微电子器件(3-8)ppt课件

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,.,*,3.8,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,“偏置”,或,“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,把欲放大的高频信号叠加在输入端的直流偏置上。,当,信号电压的振幅远小于,(,kT,/,q,),时，称为,小信号,。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,线性关系,。,1,.,电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例）,总瞬时值,：,其中的直流分量：,其中的高频小信号分量：,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，而且是叠加在直流偏置上的，所以可,将小信号作为总瞬时值的,微分,来处理,。仍以基极电流为例，即,或,2,.,随着信号频率,f,的提高，,和,的幅度会减小，相角会滞后。,以 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，它们都是复数。对极低的频率或直流小信号，即当,0 时，它们分别成为 。,3,.,以,PNP,管为例，高频小信号电流从流入发射极的,i,e,到流出集电极的,i,c,，会发生如下变化：,i,e,i,pe,i,pc,i,pcc,i,c,i,e,i,c,C,TE,C,DE,C,TC,3.8.1,高频小信号电流在晶体管中的变化,4,.,3.8.2 基区输运系数与频率的关系,1、,高频小信号基区输运系数的定义,基区中到达集电结的,少子电流的,高频小信号分量,与从发射区注入基区的,少子形成的电流中的,高频小信号,分量,之比，称为,高频小信号基区输运系数,，记为 。对于,PNP,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所引起。,5,.,(1)复合损失使,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,b,内的复合率为 ，因此到达集电结的未复合少子占进入基区少子总数 ，这就是,。这种损失对直流与高频信号都是相同的。,2、,基区,渡越时间的作用,(2)时间延迟使相位滞后,对角频率为,的高频信号，集电结处的信号比发射结处在相位上滞后,b,，因此在 的表达式中应含有因子 。,(3)渡越时间的分散使 减小,6,.,已知在直流时，现,假定,上述关系也适用于高频小信号，即,3、由电荷控制法求,基区中高频小信号空穴电流的电荷控制方程为,当暂不考虑复合损失时，可先略去复合项 。,基区,i,pe,i,pc,7,.,将 代入略去 后的空穴电荷控制方程中，,再将复合损失考虑进去，得,8,.,上式可改写为,一般情况下，,得,式中，代表复合损失，代表相位的滞后，,代表,b,的分散使 的减小。,9,.,由于采用了 的假设而使,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。但在交流情况下，从发射结注入基区的少子电荷,q,b,，要延迟一段时间后才会在集电结产生集电极电流,i,pc,。,计算表明，这段延迟时间为 ，,m,称为,超相移因子,，或,剩余相因子,，可表为,5、延迟时间,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,b,，但是只有其中的 时间才对,i,pc,有贡献，因此,i,pc,的表达式应当改为,同时要在 上增加一个延迟因子 。,11,.,准确的 表达式应为,6、,基区输运系数的准确式子,定义：,当 下降到 时的角频率与频率分别称为输运系数,的截止角频率,与,截止频率,，记为 与 。,12,.,当 时，上式可表为,于是 又可表为,13,.,3.8.3 高频小信号电流放大系数,i,e,i,pe,i,pc,i,pcc,i,c,i,e,i,c,C,TE,C,DE,C,TC,14,.,1、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 与发射极电流中的高频小信号分量 之比，称为,高频小信号注入效率,，记为 。,对于,PNP,管，,i,e,i,pe,i,pc,i,pcc,i,c,15,.,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,发射极增量电阻,与电容,C,TE,构成。,i,e,r,e,C,TE,e,b,流过电阻,r,e,的电流为,流过电容,C,TE,的电流为,i,ect,i,ne,因此,i,er,i,pe,16,.,暂不考虑从基区注入发射区形成的,i,ne,（即假设 ）时，,再计入 的作用后，得,式中，称为,发射结势垒电容充放电时间常数,。,i,e,r,e,C,TE,e,b,i,ect,i,ne,i,er,i,pe,17,.,2、发射结扩散电容充放电时间常数,本小节从,C,DE,的角度来推导 （近似式）。,假设即 代入,C,DE,，得,W,B,x,0,Q,B,Q,E,q,b,=,d,Q,B,q,e,=,d,Q,E,i,e,i,pe,i,pc,i,pcc,i,c,18,.,流过电阻,r,e,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电路由发射极增量电阻 与扩散电容,C,DE,构成。,流过电容,C,DE,的电流为,i,e,i,pe,i,pc,r,e,C,DE,e,b,i,ecd,i,er,因此,i,pr,19,.,式中，,再计入复合损失后得：,暂不考虑基区复合损失时，,i,e,i,pe,i,pc,r,e,C,DE,e,b,i,ecd,i,er,i,pr,20,.,3、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以饱和速度,v,max,作漂移运动，通过宽度为,x,dc,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。,i,e,i,pe,i,pc,i,pcc,i,c,21,.,设电荷量为,q,c,的基区少子（空穴）进入集电结耗尽区后，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出两个(,-,q,c,/,2)的电荷。,当集电区一侧感应出(,-,q,c,/,2)时，将产生一个向右的电流,。另一方面，流出耗尽区的空穴电流比流入耗尽区的空穴电流少了 ，所以,i,pcc,成为,N,P,i,pc,i,pcc,x,dc,q,c,-q,c,/,2,-q,c,/,2,22,.,平均而言，,代入上式，得,式中，,称为,集电结耗尽区延迟时间,。,23,.,4、集电结势垒电容经集电区充放电的时间常数,当电流,i,c,流经集电区体电阻,r,cs,时，将产生电压,i,c,r,cs,。虽然,v,cb,=,0，但在本征集电结上（c 与 b 之间）却有电压,N,P,C,TC,r,cs,i,c,v,cb,=,0,c,b,c,i,e,i,pe,i,pc,i,pcc,i,c,24,.,总的高频小信号集电极电流为,式中，代表,集电结势垒电容经集电区的充放电时间常数,。,v,cb,将对,C,TC,进行充放电，充放电电流为,25,.,5、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,PNP,与,NPN,之分。式中，,26,.,称为,信号延迟时间,，代表信号从发射极到集电极总的延迟时间，则,可写为,当 时，,令,27,.,可见，在直流或极低频下，随着频率的提高，的幅度 下降，相角 滞后。,28,.,定义：,当 下降到 时的角频率和频率分别称为,的截止角频率,和,截止频率,，记为,和,，即,29,.,这时 与 的区别仅在于用 代替 。,的频率特性主要由,W,B,和 决定，即,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,f,a,1,m，此时 ，,30,.,（2）对,f,a,500,MHz,的现代微波管，,W,B,500,MHz,的现代微波管，可忽略 ，这时,对于,f,a,500,MHz,的晶体管，,ec,中以,b,为主，这时,37,.,当,W,B,较大，,f,T,较低时，提高,f,T,的主要措施是减小,W,B,。但当,W,B,已很小时，仅靠减小,W,B,来提高,f,T,的作用就开始减弱。特别是当,W,B,0.1,m,后，再减小,W,B,对提高,f,T,几乎不起多少作用，反而产生诸如提高,r,bb,，降低,V,A,等副作用。,38,.,实际测量,f,T,时，不一定要测到使 下降为 1 时的频率，而是在 的条件下测量 （可以大于 1），然后根据 ，即可得到,由于上式，,f,T,又称为晶体管的,增益带宽乘积,。,高频管的工作频率一般介于,f,与,f,T,之间。,3、特征频率的测量,39,.,4、特征频率随偏置电流的变化,40,.,小电流时,随着,I,E,或,I,C,的增大，,eb,减小，使,f,T,提高，所以,f,T,在小电流时随电流的增大而提高,。但是当电流很大时，,eb,的影响变小，甚至可以略去。,大电流时，当基区发生纵向扩展,W,B,时，使基区渡越时间,b,增加,。同时，集电结势垒区厚度将减小,W,B,，使集电结势垒区延迟时间,d,变小,，,使,C,TC,增加,。由于,b,与,C,TC,的,增加要比,d,的减小大得多，所以,f,T,在大电流时随电流的增大而降低,。,41,.,代入表 3-4 的参数，经计算可得,由于忽略了一些次要因素，实际的,f,T,可能只有,7,GHz 左右。,例：,某高频晶体管具有如表 3-4 所示的参数，计算其,f,T,。,42,.,第,3,章第,2,次习题,20、22,、,48、58、59、65、68,43,.,