微电子器件(3-8).ppt

3.8 电流放大系数与频率的关系电流放大系数与频率的关系 晶体管放大高频信号时，首先用被称为晶体管放大高频信号时，首先用被称为“偏置偏置偏置偏置”或或“工作点工作点工作点工作点”的直流电压或直流电流使晶体管工作在放大区，然后的直流电压或直流电流使晶体管工作在放大区，然后 把欲放大把欲放大把欲放大把欲放大的高频信号叠加在输入端的直流偏置上。的高频信号叠加在输入端的直流偏置上。的高频信号叠加在输入端的直流偏置上。的高频信号叠加在输入端的直流偏置上。当当 信号电压的振幅远小于信号电压的振幅远小于信号电压的振幅远小于信号电压的振幅远小于 (kTkT/q q)时，称为时，称为 小信号小信号小信号小信号。这时晶。这时晶体管内与信号有关的各电压、电流和电荷量，都由直流偏置和体管内与信号有关的各电压、电流和电荷量，都由直流偏置和高频小信号两部分组成，其高频小信号的振幅都远小于相应的高频小信号两部分组成，其高频小信号的振幅都远小于相应的直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成 线性关系线性关系线性关系线性关系。1.电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例）电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例）电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例）电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例）总瞬时值总瞬时值：其中的直流分量：其中的直流分量：其中的高频小信号分量：其中的高频小信号分量：高频小信号的振幅：高频小信号的振幅：由于各小信号电量的振幅都远小于相应的直流偏置由于各小信号电量的振幅都远小于相应的直流偏置，而且，而且是叠加在直流偏置上的，所以可是叠加在直流偏置上的，所以可 将小信号作为总瞬时值的将小信号作为总瞬时值的将小信号作为总瞬时值的将小信号作为总瞬时值的 微分微分微分微分来处理来处理来处理来处理。仍以基极电流为例，即。仍以基极电流为例，即或或2.随着信号频率随着信号频率 f 的提高，的提高，和和 的幅度会减小，相角会的幅度会减小，相角会滞后。滞后。以以 分别代表高频小信号的发射结注入分别代表高频小信号的发射结注入效率、基区输运系数、共基极和共发射极电流放大系数效率、基区输运系数、共基极和共发射极电流放大系数，它们，它们都是复数。对极低的频率或直流小信号，即当都是复数。对极低的频率或直流小信号，即当 0 时，它们时，它们分别成为分别成为 。3.以以 PNP 管为例，管为例，高频小信号电流从高频小信号电流从流入发射极的流入发射极的 ie 到到流出集电极的流出集电极的 ic ，会发生如下变化：会发生如下变化：ieipeipcipccicieicCTECDECTC 3.8.1 3.8.1 高频小信号电流在晶体管中的变化高频小信号电流在晶体管中的变化高频小信号电流在晶体管中的变化高频小信号电流在晶体管中的变化4.3.8.2 3.8.2 基区输运系数与频率的关系基区输运系数与频率的关系基区输运系数与频率的关系基区输运系数与频率的关系 1 1、高频小信号基区输运系数的定义高频小信号基区输运系数的定义高频小信号基区输运系数的定义高频小信号基区输运系数的定义 基区中到达集电结的基区中到达集电结的少子电流的少子电流的高频小信号分量高频小信号分量 与从发射与从发射区注入基区的区注入基区的少子形成的电流中的少子形成的电流中的高频小信号高频小信号分量分量 之比，称为之比，称为 高频小信号基区输运系数高频小信号基区输运系数高频小信号基区输运系数高频小信号基区输运系数，记为，记为 。对于。对于 PNP 管，管，基区输运系数随频率的变化主要是由少子的基区渡越时间基区输运系数随频率的变化主要是由少子的基区渡越时间所引起。所引起。5.(1)复合损失使复合损失使 的物理意义：基区中单位时间内的复合率为的物理意义：基区中单位时间内的复合率为 ，少子在渡越时间少子在渡越时间 b 内的复合率为内的复合率为 ，因此到达集电结的，因此到达集电结的未复合少子占进入基区少子总数未复合少子占进入基区少子总数 ，这就是，这就是 。这。这种损失对直流与高频信号都是相同的。种损失对直流与高频信号都是相同的。2 2、基区基区基区基区渡越时间的作用渡越时间的作用渡越时间的作用渡越时间的作用 (2)时间延迟使相位滞后时间延迟使相位滞后 对角频率为对角频率为的高频信号，集电结处的信号比发射结处在相的高频信号，集电结处的信号比发射结处在相位上滞后位上滞后 b，因此在，因此在 的表达式中应含有因子的表达式中应含有因子 。(3)渡越时间的分散使渡越时间的分散使 减小减小6.已知在直流时，已知在直流时，现，现 假定假定假定假定 上述关系也适用于高频上述关系也适用于高频小信号，即小信号，即 3 3、由电荷控制法求、由电荷控制法求、由电荷控制法求、由电荷控制法求 基区中高频小信号空穴电流的基区中高频小信号空穴电流的电荷控制方程为电荷控制方程为当暂不考虑复合损失时，可先略去复合项当暂不考虑复合损失时，可先略去复合项 。基区基区ipeipc7.将将 代入略去代入略去 后的空穴电荷控制方程中，后的空穴电荷控制方程中，再将复合损失考虑进去，得再将复合损失考虑进去，得8.上式可改写为上式可改写为一般情况下，一般情况下，得得 式中，式中，代表复合损失，代表复合损失，代表相位的滞后，代表相位的滞后，代表代表 b 的分散使的分散使 的减小。的减小。9.由于采用了由于采用了 的假设而使的假设而使 的表达式不够精确的表达式不够精确，因为这个假设是从直流情况下直接推广而来的。但在交流情况因为这个假设是从直流情况下直接推广而来的。但在交流情况下，从发射结注入基区的少子电荷下，从发射结注入基区的少子电荷 qb，要延迟一段时间后才会，要延迟一段时间后才会在集电结产生集电极电流在集电结产生集电极电流 ipc。计算表明，这段延迟时间为计算表明，这段延迟时间为 ，mm 称为称为称为称为 超相移因子超相移因子超相移因子超相移因子，或或或或 剩余相因子剩余相因子剩余相因子剩余相因子，可表为，可表为 5 5、延迟时间、延迟时间、延迟时间、延迟时间 对于均匀基区，对于均匀基区，=0，m=0.22。10.这样，虽然少子在基区内持续的平均时间是这样，虽然少子在基区内持续的平均时间是 b，但是只有，但是只有其中的其中的 时间才对时间才对 ipc 有贡献，因此有贡献，因此 ipc 的的表达式应当改为表达式应当改为同时要在同时要在 上增加一个延迟因子上增加一个延迟因子 。11.准确的准确的 表达式应为表达式应为 6 6、基区输运系数的准确式子基区输运系数的准确式子基区输运系数的准确式子基区输运系数的准确式子 定义：定义：定义：定义：当当 下降到下降到 时的角频率与频率分别称为时的角频率与频率分别称为输运系数输运系数 的截止角频率的截止角频率的截止角频率的截止角频率 与与与与 截止频率截止频率截止频率截止频率，记为，记为 与与 。12.当当 时，上式可表为时，上式可表为于是于是 又可表为又可表为13.3.8.3 3.8.3 高频小信号电流放大系数高频小信号电流放大系数高频小信号电流放大系数高频小信号电流放大系数ieipeipcipccicieicCTECDECTC14.1 1、发射结势垒电容充放电时间常数、发射结势垒电容充放电时间常数、发射结势垒电容充放电时间常数、发射结势垒电容充放电时间常数 由发射区注入基区的少子形成的电流中的高频小信号分量由发射区注入基区的少子形成的电流中的高频小信号分量 与发射极电流中的高频小信号分量与发射极电流中的高频小信号分量 之比，称为之比，称为 高频小信号注入高频小信号注入高频小信号注入高频小信号注入效率效率效率效率，记为，记为 。对于对于 PNP 管，管，ieipeipcipccic15.当不考虑扩散电容与寄生参数时，发射结的交流小信号等效当不考虑扩散电容与寄生参数时，发射结的交流小信号等效电路由电路由 发射极增量电阻发射极增量电阻发射极增量电阻发射极增量电阻 与电容与电容 CTE 构成。构成。iereCTEeb 流过电阻流过电阻 re 的电流为的电流为 流过电容流过电容 CTE 的电流为的电流为iectine 因此因此ieripe16.暂不考虑从基区注入发射区形成的暂不考虑从基区注入发射区形成的 ine（即假设（即假设 ）时，）时，再计入再计入 的作用后，得的作用后，得式中，式中，称为，称为 发射结势垒电容充放电时间常数发射结势垒电容充放电时间常数发射结势垒电容充放电时间常数发射结势垒电容充放电时间常数。iereCTEebiectineieripe17.2 2、发射结扩散电容充放电时间常数、发射结扩散电容充放电时间常数、发射结扩散电容充放电时间常数、发射结扩散电容充放电时间常数 本小节从本小节从 CDE 的角度来推导的角度来推导 （近似式）。（近似式）。假设即假设即 代入代入 CDE ，得，得WBx0QBQEqb=dQBqe=dQEieipeipcipccic18.流过电阻流过电阻 re 的电流为的电流为 当不考虑势垒电容与寄生参数时，发射结的交流小信号等效当不考虑势垒电容与寄生参数时，发射结的交流小信号等效电路由发射极增量电阻电路由发射极增量电阻 与扩散电容与扩散电容 CDE 构成。构成。流过电容流过电容 CDE 的电流为的电流为ieipeipcreCDEebiecdier 因此因此ipr19.式中，式中，再计入复合损失后得：再计入复合损失后得：暂不考虑基区复合损失时，暂不考虑基区复合损失时，ieipeipcreCDEebiecdieripr20.3 3、集电结耗尽区延迟时间、集电结耗尽区延迟时间、集电结耗尽区延迟时间、集电结耗尽区延迟时间 当基区少子进入集电结耗尽区后，在其中强电场的作用下当基区少子进入集电结耗尽区后，在其中强电场的作用下以饱和速度以饱和速度 vmax 作漂移运动，通过宽度为作漂移运动，通过宽度为 xdc 的耗尽区所需的的耗尽区所需的时间为时间为 当空穴进入耗尽区后，会改变其中的空间电荷分布，从而当空穴进入耗尽区后，会改变其中的空间电荷分布，从而改变电场分布和电位分布，这又会反过来影响电流。这里采用改变电场分布和电位分布，这又会反过来影响电流。这里采用一个简化的模型来表示这种影响。一个简化的模型来表示这种影响。ieipeipcipccic21.设电荷量为设电荷量为 qc 的基区少子（空穴）进入集电结耗尽区后的基区少子（空穴）进入集电结耗尽区后，在它通过耗尽区的在它通过耗尽区的 t 期间，平均而言会在耗尽区两侧分别感应期间，平均而言会在耗尽区两侧分别感应出两个出两个(-qc/2)的电荷。的电荷。当集电区一侧感应出当集电区一侧感应出(-qc/2)时，将产生一个向右的电流时，将产生一个向右的电流 。另一方面。另一方面，流出耗尽区的空穴电流比流入耗尽区的，流出耗尽区的空穴电流比流入耗尽区的空穴电流少了空穴电流少了 ，所以，所以 ipcc 成为成为NPipcipccxdcqc-qc/2-qc/222.平均而言，平均而言，代入上式，得代入上式，得式中，式中，称为称为 集电结耗尽区延迟时间集电结耗尽区延迟时间集电结耗尽区延迟时间集电结耗尽区延迟时间。23.4 4、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数 当电流当电流 ic 流经集电区体电阻流经集电区体电阻 rcs 时，将产生电压时，将产生电压 icrcs。虽然。虽然 vcb=0，但在本征集电结上（，但在本征集电结上（c 与与 b 之间）却有电压之间）却有电压NPCTCrcsicvcb=0cbcieipeipcipccic24.总的高频小信号集电极电流为总的高频小信号集电极电流为式中，式中，代表，代表 集电结势垒电容经集电区的充放电时间集电结势垒电容经集电区的充放电时间集电结势垒电容经集电区的充放电时间集电结势垒电容经集电区的充放电时间常数常数常数常数。vcb 将对将对 CTC 进行充放电，充放电电流为进行充放电，充放电电流为25.5 5、共基极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率、共基极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率、共基极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率、共基极高频小信号短路电流放大系数及其截止频率 上式没有上式没有 PNP 与与 NPN 之分。式中，之分。式中，26.称为称为 信号延迟时间信号延迟时间信号延迟时间信号延迟时间，代表信号从，代表信号从发射极到集电极总的延迟时间，则发射极到集电极总的延迟时间，则 可写为可写为 当当 时，时，令令27.可见，在直流或极低频下，可见，在直流或极低频下，随着随着频率的提高，频率的提高，的幅度的幅度 下降，相角下降，相角 滞后。滞后。28.定义：定义：定义：定义：当当 下降到下降到 时的角频率和频率分别称为时的角频率和频率分别称为 的截止角频率的截止角频率的截止角频率的截止角频率 和和和和 截止频率截止频率截止频率截止频率，记为，记为 和和 ，即，即29.这时这时 与与 的区别仅在于用的区别仅在于用 代替代替 。的频率特性主要由的频率特性主要由 WB 和和 决定，即决定，即 讨论两种情况讨论两种情况讨论两种情况讨论两种情况(1)对截止频率不是特别高的一般高频管，例如对截止频率不是特别高的一般高频管，例如 fa 1 m，此时，此时 ，30.（2）对）对 fa 500 MHz 的现代微波管，的现代微波管，WB 500 MHz 的现代微波管，可忽略的现代微波管，可忽略 ，这时，这时 对于对于 fa 500 MHz 的晶体管，的晶体管，ec 中以中以 b 为主，这时为主，这时37.当当当当 WWB B 较大，较大，较大，较大，f fT T 较低时，提高较低时，提高较低时，提高较低时，提高 f fT T 的主要措施是减小的主要措施是减小的主要措施是减小的主要措施是减小 WWB B 。但当但当 WB 已很小时，仅靠减小已很小时，仅靠减小 WB 来提高来提高 fT 的作用就开始减弱。的作用就开始减弱。特别是当特别是当 WB 0.1 m 后，再减小后，再减小 WB 对提高对提高 fT 几乎不起多少作几乎不起多少作用，反而产生诸如提高用，反而产生诸如提高 rbb ，降低，降低 VA 等副作用。等副作用。38.实际测量实际测量 fT 时，不一定要测到使时，不一定要测到使 下降为下降为 1 时的频率，时的频率，而是在而是在 的条件下测量的条件下测量 （可以大于可以大于 1），然后），然后根据根据 ，即可得到，即可得到 由于上式，由于上式，fT 又称为晶体管的又称为晶体管的 增益带宽乘积增益带宽乘积增益带宽乘积增益带宽乘积。高频管的工作频率一般介于高频管的工作频率一般介于 f 与与 fT 之间。之间。3 3、特征频率的测量、特征频率的测量、特征频率的测量、特征频率的测量 39.4 4、特征频率随偏置电流的变化、特征频率随偏置电流的变化、特征频率随偏置电流的变化、特征频率随偏置电流的变化40.小电流时小电流时,随着随着 IE 或或 IC 的增大，的增大，eb 减小，使减小，使 fT 提高，所以提高，所以 f fT T 在小电流时随电流的增大而提高在小电流时随电流的增大而提高在小电流时随电流的增大而提高在小电流时随电流的增大而提高。但是当电流很大时，。但是当电流很大时，eb 的的影响变小，甚至可以略去。影响变小，甚至可以略去。大电流时，当基区发生纵向扩展大电流时，当基区发生纵向扩展 WB 时，使基区渡越时间时，使基区渡越时间 b b 增加增加增加增加。同时，集电结势垒区厚度将减小。同时，集电结势垒区厚度将减小 WB，使集电结势垒，使集电结势垒区延迟时间区延迟时间 d d 变小变小变小变小，使使 C CTCTC 增加增加增加增加。由于。由于 b 与与 CTC 的的增加要比增加要比 d 的减小大得多，所以的减小大得多，所以 f fT T 在大电流时随电流的增大而降低在大电流时随电流的增大而降低在大电流时随电流的增大而降低在大电流时随电流的增大而降低 。41.代入表代入表 3-4 的参数，经计算可得的参数，经计算可得由于忽略了一些次要因素，实际的由于忽略了一些次要因素，实际的 fT 可能只有可能只有 7 GHz 左右。左右。例：例：某高频晶体管具有如表某高频晶体管具有如表 3-4 所示的参数，计算其所示的参数，计算其 fT。42.第第 3 章第章第 2 次习题次习题20、22、48、58、59、65、6843.