最新微电子器件38PPT课件.ppt

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1、微电子器件38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，而且由于各小信号电量的振幅都远小于相应的直流偏置，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

2、。仍以基极电流为例，即。仍以基极电流为例，即或或 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。4 4、在复平面上的表示在复平面上的表示在复平面上的表示在复平面上的表示OPA与与OAB 相似，因此，相似，因此，可见，半圆上点可见，半圆上点 P 的轨迹就是的轨迹就是 。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

3、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。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

4、 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 。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 。当当 时，上式可表为时，上式可表为于是于是 又可表为又可表为因子因子 使点使点 P 还须再转一个相角还须再转一个相角 后到达点后到达点 P，得到，得到

5、的的 的轨迹，才是的轨迹，才是 的轨迹。的轨迹。输运系数的准确式子在复平面上的表示输运系数的准确式子在复平面上的表示输运系数的准确式子在复平面上的表示输运系数的准确式子在复平面上的表示 准确式中的因子准确式中的因子 的轨迹仍是半圆的轨迹仍是半圆 P，但另一个，但另一个 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ieipeipcipccicieicCTECDECTCrCS 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

6、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之比，称为与发射极电流中的高频小信号分量之比，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，ieipeipcipccic 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 C CTETE 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 C

7、TE 的电流为的电流为iectine 因此因此ieripe 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。iereCTEebiectineieripe 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

8、入代入 CDE ，得，得WBx0QBQEqb=dQBqe=dQEieipeipcipccic 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 C CDEDE 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ipr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，ieipeipcreCDEebiecdieripr 3 3、集电结

9、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 基区少子进入集电结耗尽区后，在强电场的作用下以饱和基区少子进入集电结耗尽区后，在强电场的作用下以饱和速度速度 vmax 作漂移运动，通过宽度为作漂移运动，通过宽度为 xdc 的耗尽区所需的时间为的耗尽区所需的时间为 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。ieipeipcipccic 设电

10、荷量为设电荷量为 qc 的基区少子的基区少子(空穴空穴)进入集电结耗尽区后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/2 平均来说，平均来说，代入上式，得代入上式，得式中，

11、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。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=0cbcieipeipcipccic 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

12、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 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，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

13、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 在频率不是特别高的情况下，在频率不是特别高的情况下，令令 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。如果忽略如果忽略 ，则，则，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

14、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 ，（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 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 的主要措施是的主要措施是的主要措施是的主要措施是减小减小减小减小 WW

15、B 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。可得可得 的关系曲线的关系曲线也有类似的频率特性。也有类似的频率特性。由由 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

16、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 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 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

17、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在大电流时随电流的增大而在大电流时随电流

18、的增大而在大电流时随电流的增大而降低。降低。降低。降低。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。对对 b 的修正的修正 3.8.5 3.8.5 影响高频电流放大系数与特征频率的其它因素影响高频电流放大系数与特征频率的其它因素影响高频电流放大系数与特征频率的其它因素影响高频电流放大系数与特征频率的其它因素CTC 中还应包括延伸电极的寄生电容，等等。中还应包括延伸电极的寄生电容，等等。发射区延迟时间发射区延迟时间EBC结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！48