BJT的主要電學(xué)性能參數(shù)

1、BJT的主要電學(xué)性能參數(shù) (小結(jié))   BJT的電學(xué)性能參數(shù)大體上可分為四類：（1）直流性能參數(shù)：直流電流放大系數(shù)o和o：BJT的直流電流放大系數(shù)就是輸出直流電流與輸入直流電流之比，其數(shù)值大小表征著直流放大的性能。電流放大系數(shù)與BJT的應(yīng)用組態(tài)有關(guān)：共基極BJT的直流電流放大系數(shù)為oIc/Ie；共發(fā)射極BJT的直流電流放大系數(shù)為o（或者h(yuǎn)fe）Ic/Ib。注意，在計算電流放大系數(shù)時都未考慮集電結(jié)的反向電流。電流放大系數(shù)與工作點有關(guān)，當(dāng)偏置的電流或者電壓超過某一定 數(shù)值時即將下降（這是由于Kirk效應(yīng)和Early效應(yīng)等影響的結(jié)果）；并且也與溫度有關(guān)（因為BJT的電流

2、具有正的溫度系數(shù)的關(guān)系），將隨著溫度的升高而增大。o的數(shù)值一般為50200。較大電流放大系數(shù)的晶體管不僅可以獲得較大的電壓增益；而且也將有利于在小電流下使用，以獲得較高的輸入交流電阻和較低的噪聲，這是低噪聲晶體管所要求的。反向電流：Icbo發(fā)射極開路的集電結(jié)反向電流。在發(fā)射極開路時，因集電結(jié)的抽出作用將造成發(fā)射結(jié)上有一定的浮空電勢，但無電流從發(fā)射極流入（發(fā)射結(jié)邊緣處的少數(shù)載流子濃度梯度為0），然而卻有電流從集電極流出這就是Icbo，實際上就是共基極組態(tài)的集電結(jié)反向飽和電流。ICBo要大于晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時的集電結(jié)反向飽和電流。Iceo基極開路的C-E之間的反向電流，又稱為穿透電流。在基極開路

3、時，因為發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，所以這是共發(fā)射極組態(tài)BJT的一種特殊放大狀態(tài)（即為共發(fā)射極放大組態(tài)中的輸入開路情況）；雖然這時的基極電流為0，但是卻有很小的集電結(jié)反向飽和電流Icbo通過晶體管，并被放大b倍后再從集電極流出這就是Iceo：晶體管的穿透電流Iceo要比Icbo大得多。并且當(dāng)集電結(jié)有倍增效應(yīng)（倍增因子為M）時，該穿透電流將更大：穿透電流Iceo不但大于Icbo，而且也大于發(fā)射結(jié)短路時C-E之間的反向電流Ices，這是由于這時通過發(fā)射結(jié)的電流只是集電結(jié)反向飽和電流Icbo的一部分（有一部分被短路掉了），所以輸出電流Ices要小于 Icbo=Iceo。Iebo集電極開路的發(fā)射結(jié)反向電流

4、。該反向電流與Icbo一樣，數(shù)值很小，但要比晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時的漏電流大。飽和壓降：Vbes發(fā)射極飽和壓降。是共發(fā)射極晶體管在飽和狀態(tài)工作時、B-E電極之間的電壓降；該電壓實際上也就是使晶體管產(chǎn)生飽和導(dǎo)通所需要的最小輸入電壓，一般近似為發(fā)射結(jié)的正向?qū)妷海⊿i-BJT約為0.7V）。Vces集電極飽和壓降。是共發(fā)射極晶體管在飽和狀態(tài)工作時、其C-E電極之間的電壓降；該電壓反映了晶體管開啟狀態(tài)的性能，實際上也反映了晶體管飽和導(dǎo)通時的功耗大?。柡碗娏鱅cs與Vces的乘積就等于飽和時的功耗），應(yīng)該越低越好。晶體管的Vces主要來自于串聯(lián)電阻。對于合金晶體管，則來自于輸入端的串聯(lián)電阻（可能是基

5、極電阻）；對于雙擴(kuò)散外延平面晶體管，則來自于集電極串聯(lián)電阻（集電區(qū)材料電阻以及電極接觸電阻）。發(fā)射結(jié)電壓Vbe：電壓Vbe即是指晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時的發(fā)射結(jié)電壓，主要決定于發(fā)射結(jié)的勢壘高度，與半導(dǎo)體摻雜濃度和溫度有關(guān)。對于Si-BJT，一般VBE=0.6V0.7V。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，發(fā)射結(jié)勢壘高度降低，則VBE減?。窗l(fā)射結(jié)電壓具有負(fù)溫度系數(shù)）。發(fā)射結(jié)電壓的溫度系數(shù)與一般p-n結(jié)正向電壓的溫度系數(shù)相同，即Si-BJT發(fā)射結(jié)的約為2mV/K，Ge-BJT發(fā)射結(jié)的約為1mV/K。此外，Vbe也將隨著集電極電流的增加而有所下降，這是由于電流會引起晶體管發(fā)熱的緣故（這種作用容易導(dǎo)致BJT電流增大而發(fā)生

6、熱擊穿，需要在應(yīng)用電路設(shè)計中加以防止）。（2）極限性能參數(shù)：擊穿電壓：BVcbo發(fā)射極開路時的集電結(jié)擊穿電壓。這是共基極BJT所能夠承受的最高集電結(jié)反向電壓。該擊穿電壓對應(yīng)于反向電流Icbo的急劇增加，與臨界擊穿電場EC和半導(dǎo)體摻雜濃度N的關(guān)系為：半導(dǎo)體的摻雜濃度越低，勢壘區(qū)中的電場分布越均勻，該擊穿電壓就越高。BVceo共發(fā)射極BJT在基極開路時的集電結(jié)反向擊穿電壓。這是共發(fā)射極BJT的集電結(jié)所能夠承受的最大反向工作電壓。Vceo要低于Vcbo。該擊穿電壓對應(yīng)于反向電流Iceo的急劇增加。因為Iceo要比Icbo約大o倍，因此擊穿電壓BVceo相應(yīng)地要比BVcbo低得多：為了提高BVceo，

7、就必須提高BVcbo；并且為了獲得較高的BVceo，晶體管的bo不可選取得過大。BJT發(fā)生電擊穿的主要機(jī)理是雪崩擊穿 一次擊穿、以及一次擊穿之后的二次擊穿兩種機(jī)理。對于大功率晶體管，二次擊穿往往起著限制BJT安全工作區(qū)的重要作用。最大集電極工作電流Icm：BJT由于存在Kirk效應(yīng)或者Webster效應(yīng)、以及發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，則它的直流電流放大系數(shù)將會隨著集電極電流的增大而下降。BJT的最大集電極電流ICM就是共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)bo由最大值下降到一半時的集電極電流；Icm也就是晶體管具有顯著電流增益的最大容許工作電流。對于Si外延平面晶體管，最大集電極電流密度主要決定于集電區(qū)摻雜濃度和

8、外延集電區(qū)的厚度。由于發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，則最大集電極電流與發(fā)射結(jié)面積并不存在正比關(guān)系；增大發(fā)射極的周長/面積比和減小基極電阻等，可以提高最大集電極電流。至于發(fā)射極周邊線電流密度Jcml的選取，按照經(jīng)驗，對于線性放大晶體管的取值較為嚴(yán)格（Jcml=0.0120.04 mA/mm），對于開關(guān)晶體管的取值較為寬松（Jcml= 0.12 0.5 mA/mm），而對于功率晶體的取值居于其間（Jcml= 0.040.16 mA/mm）。最大耗散功率Pcm：BJT工作時，就有一定的功耗（耗散功率）Pc，即要消耗功率而發(fā)熱，而消耗的功率主要是在集電結(jié)上（PcIcVbc），則集電結(jié)溫度將要上升；但對于一定半導(dǎo)

9、體的p-n結(jié)都存在一個最高結(jié)溫Tjm（對于Si/p-n結(jié)為150200oC，對于Ge/p-n結(jié)為85125oC），因此晶體管也就相應(yīng)地存在一個最大耗散功率Pcm，即集電結(jié)的結(jié)溫升高到到Tjm時的耗散功率。最大耗散功率就限制了BJT的最高工作電壓和工作電流，從而也就限制了晶體管的最大輸出有用功率（因為輸出功率與耗散功率成正比）。BJT的最大耗散功率與環(huán)境溫度Ta和熱阻Rt有關(guān)（環(huán)境溫度越低、熱阻越小，則Pcm越大）；并且最大耗散功率還與工作狀態(tài)有關(guān)，在瞬態(tài)工作時，最大耗散功率Pcms將有所增大（PcmsPcm）。提高BJT的最大耗散功率的主要措施就是減小熱阻（主要是管芯的內(nèi)熱阻）和降低環(huán)境溫度；

10、特別，對于大功率晶體管，必須要散熱良好。（3）交流性能參數(shù)：截止頻率：因為BJT具有勢壘電容等效應(yīng)，則它的輸入阻抗、因而放大性能將會隨著工作頻率的升高而下降，從而BJT就存在有一定的截止頻率。根據(jù)BJT的應(yīng)用組態(tài)和要求的不同，BJT的截止頻率則有幾種不同的形式。截止頻率與BJT的工作點有關(guān)，在適當(dāng)?shù)墓ぷ麟娏骱凸ぷ麟妷簳r具有較大的數(shù)值，高于或者低于一定的電流和電壓時即將下降。a）共發(fā)射極組態(tài)截止頻率f ：是共發(fā)射極BJT的小信號電流放大系數(shù)的模|由低頻值o下降3dB時的頻率。在低于此f工作時，BJT具有很好的電流放大性能，否則放大性能較差。b）特征頻率ft ：是共發(fā)射極BJT的|=1時

11、的工作頻率，也就是共發(fā)射極BJT具有電流放大作用的最高工作頻率，又稱為電流增益-帶寬乘積。ft高于f，并且可以通過在較低頻率下的測量來確定ft：fT of = |f .ft可以采用4個時間常數(shù)來表示：ft = 1/2(te+tb+tc+td) .其中te是發(fā)射結(jié)勢壘電容的充電時間，tb是基區(qū)渡越時間，tc是集電結(jié)勢壘電容的充電時間，td是載流子漂移通過集電結(jié)勢壘區(qū)的渡越時間。對于一般的高頻BJT，往往是基區(qū)渡越時間tb起主要限制作用；對于ft很高的BJT，主要是考慮其他3個時間常數(shù)（te、td和tc）的影響。此外，電極歐姆接觸和各種寄生電容的影響也是限制ft的重要因素。c）共基極組態(tài)截止頻率f

12、 ：是共基極BJT的小信號電流放大系數(shù)的模|a|由低頻值o下降3dB時的頻率。f要遠(yuǎn)高于f，而且f很接近、但又略高于ft：f = (o+1) f ft+f , f << ft f .f遠(yuǎn)低于f的主要原因就是在共發(fā)射極組態(tài)中存在有集電結(jié)電容的分流作用（集電結(jié)電容是一種Miller電容）。d）最高振蕩頻率fm ：最高振蕩頻率就是BJT的最佳高頻功率增益Gpm下降到1（即0dB）時的工作頻率。在此頻率以上時，BJT不但沒有電流增益，而且也沒有功率增益，即振蕩再也不能維持。BJT的最高振蕩頻率fm與特征頻率ft有關(guān)，而且可以用功率增益Gpm和平里f表示為晶體管的高頻優(yōu)值

13、（功率增益-帶寬乘積）Gpm f2是一個與頻率無關(guān)、只決定于晶體管的內(nèi)部參數(shù)的能夠全面反映BJT的頻率和功率性能的一個重要參數(shù)（越大越好）?；鶚O電阻rb ：BJT的基極電阻rB是表征晶體管性能好壞的一個重要結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)?；鶚O電阻包括基區(qū)擴(kuò)展電阻和歐姆電阻兩個部分；一般，基區(qū)擴(kuò)展電阻是基極電阻的主要部分。基極電流在擴(kuò)展電阻上所產(chǎn)生的橫向壓降是導(dǎo)致晶體管出現(xiàn)發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的根源；同時，基極電阻也是影響晶體管的頻率特性、開關(guān)特性和噪聲特性的重要因素；此外，基極電阻還將要產(chǎn)生電壓反饋，并且影響到晶體管的輸入阻抗、功率增益和電流容量等。在設(shè)計和制造時必須盡量減小基極電阻。電容：晶體管的電

14、容效應(yīng)是導(dǎo)致其電流放大系數(shù)在高頻時下降的根本原因。晶體管電容有勢壘電容和擴(kuò)散電容兩種。發(fā)射結(jié)的勢壘電容和正偏下的擴(kuò)散電容，集電結(jié)的勢壘電容以及在反偏時、由于Early效應(yīng)而產(chǎn)生的擴(kuò)散電容，都是限制BJT最高工作頻率的重要因素。一般，晶體管的特征頻率fT就主要決定于這些電容的充放電時間常數(shù)。發(fā)射結(jié)的擴(kuò)散電容關(guān)系著少子的存儲作用，因此也將影響到開關(guān)速度?？鐚?dǎo)gm和輸入交流電阻re ：BJT的跨導(dǎo)gm是表征其輸入電壓（Vbe）對輸出電流（Ic）的控制能力的一個小信號參數(shù)。因為BJT的輸出電流（Ic）與輸入電壓（Vbe）具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系，所以BJT具有很大的跨導(dǎo)：gm(q/kT)Ie實際上，

15、BJT的跨導(dǎo)也就近似為它的輸入交流電導(dǎo)，即為輸入交流電阻re的倒數(shù)。輸入交流電阻表示為: re=kT/(qIe)。BJT的跨導(dǎo)與發(fā)射極電流成正比、與溫度成反比。在室溫下，BJT的輸入交流電阻很小，則跨導(dǎo)總是很大的。一般，BJT的輸入交流電阻也就是其發(fā)射結(jié)的小信號交流電阻。對于共基極組態(tài)BJT，因為輸入電流是發(fā)射極少數(shù)載流子擴(kuò)散電流，則輸入交流電阻要受到Early效應(yīng)的影響而有所降低；對于共發(fā)射極組態(tài)BJT，因為輸入電流是基極多數(shù)載流子電流，則輸入交流電阻不會受到Early效應(yīng)的影響，相對較大一些。對于共集電極組態(tài)BJT，因為輸入端是集電結(jié)，而且輸入電流是基極多數(shù)載流子電流，則輸入交流電阻要更大

16、一些。輸出電阻：BJT的本征輸出電阻分為輸出直流電阻和輸出交流電阻兩種，都可以由BJT的輸出伏安特性求得。對于飽和狀態(tài)的BJT，輸出電壓很低，則輸出電阻很小，輸出直流電阻輸出交流電阻。對于放大狀態(tài)的BJT，輸出電流飽和，輸出直流電阻總是小于輸出交流電阻。在理想情況下，輸出伏安特性曲線是水平線，則輸出交流電阻ro=；在考慮Early效應(yīng)等的影響之后，輸出電流即不飽和（輸出伏安特性曲線向上傾斜），則輸出交流電阻明顯減小。Early電壓VA越小，輸出交流電阻就越大：ro |VA|/Ic .放大狀態(tài)的輸出交流電阻直接關(guān)系到BJT的電壓增益，輸出交流電阻越小，增益就越低。因此，需要盡量防止或者削弱BJT

17、的Early效應(yīng)。不過，對于共基極組態(tài)BJT的輸出交流電阻，受到Early效應(yīng)的影響卻不大（因為這里的電流放大系數(shù)小于1）。然而共集電極組態(tài)BJT的輸出交流電阻受到Early效應(yīng)的影響很大，因此這種組態(tài)BJT的輸出交流電阻最小。（4）特征參數(shù)：這是指反映晶體管某種特點的一些參數(shù)。例如反映高頻特性的特征頻率fT；反映大功率特性的輸出功率Po和功率增益GP；反映低噪聲特性的噪聲系數(shù)NF；反映高速開關(guān)特性的開關(guān)時間和飽和壓降。最佳高頻功率增益Gpm：BJT的最佳高頻功率增益完全決定于其本身的參數(shù)（特征頻率ft、基極電阻rb、集電極輸出電容和發(fā)射極引線電感）.并且在f>f時，Gpm隨著工作頻率f

18、的平方成反比地下降。導(dǎo)致功率增益下降的根本原因就在于晶體管電流放大系數(shù)的下降、輸出阻抗的降低和輸入阻抗的升高。為了提高晶體管的最佳高頻功率增益，就應(yīng)當(dāng)設(shè)法提高ft、降低rb、減小電容和電感等寄生參量。噪聲系數(shù)Nf：噪聲系數(shù)就是單位信號功率增益下、晶體管對噪聲功率的放大倍數(shù)（PNo/PNi）。為了表征晶體管本身所產(chǎn)生的噪聲大小，引入所謂噪聲系數(shù)F：晶體管噪聲的來源，與p-n結(jié)二極管的噪聲類似，主要有三種：熱噪聲（Johnson噪聲）、散粒噪聲和閃變噪聲（1/f噪聲）。熱噪聲和散粒噪聲都是與頻率無關(guān)的白噪聲。晶體管的熱噪聲主要來自于基極電阻。開關(guān)時間：BJT的開關(guān)時間包括開通時間和關(guān)斷時間這兩個時間，實際上往往是關(guān)斷時間起著決定的作用。開通時間又分為延遲時間和上升時間；關(guān)斷