半導(dǎo)體第三章_雙極晶體管8-12節(jié)

1、教學(xué)要求：1、了解基本概念：頻率響應(yīng)、及基發(fā)截止頻率、特征頻率、基區(qū)渡越時(shí)間。2、了解BJT頻率響應(yīng)特性及形成機(jī)理。華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院3-8 BJT的頻率響應(yīng)BJT作為放大作用的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，直流偏壓只是提供靜態(tài)工作點(diǎn)，需要放大的是交流信號(hào)。隨頻率的提高，BJT的特性發(fā)生變化，尤其是放大作用顯著下降。電流增益與頻率的關(guān)系稱為晶體管的頻率響應(yīng)小信號(hào)的極和共發(fā)射極電流增益定義為： dICVCB 常數(shù)dIE dIChfeVCE 常數(shù)dIB 0 hFE h1 jfe1 1 ja，或共發(fā)電流放大系數(shù)下降3dB,截止頻率（）華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院特征頻率（ T ）: 共發(fā)射極增益的模值降為1時(shí)的

2、頻率。 hFE 1 h fe由h當(dāng)時(shí)，T1 1 j fe hFE -增益帶寬乘積所以：h2 1TFE01 0 h由0TFE1 00最高振蕩頻率（m）:特征頻率下，因輸出阻抗遠(yuǎn)大于輸入阻抗，晶體管有電壓增益，功率增益大于1。m 是指功率增益為1時(shí)晶體管的工作頻率。華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院結(jié)論：共發(fā)射極截止頻率 要比 a 低得多，但增益帶寬積很接近。當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)晶體管內(nèi)部的載流子分布要發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起輸出信號(hào)的變化。較低時(shí)，載流子分布變化跟得上輸入信號(hào)的變化，輸出信號(hào)跟得上輸入信號(hào)的變化；高到一定程度時(shí)，載流子分布變化跟不上輸入信號(hào)的變化，輸出信號(hào)跟不上輸入信號(hào)的變化。從而造成信號(hào)從

3、發(fā)射極向集電極傳送時(shí)的時(shí)間延遲，引起器件的增益等性能變差。華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院BJT頻率響應(yīng)機(jī)理：信號(hào)從發(fā)射極向集電極傳送時(shí)需要一個(gè)時(shí)間延遲。1） 發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充電時(shí)間（ E ）由于PN結(jié)的電容效應(yīng)，高頻信號(hào)通過PN結(jié)時(shí)必須對(duì)PN結(jié)電容充電。正向偏置的發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容CTE與結(jié)電阻 re 并聯(lián)， reC充電時(shí)間常數(shù)為EETdIEVT I)1V eVI(rE/T由得e I EEE0dVE正向偏置的發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容粗略估計(jì) VR=0 時(shí)電容值的4倍。4VTC0 r（3-8-8）CEeTETEIE華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院引起時(shí)間延遲的重要：基區(qū)渡越時(shí)間（ B）2）vx 渡越基區(qū)，則基假設(shè)基區(qū)少

4、數(shù)載流子電子以有效速度區(qū)電子電流為I n qAnp xvx（3-8-9）dx vxdt因一個(gè)電子渡過基區(qū)所需要的時(shí)間qAnp xdx dx xB0 xB（3-8-10）vxBI0nI nn x xBxN dx又paqAD Nna對(duì)于均勻基區(qū)晶體管：x 2BB2Dn華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院1xBdxxB N xdxBD0N x xa na集電結(jié)耗盡層渡越時(shí)間（ d ）集電結(jié)處在高的反向偏壓下，耗盡層具有一定厚度，載流子需要渡越時(shí)間。由于此時(shí)耗盡層的電場(chǎng)很高，載流子達(dá)3）到飽和速度。 xmdvsxm 是集電結(jié)耗盡層的總厚度，vs 是載流子越過集電結(jié)耗盡層的飽和速度。集電結(jié)電容充電時(shí)間（C）4）集

5、電結(jié)處在反向偏壓下使得與結(jié)電容并聯(lián)的電阻很大，可視為開路。充電時(shí)間常數(shù)由電容CTC和集電極串聯(lián)電阻rSC所決定： C rSC CTC對(duì)于重?fù)诫s的外延襯底，集電極電阻很小， C 因而可以忽略。但在集成晶體管中應(yīng)把它計(jì)算進(jìn)去。華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院中的全部時(shí)間延遲為（ ec ）從發(fā)射極到集電極的信號(hào)：E B d ecC截止頻率 等于從發(fā)射極到集電極的信號(hào)中的全部時(shí)間延遲1的倒數(shù)。因而有1f 2ceec 影響截止頻率的主要：（1）發(fā)射極電流（IE）：當(dāng)IE 增加， E變小，因此增加。但 IE 過大，則引起克（Kirk）效應(yīng)（基區(qū)展寬效應(yīng)）。大量注入電子抵達(dá)集電結(jié)，增加空間電荷區(qū)負(fù)電荷的濃p W)

6、( Nd度，減少了正電荷的N濃度(。apn)nWpnIE，npVC不變時(shí)，Wp,Wn，使空間電荷區(qū)電場(chǎng)變小，從而引起WB，導(dǎo)致 B華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 ec e b0 d cx 2 4VTB r CCB2DEeTETEInE xm d rCvsCSCTC（2）減小基區(qū)寬度但當(dāng)基區(qū)寬度足夠小時(shí)，再減小WB幾乎對(duì)提高截止頻率不起多少作用，反而產(chǎn)生諸如提高rbb（3）減小結(jié)面積，降低VA等副作用。（4）減小集電極結(jié)串聯(lián)電阻華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教學(xué)要求：1、了解混合等效電路構(gòu)建思路，2、能熟練畫出混合的物理意義。等效電路圖，理解各參數(shù)3、理解概念：跨導(dǎo)、直流輸入電導(dǎo)、擴(kuò)散電容華南理工大學(xué)電

7、子與信息學(xué)院3-9 BJT的混合等效電路混合模型中NPNBJT的剖面圖圖3-22 混合模型等效電路組成部分華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院r0 ：基區(qū)寬變效應(yīng)引起的電阻rc ：反偏集電結(jié)的擴(kuò)散電阻反偏集襯結(jié)電容Cs：反偏集襯結(jié)電容受控電流源CTE、 CTC：耗盡層電容CD：擴(kuò)散電容集電極串聯(lián)電阻發(fā)射極串聯(lián)電阻發(fā)射結(jié)擴(kuò)散電阻rbb : 基極擴(kuò)展電阻混合等效電路：圖3-25 VE，QB和Ic之間關(guān)系的示意圖圖3-24簡(jiǎn)化混合等效電路華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院主要物理參數(shù)：（1）、跨導(dǎo)（ gm）dICg 它反映了發(fā)射結(jié)電壓對(duì)集電極電流的調(diào)制。mdVE正向有源模式下，當(dāng)xBCTE+CTC的情形，增益-帶寬乘

8、積為 2Dn（3-9-13） hFET2xB華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院教學(xué)要求：1、理解晶體管開關(guān)工作的機(jī)理；2、了解晶體管開關(guān)時(shí)間所涉及的物理過程；3、時(shí)間的推導(dǎo)。華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院3-10 BJT的開關(guān)特性當(dāng)晶體管工作狀態(tài)往返于飽和與截止?fàn)顟B(tài)之間時(shí)，晶體管起到通-斷的開關(guān)作用。由圖3-26b中的電流脈沖驅(qū)動(dòng)，使得晶體管運(yùn)用于截止區(qū)與飽和區(qū)。華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院工作原理：iB IB 2 0晶體管處于截止區(qū) V當(dāng)VVE 0,VC 0CECC VCC IC RLVCE IB1 00iBViVICE當(dāng)BCE V VVCECBBE0產(chǎn)生IGV2通產(chǎn)生IC2V1通IC1IC2出現(xiàn)強(qiáng)烈的正

9、反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，即使去掉門極電流，仍能維持導(dǎo)通。晶閘管結(jié)構(gòu)模型(a)及工作原理圖(b)晶閘管器件結(jié)構(gòu)剖面圖晶閘管與硅整流二極管相似，都具有反向阻斷能力，但晶閘管還具有正向阻斷能力，即正向?qū)l件：陽(yáng)極加正向電壓，同時(shí)控制極也加正向觸發(fā)電壓.晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極即失去控制作用。要使晶閘管重新關(guān)斷，必須一是將陽(yáng)極電流減小到小于維持電流IH；二是將陽(yáng)極電壓減小到零或使之反向。華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院HBT結(jié)構(gòu)剖面圖華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院3-13 HBT結(jié)構(gòu)及工作原理BHT工作于放大狀態(tài)時(shí)能帶圖華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院異質(zhì)結(jié)接觸前與接觸后能帶圖寬禁帶發(fā)射區(qū)異質(zhì)結(jié)可以使