第四章晶体管的频率特性与功率特性.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体器件物理,第四章 晶体管的频率特性和功率特性,半导体器件物理,晶体管的频率特性与功率特性,第,4,章,4.1,晶体管的频率特性,4.2,高频等效电路,4.3,高频功率增益和最高振荡频率,4.4,晶体管的大电流特性,4.5,晶体管的最大耗散功率,P,Cm,和热阻,R,T,4.6,功率晶体管的二次击穿和安全工作区,4.7,高频大功率晶体管的图形结构,本章重点,晶体管的频率特性,晶体管的功率增益和最高振荡频率,晶体管的大电流特性,晶体管的二次击穿,晶体管的安全工作区,在交流工作状态下，,P-N,结的,电容效应,将对晶体管的工作特性产生影响。,当频率升高时，晶体管的放大特性要发生变化，使晶体管的,放大能力下降,。,当晶体管的放大能力下降到一定程度时，就无法使用，这就表明晶体管的使用频率有一个极限。,主要的高频参数,截止频率,特征频率,高频功率增益,最高振荡频率,4.1,晶体管的频率特性,截止频率 （共基极截止频率）,表示共基极短路电流放大系数的幅,值,|,下降到低频值,0,的,1/,时的频率。,即,=,时，,|=,0,/,。,截止频率,表示共发射极短路电流放大系数的,幅值,|,下降到低频值,0,的,1/,时的频率。,即,=,时，,|=,0,/,反映了电流放大系数,的幅值,|,随频率上升而下降的快慢但并不是晶体管电流放大的频率极限。,晶体管电流放大的频率极限是后面将要讲到的特征频率。,特征频率,表示共射短路电流放大系数的幅值,下降到,|=1,时的频率。,它是晶体管在共射运用中具有电流放大作用的频率极限。,从图可以看出，上述几个频率参数间有如下关系,且 很接近,当工作频率满足 关系时，,|,随频率的增加，按,-6dB/,倍频的速度下降。,最高振荡频率,表示最佳功率增益等于,1,时的频率。,晶体管具有功率增益的频率极限。,当,时，晶体管停止振荡。,共基极短路电流放大系数与频率的关系,共基极交流短路电流放大系数的定性分析,共基极交流短路电流放大系数的定量分析（略）,共基极交流短路电流放大系数,和截止频率,定性分析,共基极交流短路电流放大系数定义为,输出交流短路,时，集电极输出交流电流,i,c,与发射极输入交流电流,i,e,之比，并用,表示。（交流信号用小写字母表示。）,发射结势垒电容分流电流,i,CTe,当发射极输入一交变信号时，发射结空间电荷区宽度将随着交变信号变化，因而需要一部分电子电流对发射结势垒电容进行充放电。（有一部分电子电流被势垒电容分流，形成分流电流,i,CTe,）,所以高频时,发射极电流,为,i,ne,发射结注入基区交流电子电流,i,pe,发射结反注入空穴电流（基区注入发射结的空穴电流）,交流发射效率,频率增高，结电容分流电流,i,CTe,增大，导致交流发射效率下降。,所以，交流发射效率,随频率的升高而下降。,扩散电容分流电流,i,CDe,在交流状态下，注入基区的少子浓度和基区积累电荷将随着结压降的变化而变化。因此，注入基区的少数载流子，一部分消耗于基区复合，形成复合电流,i,VR,外，还有一部分将消耗于对扩散电容充放电，产生扩散电容分流电流,i,CDe,，,真正到达基区集电结边界的电子电流只有,i,nc,(0),。,交流基区输运系数,频率越高，分流电流,i,CDe,越大，到达集电结的电子电流,i,nc,(0),越小,所以，基区输运系数,*,也随着频率的升高而下降。,集电结空间电荷区输运系数,到达集电结边界的电子电流,i,nc,(0),，,通过集电结空间电荷区时需要一定的传输时间；耗尽层中产生,位移电流,用于维持空间电荷区边界的变化，使到达集电区边界的电子电流减少到,i,nc,(x,m,),。,频率越高，位移电流越大，使,d,随着频率增高而下降,。,集电结势垒电容分流电流,i,CTc,到达集电区的交变电子电流，在通过集电区时，还需要用一部分电子电流对集电结势垒电容充放电，形成势垒电容的分流电流,i,CTc,，,真正到达集电极的电子电流只有,i,ncc,i,nc,(x,m,)=,i,ncc,+i,CTc,集电区衰减因子,c,集电极输出电流,i,c,应该等于从发射极传输过来的电子电流,i,ncc,和集电结反向电流,i,pc,之和。,共基极交流短路电流放大系数,在各个传输过程中，由于结电容对传输电流的分流作用，使传输电流的幅值减小，对电容充放电所产生的延迟时间，使输出信号同输入信号间存在相位差（,延迟,或,不同步,）。,交流放大系数,是,复数,，其,幅值,随着频率的升高而下降，,相位差,随着频率的升高而增大。,0,共基极短路电流放大系数的低频值,截止频率,共发射极短路电流放大系数及其截止频率,共射短路电流放大系数,：,工作在共射状态下的晶体管在输出端交流短路,V,CE0,=0,时，集电极交流电流,i,c,与基极输入电流,i,b,之比。,共发射极短路电流放大系数,共射交流放大系数,也是复数,幅值随着频率升高而下降,相位滞后随着频率升高而增大,（与,类似）,与 的关系,说明,共射短路电流放大系数,比共基短路电流,放大系数,下降更快。,因此，共基电路比共射电路频带更宽。,4.3,高频功率增益和最高振荡频率,功率增益表示晶体管对功率的放大能力。,本节从等效电路入手，用简化方法求出功率增益表达式，用,h,参数导出功率增益的一般表达式和最佳功率增益表示式。,功率增益,输出功率和输入功率的比值。,最佳功率增益,信号源所供给的最大功率与晶体管向负载输出的,最大功率之比，即是输入输出阻抗各自匹配时的功率增益。,G,Pm,共射等效电路,共射晶体管的最佳功率增益表达式,实际晶体管中，集电极的输出阻抗除集电结势垒电容外，还存在延伸电极电容和管壳寄生电容等，用,C,c,表示集电极的总输出电容。,最佳功率增益,G,Pm,=1,时的频率，,它是晶体管真正具有功率放大能力的频率限制。,最高振荡频率,最高振荡频率表达式,频带宽度,高频优值（增益,-,带宽乘积）表达式,高频优值全面地反映了晶体管的功率和频率性能，而且只与晶体管本身的参数有关，因此高频优值是设计和制造高频功率晶体管的重要依据之一。,4.4,晶体管的大电流特性,较大功率的晶体管需要工作在高耐压和大电流条件下。而在大电流区域，晶体管的直流和交流特性都会发生明显变化，电流增益和特征频率等参数都会随着集电极电流增大而迅速下降，从而使集电极最大工作电流受到了限制。,集电极最大电流,I,cM,共发射极直流短路电流放大系数,下降到其最大值,M,的一半时所对应的集电极电流,。,以共发射极运用为例，如何根据电源电压,V,cc,和输出功率,P,O,的要求来确定,I,cM,。,I,cM,的数值由输出功率,P,O,和电源电压,V,cc,决定。要提高晶体管的输出功率就必须提高,I,cM,。,大电流工作时产生的三个效应,通过晶体管的电流是电流密度和结面积的乘积，可见要增大电流有两种方法：,增大结面积,和,增加电流密度,。,增大结面积的方法并不可取，（结面积的增大会导致成品率的降低，并会增大结电容而使晶体管的高频性能变差）。,然而，电流密度的增加会导致电流放大系数、特征频率和基极电阻的下降。,以下定性分析大电流密度时产生的三个效应。,小注入,：为维持电中性所增加的,多子可忽略,大注入,：为维持电中性所增加的,多子不可忽略,基区电导调制效应,小注入 大注入,基区多子浓度增大导致基区电导率增大,“,基区电导调制效应,”,（基区电导率受注入电流调制）,发射极电流集边效应（基区电阻自偏压效应）,晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此产生发射极电流集边效应。,由基区电阻的不均匀所导致,梳状电极平面晶体管的结构示意图,横向压降随着基区薄层电阻的增大而增大，随着,y,的增加而上升。,即发射极条宽越宽，距离发射极中心越远，则基区横向压降越大，发射极电流集边效应就越明显。,此外，工作电流越大，基区横向压降也越大，发射极电流集边效应也就越明显。,防止发射极电流集边效应,为了减小基区横向压降，防止发射极电流集边效应，应尽量缩小发射极宽度。,但实际晶体管中，最小条宽的选择往往受光刻和制版工艺水平的限制。,因此，在选择条宽时，既要防止电流集边，使发射结面积得到充分利用，而尽量选用较小的条宽；但又不能选取过小的条宽，使工艺难度增大。,4.5,晶体管的最大耗散功率,P,Cm,和热阻,R,T,最大耗散功率就是晶体管的主要,热限制参数,。,因为晶体管在受到电学特性限制的同时，还要受到热学特性的限制。,总耗散功率,P,C,晶体管工作时，电流通过发射结、集电结和体串联电阻都会发生功率耗散,在正常工作状态下，发射结正向偏置电压,V,BE,远小于集电极反向偏置电压,V,CB,，,体串联电阻,r,cs,也很小。因此，晶体管的功率,主要耗散在集电结,上。,耗散功率转换为热量，使集电结变成晶体管的发热中心，,集电结温度升高,。,当,结温,T,j,高于,环境温度,T,a,时，热量就靠温差由管芯通过管壳向外散发。,散发出的热量随着,温差（,T,j,-T,a,）,的增大而增大。,在散热条件一定的情况下，耗散功率,P,C,越大，结温就越高。,最高结温,T,jm,：,晶体管能正常地、长期可靠工作的,P-N,结温度。,与材料的电阻率和器件的可靠性有关。,热阻,表示晶体管散热能力的大小,任意两点间的温差与其热流之比,稳态热阻,：直流工作状态下的热阻,R,T,瞬态热阻,：在开关和脉冲电路中，随时间变化的晶体管的热阻,R,Ts,稳态,瞬态,最大耗散功率表达式,尽量降低晶体管的热阻,R,T,；,选用最高结温,T,jm,高的材料；,尽量降低使用时的环境温度,T,a,。,提高晶体管最大耗散功率的主要措施,4.6,功率晶,体管的二次击穿和安全工作区,二次击穿是功率晶体管早期失效或损坏的重要原因，它已成为影响功率晶体管安全可靠使用的重要因素。,自从,1957,年发现二次击穿现象以来，二次击穿一直受到极大的重视。,晶体管二次击穿的实验曲线,击穿曲线上可用,A,、,B,、,C,、,D,四点将其分为四个区域。,当电压,V,CE,增加到集电结的雪崩击穿电压时，首先在,A,点发生雪崩击穿；,雪崩击穿后，集电极电流,I,C,随电压增加很快上升。当电流增加到,B,点，并在,B,点经过短暂的停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电流,C,点，若电路无限流措施，电流将继续增加，进入低压大电流区域,CD,段，直至最后烧毁。,二次击穿,器件承受的电压突然降低，电流继续增大，器件由高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。,二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。,在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器件特性恶化或失效。,若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二次击穿特性，利用此特性可以制成二次击穿振荡器。,二次击穿耐量低的晶体管，经多次二次击穿后必然失效。,二次击穿的机理,热型（热不稳定型）,：二次击穿是局部温度升高和电流集中往复循环的结果。,而循环和温度升高都需要一定的时间，因此热型二次击穿的触发时间较长。（慢速型）,电流型（雪崩注入型）,：由雪崩注入引起,雪崩击穿即刻发生，所以此种击穿的特点是器件由高压小电流状态向低压大电流状态过渡十分迅速，所需延迟时间很短，因此电流型二次击穿是快速型的二次击穿。,晶体管的安全工作区（,SOA,）,晶体管能安全可靠地工作，并具有较长寿命的工作范围。,由最大集电极电流,I,CM,，,极限电压,BV,CE0,，,最大功耗线和二次击穿临界线,P,sB,所限定的区域。,功率晶体管直流安全工作区,最大功耗线（图中实线）,由最大耗散功率,P,Cm,、,热阻、最高结温和环境温度决定。,功耗线右边（,区）为功率耗散过荷区。功率过大，将产生大量热量，造成引线熔断和镍铬电阻烧毁等。,二次击穿临界线（图中虚线）,由实验测定，它随改善二次击穿特性措施的实施而逐渐靠近最大功耗线。,区域,为热型二次击穿区。工作在此区内，晶体管将产生过热点，最终导致材料局部熔化，结间产生熔融孔而永久失效。,区为,雪崩注入二次击穿区,，若外电路无限流措施，同样会造成晶体管永久失效。,区为,雪崩击穿区,。在,、,两区内，若采取限流措施，均不会造成晶体管永久失效，,区为,电流过荷区,，电流过荷区将会使,、,特征频率等参数严重下降，晶体管性能恶化。,晶体管的安全工作区（图中阴影部分）,安全工作区的大小与电路工作状态有关。,从设计和制造的角度考虑，尽量扩大晶体管的安全工作区仍是高频功率管的重要任务。,如何扩大安全工作区,首先，努力做到使安全工作区由最大集电极电流,I,CM,，,最高集电极电压,BV,CE0,和最大功耗线所限定。,（改善器件的二次击穿特性，将二次击穿临界线移到最大功耗线之外，至少也要移到最大功耗线上。）,其次，通过选择合适的材料和正确的设计。,（提高器件的耐压；增大器件的最大电流；降低热阻，提高晶体管的耗散功率）,