微電子器件(3-8)

1、 晶體管放大高頻信號時，首先用被稱為晶體管放大高頻信號時，首先用被稱為 或或 的直流電壓或直流電流使晶體管工作在放大區(qū)，然后的直流電壓或直流電流使晶體管工作在放大區(qū)，然后 。 當當 時，稱為時，稱為 。這時。這時晶體管內與信號有關的各電壓、電流和電荷量，都由直流偏置晶體管內與信號有關的各電壓、電流和電荷量，都由直流偏置和高頻小信號兩部分組成，其高頻小信號的振幅都遠小于相應和高頻小信號兩部分組成，其高頻小信號的振幅都遠小于相應的直流偏置。各高頻小信號電量之間近似地成的直流偏置。各高頻小信號電量之間近似地成 。 總瞬時值總瞬時值：其中的直流分量：其中的直流分量：其中的高頻小信號分量：其中的高頻小信

2、號分量：高頻小信號的振幅：高頻小信號的振幅：bBBiIibbbbde,djtiiIjitBIbI 由于各小信號電量的振幅都遠小于相應的直流偏置，而且由于各小信號電量的振幅都遠小于相應的直流偏置，而且是疊加在直流偏置上的，所以可是疊加在直流偏置上的，所以可 。仍以基極電流為例，即。仍以基極電流為例，即Bbdii BbdIi 或或 隨著信號頻率隨著信號頻率 f 的提高，的提高， 和和 的幅度會減小，相角會的幅度會減小，相角會滯后。滯后。 以以 分別代表高頻小信號的發(fā)射結注入分別代表高頻小信號的發(fā)射結注入效率、基區(qū)輸運系數(shù)、共基極和共發(fā)射極電流放大系數(shù)效率、基區(qū)輸運系數(shù)、共基極和共發(fā)射極電流放大系數(shù)

3、 ，它們，它們都是復數(shù)。對極低的頻率或直流小信號，即當都是復數(shù)。對極低的頻率或直流小信號，即當 0 時，它們時，它們分別成為分別成為 。和、flglglg0000和、 以以 PNP 管為例，管為例，高頻小信號電流從高頻小信號電流從流入發(fā)射極的流入發(fā)射極的 ie 到到流出集電極的流出集電極的 ic ，會發(fā)生如下變化：會發(fā)生如下變化：pcccpcpccpcccpcpccpepcepe0eccbiiiiiiiiiiiiiivTE0epeCii ieipeipcipccicieicCTECDECTC *0DEpcCi dcpccxi TCcscCri 基區(qū)中到達集電結的基區(qū)中到達集電結的少子電流的少子

4、電流的高頻小信號分量高頻小信號分量 與從發(fā)射與從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的區(qū)注入基區(qū)的少子形成的電流中的少子形成的電流中的高頻小信號高頻小信號分量分量 之比，稱為之比，稱為 ，記為，記為 。對于。對于 PNP 管，為管，為 基區(qū)輸運系數(shù)隨頻率的變化主要由少子的基區(qū)渡越時間所基區(qū)輸運系數(shù)隨頻率的變化主要由少子的基區(qū)渡越時間所引起。引起。pcpeii (1) 復合損失使復合損失使 的物理意義：基區(qū)中單位時間內的復合率為的物理意義：基區(qū)中單位時間內的復合率為 ，少子在渡越時間少子在渡越時間 b 內的復合率為內的復合率為 ，因此到達集電結的，因此到達集電結的未復合少子占進入基區(qū)少子總數(shù)未復合少子占進入基區(qū)少子總

5、數(shù) ，這就是，這就是 。這。這種損失對直流與高頻信號都是相同的。種損失對直流與高頻信號都是相同的。 (2) 時間延遲使相位滯后時間延遲使相位滯后 對角頻率為對角頻率為 的高頻信號，集電結處的信號比發(fā)射結處在的高頻信號，集電結處的信號比發(fā)射結處在相位上滯后相位上滯后 b ，因此在，因此在 的表達式中應含有因子的表達式中應含有因子 。bej (3) 渡越時間的分散使渡越時間的分散使 減小減小bB1*bBB11*0*0*0* 已知在直流時，已知在直流時， ，現(xiàn)，現(xiàn) 上述關系也適用于高頻上述關系也適用于高頻小信號，即小信號，即 高頻小信號空穴電流的電荷高頻小信號空穴電流的電荷控制方程為控制方程為當暫不

6、考慮復合損失時，可先略去復合項當暫不考慮復合損失時，可先略去復合項 。bbpepcBddqqiitBpCbQIbpcbb pcb,qiqi或bBq基區(qū)基區(qū)ipeipc代入略去代入略去 后的空穴電荷控制方程中，得后的空穴電荷控制方程中，得pcbpepcbb pcddddiqiijittbBqpebpc1iji 再將復合損失考慮進去，得再將復合損失考慮進去，得0b1jpcpeb11iij 上式可改寫為上式可改寫為一般情況下，一般情況下，得得 式中，式中， 代表復合損失，代表復合損失， 代表相位的滯后，代表相位的滯后， 代表代表 b 的分散使的分散使 的減小。的減小。b0B1 bej22b11 1b

7、(tg)022be1j 1bbbb1,1, tg,b022be1j * 20b222b|1|(1)|1OBOAOPOPOBjOBOB 0b(1)OBjOPA與與OAB 相似，因此，相似，因此，0b1j,|,|2OBOAOPOBOAOAOP 可見，半圓上點可見，半圓上點 P 的軌跡就是的軌跡就是 。0OA 由于采用了由于采用了 的假設而使的假設而使 的表達式不夠精確的表達式不夠精確 ，因為這個假設是從直流情況下直接推廣而來的。但是在交流情因為這個假設是從直流情況下直接推廣而來的。但是在交流情況下，從發(fā)射結注入基區(qū)的少子電荷況下，從發(fā)射結注入基區(qū)的少子電荷 qb ，要延遲一段時間后才，要延遲一段時

8、間后才會在集電結產生集電極電流會在集電結產生集電極電流 ipc 。 計算表明，這段延遲時間為計算表明，這段延遲時間為 ，可表為，可表為 b1mmbpcbqi 對于均勻基區(qū)，對于均勻基區(qū)， = 0， m = 0.22 。098. 022. 0m 這樣，雖然少子在基區(qū)內持續(xù)的平均時間是這樣，雖然少子在基區(qū)內持續(xù)的平均時間是 b ，但是只有，但是只有其中的其中的 時間才對時間才對 ipc 有貢獻，因此有貢獻，因此 ipc 的的表達式應當改為表達式應當改為mmm11bbbbbbb1 m mqqi1bbbbpc同時要增加一個延遲因子同時要增加一個延遲因子 。b1emjmb1mmbb001bbee11mj

9、jmmjj 準確的準確的 表達式應為表達式應為 當當 下降到下降到 時的角頻率與頻率分別稱為時的角頻率與頻率分別稱為輸運系數(shù)輸運系數(shù) ，記為，記為 與與 。|021f*bbb11122mmfb0022eee11jmjj 當當 時，上式可表為時，上式可表為于是于是 又可表為又可表為b00bee11jmjmjj -1tg02ee1jmj 因子因子 使點使點 P 還須再轉一個相角還須再轉一個相角 后到達點后到達點 P ，得，得到的到的 的軌跡，才是的軌跡，才是 的軌跡。的軌跡。 準確式中的因子的軌跡仍是半圓準確式中的因子的軌跡仍是半圓 P ，但另一個，但另一個j10ejmmPO 由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少

10、子形成的電流中的高頻小信號分量由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子形成的電流中的高頻小信號分量 與發(fā)射極電流中的高頻小信號分量與發(fā)射極電流中的高頻小信號分量 之比，稱為之比，稱為 ，記為，記為 。對于對于 PNP 管，為管，為 epeiipcccpcpccpcccpcpccpepcepe0eccbiiiiiiiiiiiiiiv 當不考慮擴散電容與寄生參數(shù)時當不考慮擴散電容與寄生參數(shù)時，PN 結的交流小信號等效結的交流小信號等效電路是電路是 與電容與電容 CTE 的并聯(lián)。的并聯(lián)。BEeEDEd1dVkTrIgqIiereCTEeb 流過電阻流過電阻 re 的電流為的電流為ebectTETEebddviCjCv

11、tebeerectTE eerTE ee11viiij Crij Crr 流過電容流過電容 CTE 的電流為的電流為eberpeneeviiiriectine 因此因此ieripe 暫不考慮從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)形成的暫不考慮從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)形成的 ine（即假設（即假設 ）時，）時，10peeTE eeb1111iij CrjeerectpeectpeTE e1iiiiiij C r 再計入再計入 的作用后，得的作用后，得式中，式中， ，稱為，稱為 。0eb1jeTEebrC0 BEDEEBEBbBEBebddddddQQCVVqQVv 本小節(jié)從本小節(jié)從 CDE 的角度來推導的角度來推導 （近似式

12、）。（近似式）。 假設即代入假設即代入 CDE ，得，得bpcb,qibpcb,qipcbDEebiCvWBx0QBQEqb = dQBqe = dQE0DEpepc*Cii 流過電阻流過電阻 re 的電流為的電流為 當不考慮勢壘電容與寄生參數(shù)時當不考慮勢壘電容與寄生參數(shù)時，PN 結的交流小信號等效結的交流小信號等效電路是發(fā)射極增量電阻電路是發(fā)射極增量電阻 與擴散電容與擴散電容 CDE 的并聯(lián)。的并聯(lián)。ebecdDEDEebddviCj CvtebpeerecdDE eerDE ee11viiij Crij Crr 流過電容流過電容 CDE 的電流為的電流為eEkTrqIieipeipcreC

13、DEebiecdiereberevir 因此因此iprpcbpcDE eebbebpciiCrrvipcpeDE e11iij Cr式中，式中， 再計入復合損失后得：再計入復合損失后得：0b1j這與不含超相移因子的這與不含超相移因子的 的近似式完全一致。的近似式完全一致。 暫不考慮基區(qū)復合損失時，暫不考慮基區(qū)復合損失時， erpciipeerecdpcecdpcDE e1iiiiiij Cr 當基區(qū)少子進入集電結耗盡區(qū)后，在其中強電場的作用下當基區(qū)少子進入集電結耗盡區(qū)后，在其中強電場的作用下以飽和速度以飽和速度 vmax 作漂移運動，通過寬度為作漂移運動，通過寬度為 xdc 的耗盡區(qū)所需的的耗

14、盡區(qū)所需的時間為時間為dctmaxxv 當空穴進入耗盡區(qū)后，會改變其中的空間電荷分布，從而當空穴進入耗盡區(qū)后，會改變其中的空間電荷分布，從而改變電場分布和電位分布，這又會反過來影響電流。這里采用改變電場分布和電位分布，這又會反過來影響電流。這里采用一個簡化的模型來表示這種影響。一個簡化的模型來表示這種影響。 設電荷量為設電荷量為 qc 的基區(qū)少子（空穴）進入集電結耗盡區(qū)后，的基區(qū)少子（空穴）進入集電結耗盡區(qū)后，在它通過耗盡區(qū)的在它通過耗盡區(qū)的 t 期間，平均而言會在耗盡區(qū)兩側分別感應期間，平均而言會在耗盡區(qū)兩側分別感應出兩個出兩個 ( - -qc / /2 ) 的電荷。的電荷。 當集電區(qū)一側感

15、應出當集電區(qū)一側感應出 ( - -qc / /2 ) 時，將產生一個向右的電流時，將產生一個向右的電流 。另一方面。另一方面 ，流出耗盡區(qū)的空穴電流比流入耗盡區(qū)的，流出耗盡區(qū)的空穴電流比流入耗盡區(qū)的空穴電流少了空穴電流少了 ，所以，所以 ipcc 成為成為cd12dqtcddqtNPipcipccxdcqc-qc/ /2-qc/ /2tpccpcpcctpccpc212iijiijicccpccpcpcddd11d2d2dqqqiiittt 平均來說，平均來說，ccpccct pcct pcctd,dqqiqijit代入上式，得代入上式，得式中，式中，tdcdmax,22xv稱為稱為 pcct

16、pcd11112iijj 當電流當電流 ic 流經集電區(qū)體電阻流經集電區(qū)體電阻 rcs 時，產生壓降時，產生壓降 icrcs 。雖然。雖然 vcb = 0 ，但本征集電結上（，但本征集電結上（c 與與 b 之間）卻有壓降之間）卻有壓降c bc ccbc csvvvi r圖中圖中 c 為緊靠勢壘區(qū)的為緊靠勢壘區(qū)的 ，或稱為，或稱為 。 c bcccTCTC csTC cs cddddviiCCrj Cr itt NPCTCrcsicvcb= 0cbc vcb 將對將對 CTC 進行充放電，充放電電流為進行充放電，充放電電流為 總的高頻小信號集電極電流為總的高頻小信號集電極電流為cpccTC cs

17、c1111iij C rj式中，式中， ，代表，代表 。cpccccpccTC cs ciiiij Cr icTC cspcc1ij CricsTCcrCcbbpepcpcccc0eepepcpcc0ebbdce(1)(1)(1)(1)vj miiiiiiiiiijjjj 上式沒有上式沒有 PNP 與與 NPN 之分。之分。式中，式中，bb000ebTE eTEbE,11.220.098kTCrCqIm ，2tdcBbDE edcTC cs2Bmax211,222xWCrCrDv 稱為稱為 ，代表信號從，代表信號從發(fā)射極到集電極總的延遲時間，則發(fā)射極到集電極總的延遲時間，則 可寫為可寫為 當當

18、 時，時，ebbdc()1 b0ebbdce1()j mj 令令ecebbdc，bebbdc()01222ebbdce1()jmebbdc()01222ebbdce1()j 可見，在直流或極低頻下，可見，在直流或極低頻下， 隨著隨著頻率的提高，頻率的提高， 的幅度的幅度 下降，相角下降，相角 滯后。滯后。|ec 當當 下降到下降到 時的角頻率和頻率分別稱為時的角頻率和頻率分別稱為 ，記為，記為 和和 ，即，即021ecbebbdc11mbec0ecb01222ecbe1()e1()j mjjmm ecb122 ()fm |。，相角，000f這時這時 與與 的區(qū)別僅在于用的區(qū)別僅在于用 代替代替

19、 。的頻率特性主要由的頻率特性主要由 WB 和和 決定，即決定，即 (1) 對截止頻率不是特別高的一般高頻管，例如對截止頻率不是特別高的一般高頻管，例如 fa 1 m，此時，此時 ，bebdc() ebbdcb,b00bbee111jmjmjj 0000（2）對）對 fa 500 MHz 的現(xiàn)代微波管，的現(xiàn)代微波管，WB 500 MHz 的現(xiàn)代微波管，可忽略的現(xiàn)代微波管，可忽略 ，這時，這時bmTff 對于對于 fa 500 MHz 的晶體管，的晶體管， ec 中以中以 b 為主，這時為主，這時 當當 WB 較大，較大， fT 較低時，提高較低時，提高 fT 的主要措施是減小的主要措施是減小

20、WB 。但當?shù)?WB 已很小時，僅靠減小已很小時，僅靠減小 WB 來提高來提高 fT 的作用就開始減弱。的作用就開始減弱。特別是當特別是當 WB 0.1 m 后，再減小后，再減小 WB 幾乎對提高幾乎對提高 fT 不起多少作不起多少作用，反而產生諸如提高用，反而產生諸如提高 rbb ，降低，降低 VA 等副作用。等副作用。2dcBecTEcsTCTEBmax1211222xWkTCr CfqIDv可得可得 的關系曲線的關系曲線flg|lg102也有類似的頻率特性。也有類似的頻率特性。ffj10 由由 實際測量實際測量 fT 時，不一定要測到使時，不一定要測到使 下降為下降為 1 時的頻率，時的頻率，而是在而是在 的條件下測量的條件下測量 （ 可以大于可以大于 1 ），然后），然后根據根據 ，即可得到，即可得到|Tfff|0T|ffffTT|,()fffff 由于上式，由于上式，fT 又稱為晶體管的又稱為晶體管的 。 高頻管的工作頻率一般介于高頻管的工作頻率一般介于 f 與與 fT 之間之間。 2dcBecTEcsTCTEBmax1211222