半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第3章-双极型晶体管教学提纲.ppt

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1、半导体物理与器件半导体物理与器件-课件课件-教学教学PPT-PPT-作者作者-裴素华裴素华-第第3 3章章-双极型晶体管双极型晶体管3.1晶体管的结构与工作原理 3.1.1 晶体管的基本结构 晶体管就有两种基本组合形式：P-N-P型或N-P-N型，它们的结构和符号如图所示，其符号中的箭头方向表示发射结电流的方向。（a）管芯结构 （b）符号 P-N-P型晶体管的结构和符号 3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布 1.合金晶体管 PNP型合金管结构与杂质分布如图所示 合金晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都是均匀分布，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电结均是突变结。（a）管芯结构 （b）杂质分布

2、 锗合金晶体管的结构与杂质分布 3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布 2.平面晶体管 平面晶体管结构与杂质分布如图所示 平面工艺最主要的特点是：利用SiO2稳定的化学性能，能耐高温，具有掩蔽杂质原子扩散和良好的绝缘性能，与光刻技术相配合，可进行选择扩散，这样使平面晶体管具有更为合理的电极形状，薄的基区，钝化的表面，因此在功率、噪声、稳定性、可靠性等方面达到一个较高的水平。（a）管芯结构 （b）杂质分布 图3-4 硅平面晶体管的结构与杂质分布 3.1.2晶体管的制备工艺与杂质分布 3.外延平面晶体管 在平面晶体管制造工艺的基础上又发展了一种外延平面晶体管。其结构与杂质分布如图所示 由图可见，双扩

3、散外延平面晶体管的基片电阻率很低，集电极串联电阻很小，使集电极饱和压降减小，晶体管可做得很小，基区宽度Wb很薄，从而使外延平面晶体管在频率特性、开关速度和功率等方面都有很大的提高与改善，因此，成为目前生产最主要的一种晶体管。（a）管芯结构 （b）杂质分布 硅外延平面管结构及杂质分布示意图 3.1.3 晶体管的工作原理 晶体管最重要的作用是具有放大电信号的能力。为什么紧靠着的两个PN结具有放大作用？要晶体管具有放大作用首先要有适当的电路。晶体管放大电路原理 3.1.3晶体管的放大功能 基区厚度很大的NPN结构的电流流通与少子分布示意图 3.1.4 晶体管的放大功能 表1给出了型号为3DG6晶体管

4、（硅高频小功率管），在集电结UCC=6V条件下测量所得的实际数据。晶体管的电压放大系数为：晶体管的功率放大应等于它的电流放大系数与电压放大系数的乘积，表表1 晶体管各电极电流分配表晶体管各电极电流分配表发射极电流IE（mA)12345集电极电流IC（mA)0.981.962.943.924.90基极电流IB（mA)0.020.040.060.080.103.2 晶体管的电流放大特性 几点假设:n 发射结和集电结均为理想的突变结，且结面积相等（用A表示）；n 各区杂质为均匀分布，载流子仅做一维传输，不考虑表面的影响；n 外加电压全部降落在PN结势垒区，势垒区以外不存在电场；n 发射结和集电结势垒

5、区宽度远小于少子扩散长度，且不存在载流子的产生与复合，因而通过势垒区的电流不变；n 发射区和集电区的宽度远大于少子扩散长度，而基区宽度远小于少子扩散长度；n 注入基区的少子浓度比基区多子浓度低得多，只讨论小注入情况。3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输 1.平衡晶体管的能带及载流子的浓度分布（a）结构 （b）能带 （c）载流子分布平衡晶体管能带与载流子浓度分布 3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输 2.非平衡晶体管的能带及少数载流子的浓度分布（a）结构 （b）能带 （c）少子分布非平衡晶体管能带与少数载流子浓度分布 3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输 3.

6、载流子的输运过程（a）少子分布示意图 （b）载流子输运过程示意图 晶体管中载流子分布及其输运过程示意图 3.2.1 晶体管的能带、浓度分布及载流子的传输 3.载流子的输运过程（1）根据正向PN结特性，发射区注入基区靠发射结边界X2处的电子浓度为 由基区注入发射区靠发射结边界X1处的空穴浓度为（2）根据反向PN结特性，集电结两边界X3和X4处的少子浓度分别为 3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成 1.晶体管内的电流传输 NPN型晶体管电流传输示意图 3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成 2.晶体管各端电流的形成（1）发射极电流IE 从上面的分析与讨论可知，发射极的正向电流IE

7、是由两股电流组成的：IE=Ip(X1)+In(X2)（3-8）（2）基极电流IB 基极电流IB是由三部分组成的：IB=Ip(X1)+IVB-ICBO （3-9）由于通常情况下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示为 IB Ip(X1)+IVB （3-10）（3）集电极电流IC 通过集电结和集电区的电流主要有两股组成：IC=In(X4)+ICBO （3-11）因为ICBO很小，（3-11）式可近似表示为 IC=In(X4)（3-12）3.2.2 晶体管内的电流传输与各端电流的形成 2.晶体管各端电流的形成（4）晶体管三端电流之间的关系 由上面的分析可以得出In(X2)

8、=IVB+In(X3)=IVB+In(X4)（3-13）将（3-13）式代入（3-8）式，得IE=Ip(X1)+IVB+In(X4)（3-14）将（3-9）式与（3-11）式相加，可得IB+IC=Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO=Ip(X1)+IVB+In(X4)（3-15）将（3-15）式代入（3-14）式，得 IE=IB+IC （3-16）3.2.3 晶体管的直流电流方程式 1.In(X2)的表达式 In(X2)是注入基区的电子所形成的扩散电流，根据扩散电流公式有 基区电子可近似看成线性分布 基区少子分布示意图 3.2.3 晶体管的直流电流方程式 根据PN结理论，基区

9、X2和X3处的电子浓度分别为 基区电子分布函数为 那么基区电子的扩散电流In(X2)则为 可求出In(X2)近似为 3.2.3 晶体管的直流电流方程式 2.Ip(X1)表达式 Ip(X1)是在发射结正偏情况下由基区注入发射区的空穴扩散电流。根据正向PN结特性，边界X1处的少子空穴浓度为 空穴扩散电流为 3.2.3 晶体管的直流电流方程式 3.IVB表达式 IVB是注入基区的电子与基区中的空穴复合而形成的复合电流。IVB=-q单位时间内在基区中复合的电子数 在只考虑体内复合的情况下 3.2.3 晶体管的直流电流方程式 4.ICBO的表达式 ICBO由电子漂移电流和空穴漂移电流IpCB两部分组成，

10、即ICBO=InCB+IpCB 若晶体管工作在放大区，且有 时，3.2.3 晶体管的直流电流方程式 5.IE、IC、IB直流电流方程式 因为IE由Ip(x1)和In(x2)组成，所以 因为IC=In(x4)+ICBO=In(x2)-IVB+ICBO，所以 因为IB=Ip(x1)+IVB-ICBO，所以 3.2.4 晶体管的直流电流放大系数 1.共基极直流电流放大系数 在共基极电路中，基极作为输入和输出的公共端，共基极连接方式如下图所示。NPN型晶体管的共基极连接 3.2.4 晶体管的直流电流放大系数 2.共发射极直流电流放大系数 在共发射极电路中发射极作为输入和输出的公共端，其连接方式如图所示

11、。NPN型晶体管的共发射极连接 3.2.4 晶体管的直流电流放大系数 3.共集电极直流电流放大系数 共集电极电流放大系数 4.0与0的关系 0和0的关系曲线 3.2.5 晶体管电流放大系数的定量分析 1.均匀基区晶体管电流放大的中间参量 （1）发射结的发射效率0 对于NPN型晶体管，0定义为注入基区的电子电流与发射极总电流之比，即有 （3-41）由于IE=In(X2)+Ip(X1)，利用 nbopbo=neopeo=ni2 3.2.5 晶体管电流放大系数的定量分析 3.2.5 晶体管电流放大系数的定量分析（2）基区输运系数0*对于NPN晶体管，定义为到达集电结边界X3的电子电流In(X3)与注

12、入基区的电子电流In(X2)之比，即有 3.2.5 晶体管电流放大系数的定量分析（3）晶体管直流电流放大系数与0和0*的关系 In(X3)=In(X4)IC 1 LPe时）（当We2）（4）缓变基区共基极直流电流放大系数0 （5）缓变基区共发射极直流电流放大系数0 3.2.6 影响晶体管直流电流放大系数的其它因素 1发射结空间电荷区复合对电流放大系数的影响 Ip(X1)=Ip(X2)，In(X2)=In(X1)IE=Ip(X1)+In(X2)IE=Ip(X1)+In(X2)+IVE 发射效率 3.2.6 影响晶体管直流电流放大系数的其它因素 发射结空间电荷区复合电流示意图 根据PN结空间电荷区

13、复合电流公式可推出 3.2.6 影响晶体管直流电流放大系数的其它因素 2.基区表面复合对电流放大系数的影响 考虑表面复合后NPN管中的电流传输 3.集电极电流大小对电流放大系数的影响电流放大系数也与晶体管的工作电流即集电极电流的大小有关，0与IC的变化如图所示。0与IC的变化曲线 4.基区宽变效应对电流放大系数的影响 当晶体管的集电结反向偏压发生变化时，集电结空间电荷区宽度Xmc也将发生变化，因而会引起有效基区宽度的相应变化，如图所示。这种由于外加电压变化引起有效基区宽度变化的现象称为基区宽度效应。基区宽度效应示意图 基区宽变效应对电流放大系数的影响表现在晶体管输出特性曲线族上（输出特性曲线在

14、后面讨论），如图所示。具体表现为曲线随外加电压增加而倾斜上升。基区宽度效应对输出特性曲线的影响（a）曲线向上倾斜 （b）基区宽度效应的影响 对均匀基区晶体管，其电流放大系数为 对缓变基区晶体管，其电流放大系数为由此可见，晶体管的基区宽度越窄，反向偏压越高Xmc越宽，则基区宽度效应对电流放大系数的影响越严重。5.温度对电流放大系数的影响温度对电流放大系数的影响是比较显著的，当温度升高时，0会随之增大，如图所示。0随温度的变化关系 3.3 晶体管的直流特性曲线3.3.1 共基极连接直流特性曲线下图为测量晶体管共基极直流特性曲线的原理图。图中UEB为发射极和基极之间的电压降，UCB为集电极和基极之间

15、的电压降，RE为发射极串联电阻，可控制UEB或IE。共基极直流特性曲线测量原理电路图 1.共基极直流输入特性曲线 对于一个给定的UCB，改变UEB，测量IE，可以测得一条IE与UEB的关系曲线，对于不同的UCB值，改变UEB测量IE，可测得一组IE与UEB的关系曲线，称这组曲线为共基极直流输入特性曲线，如图（a）所示。共基极直流特性曲线（a）输入特性曲线 由前所知 IE=Jp(X1)+Jn(X2)AE式中Jp(X1)为空穴扩散电流密度；Jn(X2)为电子扩散电流密度；AE为发射结面积。Jp(X1)和Jn(X2)都随正向压降增大而呈指数增大，因此IE也必然与UEB呈指数规律增大。在同样的UEB下

16、，IE随着UCB的增大而增大，表现为曲线左移。这是因为集电结空间电荷区的宽度随着UCB的增大而展宽，结果引起了有效基区宽度的减小（有效基区宽度随着UCB的增大或减小而减小或增大的现象，就是上面所讨论过的基区宽变效应），使得在同样的UEB下，发射区注入基区的少子浓度梯度增加，流速加快，IE增大。2.共基极直流输出特性曲线对于一个给定的IE，改变UCB，测量IC，可得到一条IC-UCB之间的关系曲线。对于固定的不同的IE，改变UCB，测量IC，可得到一组不同的IC-UCB的曲线，称这组曲线为共基极直流输出特性曲线，如图（b）所示。共基极直流特性曲线（b）输出特性曲线 3.3.2 共发射极连接直流特

17、性曲线下图为晶体管共发射极直流输出特性曲线的测试原理电路图。图中UBE为基极与发射极间压降；UCE为集电极与发射极间压降；RB为基极串联电阻，可控制UBE或IB。测量共发射极直流特性曲线原理电路图 1.共发射极直流输入特性曲线对于固定的不同的UCE，改变UBE，测量IB，可以得出一组IB与UBE的关系曲线，称这组曲线为共发射极直流输入特性曲线，如图（a）所示。共发射极直流特性曲线（a）输入特性曲线 2.共发射极直流输出特性曲线对于固定的不同的IB，改变UCE，测量IC，可得出一组IC与UCE的关系曲线，称这组曲线为共发射极的输出特性曲线，如图（b）所示。共发射极直流特性曲线（b）输出特性曲线

18、3.3.3 共基极与共发射极输出特性曲线的比较比较共基极与共发射极两种输出特性曲线，可以看到两者的共同之处是：当输入电流一定是，两种特性曲线的输出电流都不随输出电压的增加而变化，只有当输入电流改变了输出电流才会跟着变化。然而两种输出特性曲线之间也存在许多不同的地方。首先，共发射极电路的电流放大系数要比共基极的大得多。其次，共基极电路的输出阻抗比共发射极电路大。另外，UCE的减小对输出电流的影响有所不同。实际上，共基极与共发射极特性曲线在输出电压减小时的下降所反映的是同一个物理过程，只不过共基极电路的输出电压就是UCB，才使得其特性曲线的下降发生在输出电压更小（负值时）的区域。3.3.4 共发射

19、极输出特性曲线的讨论1.正常特性曲线对于一只性能良好的晶体管，它的共发射极输出特性曲线应该如图所示。正常晶体管共发射极输出特性曲线 2.特性曲线向上倾斜如图所示，包括零注入线在内，整个曲线组向上倾斜，它所反映出的问题是整个曲线族的IC均随输出电压UCE的增加而明显增加，这是由于晶体管的反向电流过大引起的。特性曲线的倾斜 3.特性曲线分散如图所示的曲线，零线是平坦的，而其他曲线则分散倾斜。特性曲线分散倾斜会降低晶体管的输出阻抗，并且因放大系数不均匀引起信号失真。这种不正常特性曲线产生的原因是由于晶体管的基区宽变效应过于灵敏所致。特性曲线的分散 4.小注入时特性曲线密集小注入时特性曲线密集的状况如

20、图所示。导致小注入时0变低的原因有三：其一有比较严重的表面复合作用，在注入电流比较小时，大部分注入电流都在基区表面被复合掉了。其二发射结势垒复合作用比较强，小注入时一部分载流子没能注入到基区，而在发射结势垒区内被复合掉了。其三发射结特性不好，漏电流太大被旁路掉了，没有起到真正的注入作用。小注入时特性曲线密集 5.大注入时特性曲线密集大注入时特性曲线密集的状况如图所示。大注入时引起了0下降的原因是由于发射效率0的降低造成的，大注入引起0降低的原因有三：基区电导调制效应；集电结空间电荷限制效应；基区自偏压效应。大注入时特性曲线密集6.沟道漏电下图所示的特性曲线称为沟道漏电，其特点是发射极与集电极之

21、间有很大的漏电流，使得IB=0的曲线（零线）升高。沟道漏电特性曲线 这种现象往往是由沟道效应引起的，若在N-P-N晶体管的P型基区表面,受氧化层正电中心作用形成了N型反型层，则N型发射区和N型集电区就通过反型层连接起来，通常把这样的连通称“沟道”，如图所示。N型反型层形成的沟道 7.饱和压降大（曲线上升缓慢）输出特性曲线上升得比较缓慢，即晶体管饱和压降大的状况如图所示。显然由于曲线不陡，饱和压降也会较大。其原因是集电区或者在E、C电极接触处有较大的串联电阻，电阻的存在分掉了部分电压，从而使加到结上的电压降减小，造成电流IC上升缓慢。饱和压降大的特性曲线 8.低击穿特性曲线低击穿尽管是硬击穿，但

22、击穿电压很低，只有几伏，如图所示，低击穿主要是由E、C穿通或集电结低击穿所致。低击穿特性曲线 3.4 晶体管的反向电流与击穿电压3.4.1 晶体管的反向电流反向电流主要包括：ICBO、IEBO和ICEO，它不受输入电流的控制，因此对放大作用没有贡献，它无谓地消耗掉一部分电源能量，甚至还影响晶体管工作的稳定性.1.ICBO ICBO是发射极开路时，集电极基极（即集电结）的反向漏电流，如图所示。与反向PN结一样，晶体管集电结的反向电流ICBO由空间电荷区外的反向扩散电流IR、空间电荷区内的产生电流Ig和表面漏电流IS三部分组成。以NPN晶体管为例：由上两式可见，IR、Ig均随着温度的升高而指数增大

23、（因为ni随温度的升高而指数增大），说明I CBO随温度的升高而快速增大。I S表面漏电流往往比IR和 Ig大得多，因此减小ICBO关键在于减小IS。2.IEBOIEBO是集电极开路，发射极基极间（即发射结）的反向漏电流，如图所示。实际上，对IEBO要求不高。IEBO测量原理图 3.ICEOICEO是基极开路，集电极发射极间的反向漏电流，如图所示。它不受基极电流控制，对放大无贡献，ICEO一般都比ICBO大。从ICEO测量原理图上看出，测量ICEO时电压的偏置使发射结处于正向，集电结处于反向。上图示意地画出了基极开路时的电流传输情况。从图中可见，通过集电极的总电流ICEO=In(X4)+ICB

24、O ICBO 在基极开路的情况下，In(X4)=0ICBO ICEO=0ICBO+ICBO=（0+1）ICBO 上式表明：要减小ICEO，必须减小ICBO。3.4.2 晶体管的反向击穿电压1.BUCBO BUCBO是发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压，也是集电结本身的击穿电压。下图为测量BUCBO的电路原理图。BUCBO测量原理图 改变电源电压（增大电源电压），当ICBO突然趋向无穷大时所对应的电压即为BUCBO，这样的击穿特性称雪崩击穿，也称硬击穿，如下图中的曲线甲。但是，在实际的晶体管中也经常遇到下图中的曲线乙所示的情况，该曲线称软击穿，反向电流ICBO不饱和，而是随着电压的增加而增加

25、。BUCBO的实际测量曲线 2.BUCEOBUCEO是基极开路时集电极与发射极之间的击穿电压，也是共发射极运用时集电极发射极之间所能承受的最高反向电压，测试电路原理如图所示。改变电源电压，电流ICEO随着增加，当ICEO达到指标所规定的某一电流值时所对应的电压即为BUCEO。BUCEO测量原理图 BUCEO是晶体管的重要参数之一，它与BUCBO有一定的关系，同时在测量时，经常看到ICUCE曲线有负阻现象，如图所示，下面就以上两个问题给以简单分析。ICUCE曲线的负阻现象（1）BUCEO与BUCBO的关系 BUCEO与BUCBO的上述关系式只能用于近似地估算，但它说明了两个问题：其一是BUCEO

26、小于BUCBO；其二是要想提高BUCEO就必须首先提高BUCBO。（2）ICUCE曲线上的负阻现象 在基极开路、外加电压UCE增高至BUCEO时，集电结击穿，击穿后电流上升，电压却反而降低，这种现象称为负阻现象。出现负阻现象的主要原因在于集电极电流较小时，0随IC增大而变大的结果。对电流放大系数随IC变化不大的晶体管，如硼基区晶体管，其负阻现象比较小。而对于用开管扩镓作基区的晶体管其负阻现象比较明显。3.BUCEO与BUCES、BUCER、BUCEX、BUCEZ的关系晶体管工作时，基极并不是开路的，常常在基极与发射极之间串接外电阻，或者电源，或者短路，如图所示。晶体管的工作情况不同，集电极发射

27、极间的击穿电压也不同，因而晶体管还有下述几种击穿电压。基极不同情况的共射极击穿电压（1）BUCES BUCES是基极对地（发射极）短路时集电极与发射极之间的击穿电压。这种情况的应用之一是在集成电路芯片中作为PN结使用。此时BUCES BUCEO。（2）BUCERBUCER是基极接有电阻RB时集电极发射极间的击穿电压。这种偏置条件实际上与基极短路时相同，只是相当于rb增大了RB（二者串联），因此电流传输过程两者是相同的。BUCERBUCER。（4）BUCEZBUCEZ是基极加有正向偏压时CE间的击穿电压。当晶体管工作在正常放大工作状态时就属这种情况。外接正偏压使得发射结正偏程度比基极开路时更甚，

28、In(X4)比基极开路时更大，因而CE间击穿电压所需要的倍增因子M值更小，故BUCEZ BUCEO。从以上讨论可知，基极在各种不同偏置条件下，CE间的击穿电压大小关系为BUCEZ BUCEO BUCER BUCES BUCEX BUCBO，且BUCEX BUCBO。4.BUEBOBUEBO是集电极开路，发射极与基极间的击穿电压，也是发射结本身的击穿电压。下图为测量BUEBO的电路原理图，改变电源电压，当IEBO达到指标所规定的电流值时所对应的发射结外加反向偏压即为BUEBO。BUEBO测量原理图 对于平面晶体管而言，发射结两边的杂质浓度都比较高，势垒区很薄，所以发射结的击穿电压只有几伏特，如图

29、所示。发射极基极间的击穿电压 3.4.3 穿通电压发生穿通时所对应的反向偏压称穿通电压。造成穿通电压的情况有两种：基区穿通和外延层穿通。1.基区穿通电压UPT基区穿通时的反向电压曲线 基区穿通电压曲线如图所示。发生这种现象的原因，一般认为是基区穿通引起的。当反向偏置的集电结在发生雪崩倍增之前，向基区一侧扩展的空间电荷区与发射结空间电荷区连通在一起的结果。一般来说，这种现象在扩散基区晶体管是不易发生的。因为基区掺杂浓度远高于集电区，集电结空间电荷区主要往集电区一侧扩展，而往基区一侧扩展的很少，不易与发射结空间电荷区相连。但是，由于材料缺陷和工艺不良等，发射结结面会出现“尖峰”，如图所示，在尖峰处

30、的基区很薄，在此可能发生局部穿通。结“尖峰”示意图 在基区未穿通之前，集电结呈现正常的反向电流电压特性，若电压增加到UPT发生局部基区穿通，UPT称为基区穿通电压。此时可认为电压仍加在集电结上，对发射结无影响。当电压高于UPT后，发射结的一部分处于正电位，而另一部分如上图中的B处则处于反向偏置。当基极与集电极间外加偏压达到UPT+BUEBO时，反向偏置的那部分发射结便发生雪崩击穿。发生基区穿通时，CB极间的击穿电压BUCBO=UPT+BUEBO 如果UPT远小于集电区电阻率决定的雪崩击穿电压理论值UB，那么BUCBO远小于UB。可见，击穿电压BUCBO不仅由电阻率、外延层厚度决定，有时还受基区

31、穿通的限制。对于基区为低掺杂的合金晶体管，由于集电结空间电荷区主要扩展在基区这一侧，若基区宽度不当，很容易发生基区穿通现象。所以，合金晶体管的基区宽度必须大于集电结雪崩击穿时对应的空间电荷区宽度。对于NPN型合金晶体管，以NB代表表基区净杂质浓度，即式中Wb0为基区宽度；UB为基区掺杂浓度为NB时所决定的雪崩击穿电压理论值。2.外延层穿通电压发生外延层穿通的电压为 式中Wc为外延层厚度；UB为集电结雪崩击穿电压的理论值；Xmc为电压UB时的空间电荷区宽度理论值。为了防止外延层穿通，外延层厚度d必须大于结深Xjc和Xmc之和，即 dXjc+Xmc 3.5 晶体管的频率特性3.5.1 晶体管交流电

32、流放大系数所谓晶体管的交流频率特性是指一个小交流信号重叠在一个直流信号基础的情况，如图所示，交流信号为正弦。（a）电压偏置 （b）电流ic小信号意指交流电压和电流的峰值小于直流的电压、电流值。当一个小信号附加在输入电压上时，基极电流ib将会随时间变化而成为一个时间函数，基极电流的变化使得输出电流ic跟随变化，最终实现输入信号的放大。1.共基极交流放大系数2.共基极交流放大系数定义为：在共基极运用时，集电极（输出端）交流短路，集电极的输出交流小信号电流ic与发射极的输入交流小信号电流ie之比（用小写字母代表小信号交流电流），即在低频下，电流放大与工作频率无关。但在频率较高下，考虑到相位关系，为复

33、数，通常所说的的大小是指它的模值。2共发射极交流放大系数共发射极交流放大系数定义为：在共发射极运用时，集电极（输出端）交流短路，集电极的输出交流小信号电流ic与基极的输入交流小信号电流ib之比，即同样，也是复数。在交流小信号工作条件下，晶体管端电流与之间仍有如下关系式ie=ic+ib 电流增益也常用分贝（dB）表示，即(dB)=20lg (dB)=20lg 由于与是在集电极交流短路的条件下定义的，因此也称为交流短路电流增益。3.5.2 晶体管频率特性参数随着晶体管工作频率的增高，晶体管的电学性能会发生很大变化，主要表现为电流增益和功率增益的下降。下图示出典型的电流增益随频率变化关系的简图，其中

34、纵坐标是以分贝表示电流放大系数。电流放大系数与频率的关系 从晶体管的频率响应特性定义以下几个参数，用于描述其高频性能。1.截止频率ff定义为共基极短路电流放大系数下降到低频 的所对应的频率，即 时所对应的频率，此时的分贝值比 下降3dB，f反映了共基极运用的频率限制。2.截止频率f f定义为共发射极电流放大系数下降到低频0的时所对应的频率。或者说，f为比0下降3dB时所对应的频率。3.特征频率fT 在共发射极运用时，截止频率f还不能完全反映晶体管使用频率的上限，也就是说当工作频率等于f时，值还可能相当大。为了更好地表示共发射极运用晶体管具有电流放大作用的最高频率限制，引进了特征频率fT的概念。

35、特征频率fT定义为共发射极电流放大系数=1时所对应的频率。显然，当工作频率等于fT时，晶体管不再具有电流放大作用，由此说明特征频率fT是判断晶体管是否能起电流放大作用的一个重要依据，也是晶体管电路设计的一个重要参数。4.最高振荡频率fMfT还不是晶体管工作频率的最终限制。为此，再引入一个最高振荡频率fM的概念。最高振荡频率fM定义为共发射极运用时，功率增益等于1时所对应的频率。可见fM是晶体管工作频率的最终限制，此时晶体管的输出功率等于输入功率。fM不仅表示晶体管具有功率放大作用的频率极限，也是晶体管使用频率的最高上限，若工作频率超过fM，晶体管失去任何放大作用。3.5.3 交流电流放大系数随

36、频率变化的物理原因1.频率对晶体管交流电流放大系数的影响首先给出高频时输出电流ic幅度变化和相移示意图，如图所示，以作为频率对晶体管交流电流放大影响的感性认识。高频下输出电流幅度变化和相移示意图 2.交流小信号电流的传输过程以NPN晶体管为例分为四个阶段阐述交流电流的传输过程，如图所示。并且引入新的中间参量来描述每个传输过程的效率。晶体管交流小信号电流传输示意图（1）通过发射结阶段 发射极交流小信号电流由三部分组成，即式中的iCTe为发射结结电容分流电流。由此可得出交流发射效率的表达式为显然，信号频率越高，结电容分流电流iCTe越大，交流发射效率越低。此外，由于对发射结势垒电容充放电需要一定的

37、时间，因而使电流在发射过程产生延迟。（2）基区输运阶段 以iCDe表示扩散电容分流电流，in(X3)表示输运到基区集电结边界的电子电流，则注入到基区的电子电流 in(X2)=in(X3)+iVB+iCDe 交流情况下基区输运系数可定义为因此，频率越高分流电流iCDe越大，到达集电结的有用电子in(X3)越小，基区输运系数越小。同样，对CCDe的充放电时间也对信号产生一定延迟。（3）集电结势垒区渡越阶段 为了描述到达X4边界in(X4)的减小，引入集电结势垒区输运系数d，它定义为流出与流入集电结势垒区的电子电流之比，即（4）通过集电区阶段 最终到达集电极的电子电流大小为ic=in(X4)-iCT

38、c 为了描述该过程电流的损失，引入集电区衰减因子这一概念，其表达式为综上所述，与直流电流传输情况相比，在交流小信号电流的传输过程中，增加了四个信号电流损失途径：发射结发射过程中的势垒电容充放电电流；基区输运过程中扩散电容的充放电电流；集电结势垒区渡越过程中的衰减；集电区输运过程中对集电结势垒电容的充放电电流。上述四个分流电流均随着信号频率的升高而增加，使输运到集电极电流ic减小和电流增益下降；同时对电容的充放电均需要一定的时间，使信号产生延迟，导致输入信号与输出信号存在相位差。3.5.4 晶体管高频等效电路1.发射结和发射区发射结正向偏压的改变会引起三个结果：引起发射结空间电荷区空间电荷量的变

39、化，这一变化可用发射结势垒电容CTe来等效；引起了发射极电流的变化，这一变化的大小可以用发射结动态电阻re来等效；引起了基区、发射区贮存电荷的变化，这一变化可用发射结扩散电容CDe来等效。发射结的作用可以用re、CTe、CDe的并联来等效，如下图所示。发射结和发射区的等效电路2.集电结和集电区与发射结同样，可用集电结势垒电容CTc、扩散电容CDc和动态电阻rc来描述，并且集电结可用三者并联来等效，如图所示。集电结和集电区的等效电路 3.基区 基区贮存电荷的改变已经由扩散电容所描述。晶体管的基极电流是一股平行于结平面方向流动的多子电流，它将在基区横向产生电位降，基区的这一作用可用一个电阻来等效，

40、这一等效电阻称为基极电阻，用rb表示。把发射结电流ie通过基区输运而转化为集电极电流的相互控制关系反映出来，为此可用一个恒流源表示，如图所示。集电结和集电区的等效电路 4.晶体管共基极高频等效电路通过上述分析，立即可得到晶体管共基极“T”型等效电路。如果CTe、CDe并联后的电容用Ce代表、CTc、CDc并联后的电容用Cc代表，则得到晶体管共基极高频等效电路图所示。晶体管共基极高频等效电路 5.晶体管共发射极高频等效电路将共基极晶体管高频“T”型等效电路中的基极与发射极交换，恒流源用ib去代替ie，就可得到共发射极晶体管高频“T”型等效电路，如图所示。在此需要说明的是，与ib并联的电阻缩小为原

41、来的1/（1+），而电容则扩大为原来的（1+）倍。晶体管共发射极高频等效电路 3.5.5 共基极交流电流放大系数及截止频率f的定量分析上面我们已经定义了共基极小信号电流放大系数=ic/ie，综合前面对晶体管交流传输过程，晶体管的共基极电流放大系数可表示为下面对各个中间参量进行定量分析，从而得出与f的定量表达式。1.发射效率和发射极延迟时间常数通过前面对发射极发射过程的分析，并依据晶体管的共基极等效电路，我们也可将发射结等效为下图所示的电路。发射结小信号等效电路 上图中in(X2)和反向注入电流ip(X1)是通过发射结动态电阻的电流，iCTe是对势垒电容充放电形成的分流电流。根据简单的并联支路的

42、电流关系，可以得到由发射效率的定义式可得0为低频发射效率。令reCTe=e，e是发射结势垒电容充放电时间常数，则发射效率式中为输入信号的角频率（=2f）。发射结延迟时间为严格分析表明，in(X2)和ip(X1)均与频率有关，只有在晶体管的使用频率满足的关系时，才能认为in(X2)和ip(X1)与频率无关。不过，一般晶体管的使用频率都满足这个关系，所以上述结果通常是适用的。2.基区输运系数和基区渡越时间注入基区边界的少子电子在渡越基区时，需要一定的时间，用b表示。假设在基区中的x处注入少子电子的浓度为nb(x)、以速度u(x)穿越基区，这时形成基区传输电流则为 I nB(x)=Aq nb(x)u

43、(x)则载流子渡越基区的时间为通常在基区宽度WbLnb时，基区传输电流InB(x)=In(X2)，且基本维持不变，此时基区少子分布可用线性近似，即可以得到b也可用注入电流In(X2)对扩散电容CDe进行充放电而产生基区积累电荷Qb所需的延迟时间，即有b=reCDe 由前面的讨论可知，交流基区输运系数为与交流发射效率的分析方法相比较可推得均匀基区交流基区输运系数的一级近似表达式式中 对于缓变基区晶体管，由于自建电场的作用，相当于扩散系数增大，所以可推得3.集电结势垒区输运系数和集电结势垒区延迟时间当空间电荷区电场强度超过临界电场强度104V/cm时，载流子的速度达到饱和，那么载流子将以极限速度u

44、sl穿过空间电荷区（对于硅usl8.5106cm/s；对于锗usl61016cm/s）。载流子以极限速度穿过空间电荷区所需的时间为s 式中Xmc为集电结空间电荷区宽度。若将集电结势垒区输运系数d写成与其他传输过程相同的形式，即 式中d为集电结势垒区延迟时间，它等于载流子穿越势垒区所需时间的二分之一。4.集电区衰减因子和集电区延迟时间下图示出了集电结交流短路条件下，集电结小信号等效电路图。集电结交流小信号等效电路图 集电区衰减因子c为 式中c称为集电极延迟时间。c=rcsCTc c代表通过集电区串联电阻rcs对势垒电容的充放电时间常数。5.共基极电流放大系数及其截止频率共基极电流增益为 式中ec

45、为发射极到集电极总延迟时间，ec=e+b+d+c；0为直流或低频电流增益；=1/ec=2f；f为信号频率。电流放大系数的幅值和相位滞后可表示为当频率上升到f=f时，下降到其低频值的1/2，因此f称为共基极截止频率，其值为上面得出的表达式，对均匀基区和缓变基区都适用.3.5.6 共发射极交流电流放大系数、f及fT的定量分析1.共发射极交流电流放大系数和截止频率f共发射极交流电流放大系数是指工作在共发射极状态下，在输出端集电极交流短路时（即Uc=0），集电极交流电流ic与基极输入电流ib之比，即截止频率f上述情况也可用相量图来说明，在交流工作状态下，交流电流可用矢量表示，且有关系ie=ic+ib，

46、将这个关系在复平面图上画出，如图所示。交流情况下电流变化关系的相量图 2.特征频率fT可见，特征频率同样由四个时间常数决定。当工作频率远大于f时，如f5f，这表明当工作频率满足f f f时，共射极电流增益的幅值与工作频率的乘积是一个常数，这个常数就是fT。3.特征频率与截止频率的定量关系截止频率f、f和特征频率fT是按共基极、共发射极电流增益随频率变化的关系定义的，因此各自有不同的表达式。然而共基极和共射极只是晶体管的两种不同组态，所以f、f与fT之间必然有一定的联系，事实上，它们都是有四个时间决定的。三者的关系式为 fT=f=0f 因此，三个频率参数的关系是：f fT f，且fT很接近f 4

47、.提高特征频率的有效途径（1）控制基区宽度减小b（2）尽量减小发射结面积和动态电阻re来减小e（3）尽量减小集电结面积、降低集电区电阻率以减小d 此外，为了减小集电区延迟时间c，必须降低集电区电阻率c，减小集电区厚度Wc，以减小集电区串联电阻。但这也与功率要求相矛盾，因此必须两者同时兼顾。综上所述，提高晶体管特征频率的主要途径是：减小基区宽度Wb(对于微波器件，还必须采用浅结工艺)、减小结面积，适当降低集电区电阻率及其厚度，尽量减小延伸电极面积。3.5.7 高频功率增益和最高振荡频率1.高频功率增益晶体管的功率增益定义为晶体管的输出功率p0与输入功率pi之比，用符号Gp表示，即右图示出了共射极

48、功率增益电路简图，图中输入信号电流是ib，输出交流电流是ic，在频率较高时，晶体管的输入阻抗基本上等于基区电阻rb。共射极功率放大电路简图 故输入功率Pi为 输出功率（负载上得到的功率）p0为 因此功率增益GP为2.最高振荡频率fM和高频优值为比较准确地描述晶体管的功率放大随频率变化的关系，引进了晶体管最佳功率增益这一参数，用符号GPm表示。最佳功率增益GPm 是指晶体管向负载输出的最大功率与信号源供给晶体管的最大功率之比，即是晶体管输入、输出阻抗各自匹配时的功率增益。称为晶体管的高频优值，亦称功率增益宽带积。这个参数全面反映了晶体管的频率和功率性能，优值越高，晶体管的频率和功率性能越好。而且

49、，高频优值只决定于晶体管的内部参数，因此它是高频功率管设计和制造中的重要理论依据之一。3.5.8 晶体管的噪声1.噪声2.简单地说，噪声是一种杂乱的、无规则的电压或电流围绕在统计平均值的宏观量上的波动（或起伏）。3.从本质上说，噪声是由于系统内所含的大量的带电微粒的无规则运动所引起的。这种无规则运动，使在某个瞬时产生了偏离平均值的一个微小的电流或电压涨落。由于带电微粒的无规则运动，这个微小的电流或电压的变化也是无规则的，也是杂乱无章的，在电学里把这种杂乱无规则变化的微小的电流或电压称为噪声。下图示出了正弦讯号与噪声叠加后的波形。晶体管的噪声也是由于带电微粒载流子的无规则运动所引起的。噪声波形

50、2.噪声系数在实际工作中，要衡量晶体管噪声性能的好坏，常采用信号噪声比（即信号功率与噪声功率之比，简称信噪比）来衡量噪声的大小，即有 为了更加严格起见，常用晶体管的输入信号噪声比同输出信号噪声比的比值来表示晶体管的噪声特性，称这个比值为噪声系数，用符号NF表示，即 噪声系数是用以衡量晶体管自身噪声水平的参数，当然越小越好。在实际工作中，噪声系数常常采用分贝（dB）表示，记为如果晶体管本身不产生噪声，则NF=1（或等于0 dB）。但实际晶体管总是存在噪声的。因此NF总是大于1（或大于0 dB）。NF越小，表明晶体管的噪声特性越好，反之亦然。3.晶体管噪声的来源晶体管噪声的来源主要有以下三个方面：