到具有良好频率特性的晶体管？善意提示：认真讨论，争先发表、充分发挥自己的见解，发现自己的差距，不讨论与本课题无关的话题。先在小组内讨论，组长汇总意见。其它同学补充，最后教师总结发言。希望能进一步巩固所学知识，能融会贯通，有所收获。表征频率特性的两个重要参数是特征频率f表征频率特性的两个重要参数是特征频率fT T和最高振荡频率f和最高振荡频率fmm。减小载流子的总渡越时间是提高晶体管特征频率f减小载流子的总渡越时间是提高晶体管特征频率fT T的前提条件。的前提条件。寄生或分布参数也影响特征频率f寄生或分布参数也影响特征频率fT T和最高振荡频率f和最高振荡频率fmm。工作电压和电流影响晶体管的频率特性。工作电压和电流影响晶体管的频率特性。讨论提示：讨论提示：一节课讨论，另一节课作总结。张万荣2007 Semiconductor Device Electronics74课堂 讨论续1 表征频率特性的两个重要参数是特征频率f表征频率特性的两个重要参数是特征频率fT T和最高振荡频率f和最高振荡频率fmm。减小载流子的总渡越时间是提高晶体管特征频率f减小载流子的总渡越时间是提高晶体管特征频率fT T的前提条件。总延迟时间的前提条件。总延迟时间ecec应表示为：应表示为：ec=e+te+tc+b+b+d+c+=ECTCTECkTEEBnBeecAACCqJkTeGGDWbeV/2)(2)(222csesCTClmclBBnBBrrACvxvWFDW+e etetetcb bb bdc c电流增益的极限频率电流增益的极限频率 f fT T。功率放大的最高频率功率放大的最高频率 f fmm。b是主要成分38张万荣2007 Semiconductor Device Electronics75课堂讨论-续2这里的C表示单位面积的电容。A这里的C表示单位面积的电容。AC C、A、AE E表示集电结和发射结的面积。表示集电结和发射结的面积。基极电阻和输出电容对晶体管的最高振荡频率f基极电阻和输出电容对晶体管的最高振荡频率fmm有着重大影响。有着重大影响。TCbbTmCrff28=rbbCTCS2E fm(fT)1/2/SE由此可见，由此可见，f fMM随S随SE E减小而升高减小而升高，为提高f，为提高fMM应该不断地减小发射区宽度。尤其对于工作到微波范围的BJT，这是个起决定作用的尺寸。高频大功率管常采用浓硼扩散来减小外基区电阻。基极电阻的减小会减弱集边效应，有利于提高输出功率。应该不断地减小发射区宽度。尤其对于工作到微波范围的BJT，这是个起决定作用的尺寸。高频大功率管常采用浓硼扩散来减小外基区电阻。基极电阻的减小会减弱集边效应，有利于提高输出功率。张万荣2007 Semiconductor Device Electronics76课堂讨论-续3 寄生或分布参数也影响特征频率f寄生或分布参数也影响特征频率fT T和最高振荡频率f和最高振荡频率fmm。工作电压和电流影响晶体管的频率特性。管壳和封装，极间电容，键合电容，杂散电容，延伸电极形成的MOS电容(现代微波管它占总C工作电压和电流影响晶体管的频率特性。管壳和封装，极间电容，键合电容，杂散电容，延伸电极形成的MOS电容(现代微波管它占总CC C的5075%)。发射极引线电感Le(要求短、粗)，发射极镇流电阻R的5075%)。发射极引线电感Le(要求短、粗)，发射极镇流电阻RE E。CeTEbbTmCLfRrff)(82+=39张万荣2007 Semiconductor Device Electronics77表征高频晶体管交流特性的最基本参数S参数特征频率fT=hfefmeas。应