復(fù)旦-半導(dǎo)體器件-仇志軍第二章雙極型晶體管PN結(jié)

復(fù)旦-半導(dǎo)體器件-仇志軍第二章雙極型晶體管PN結(jié)第一頁，共150頁。第二章雙極型晶體管2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布2.2電流放大原理2.3直流特性2.4反向特性2.5晶體管的模型2.6頻率特性2.7開關(guān)特性2第二頁，共150頁。2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布1

2.1.1晶體管的基本結(jié)構(gòu)n+pnEBC發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)p+npEBC發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECBnpnECBpnp3第三頁，共150頁。2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布2

2.1.2制造工藝合金管平面管4第四頁，共150頁。2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布3

2.1.3雜質(zhì)分布均勻基區(qū)緩變基區(qū)基區(qū)內(nèi)載流子傳輸方式自建電場擴(kuò)散擴(kuò)散漂移+擴(kuò)散型晶體管漂移型晶體管5第五頁，共150頁。第二章雙極型晶體管2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布2.2電流放大原理2.3直流特性2.4反向特性2.5晶體管的模型2.6頻率特性2.7開關(guān)特性6第六頁，共150頁。2.2電流放大原理12.2.1放大條件放大條件：1、Wb

<<Lnb2、發(fā)射結(jié)正偏3、集電結(jié)反偏n+pnEBCIeIcIbRERLVbeVcb7第七頁，共150頁。2.2.2電流傳輸2.2電流放大原理2Ine

Inc8第八頁，共150頁。2.2.3共基極電流放大系數(shù)2.2電流放大原理3<11集電區(qū)倍增因子基區(qū)傳輸系數(shù)發(fā)射效率（注入比）1（當(dāng)Ne/Nb>>1時）1（當(dāng)Wb<<Lnb

時）IeIbIcVbeVcb9第九頁，共150頁。2.2.4共射極電流放大系數(shù)2.2電流放大原理4>>1IbIeIcVbeVce10第十頁，共150頁。第二章雙極型晶體管2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布2.2電流放大原理2.3直流特性2.4反向特性2.5晶體管的模型2.6頻率特性2.7開關(guān)特性11第十一頁，共150頁。2.3.1晶體管中的少子分布2.3直流特性100x2N+PNWb0x-x1x212第十二頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性2假設(shè)：突變結(jié)

一維（Aje=Ajc=A）外加偏壓全加在結(jié)上

忽略勢壘區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合電流小注入1.少子分布(1)基區(qū)00Wb基區(qū)均勻摻雜Wb<<Lnb13第十三頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性31.少子分布(2)發(fā)射區(qū)We>>Lpe

We<<Lpe且0Wb-x1x20WbWe-x1x214第十四頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性41.少子分布(3)集電區(qū)(Wc>>Lpc)00Wb-x1x215第十五頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性52.電流密度(只計算擴(kuò)散電流)(1)基區(qū)中電子電流0Wb-x1x216第十六頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性62.電流密度(只計算擴(kuò)散電流)(1)基區(qū)中電子電流0WbJnb(0)Jnb(Wb)JvbWb<<Lnb=常數(shù)=Jnb(0)=Jnb(Wb)0問題：上述結(jié)論也可從載流子線性分布直接推出.問題：考慮復(fù)合時，少子如何分布？a還是b?0Wbab17第十七頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性72.電流密度(只計算擴(kuò)散電流)(2)發(fā)射區(qū)中空穴電流(3)集電區(qū)中空穴電流We>>Lpe

Wc>>Lpc

18第十八頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性83.Ie、Ib、Ic

表達(dá)式(1)Ie

表達(dá)式EBCIeIbIcxJe,Jc19第十九頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性93.Ie、Ib、Ic

表達(dá)式Wb<<Lnb

時，且放大偏置(1)Ie

表達(dá)式20第二十頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性103.Ie、Ib、Ic

表達(dá)式(2)Ic

表達(dá)式EBCIeIbIcxJe,Jc21第二十一頁，共150頁。2.3.2理想晶體管的電流-電壓方程2.3直流特性113.Ie、Ib、Ic

表達(dá)式(2)Ic

表達(dá)式Wb<<Lnb

時，且放大偏置22第二十二頁，共150頁。2.3.3、表達(dá)式2.3直流特性121.

表達(dá)式=**(1)We<Lpe（Wb<Lnb）23第二十三頁，共150頁。2.3.3、表達(dá)式2.3直流特性131.

表達(dá)式=**(1)定義方塊電阻要

則要Rsh,e/Rsh,b

Ne/Nb

Wt電流IWL薄層電阻推導(dǎo)示意圖

We<Lpe24第二十四頁，共150頁。2.3.3、表達(dá)式2.3直流特性141.

表達(dá)式=**(2)*放大偏置時要*

則要Wb

Lnb

nb

25第二十五頁，共150頁。2.3.3、表達(dá)式2.3直流特性141.

表達(dá)式=**(3)*=12.

表達(dá)式>>126第二十六頁，共150頁。2.3.4理想晶體管的輸入、輸出特性2.3直流特性151.共基極IE

/mAVBE

/VVCB輸入特性輸出特性IeIbIcVbeVcb27第二十七頁，共150頁。2.3.4理想晶體管的輸入、輸出特性2.3直流特性162.共射極VCE輸入特性輸出特性IbIeIcVbeVce28第二十八頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性171.發(fā)射結(jié)結(jié)面積對的影響n+pnAje*AjeoIne’Ine本征基區(qū)：Wb

<<Lnb非本征基區(qū)：Wb

>>Lnb要

則要Ajeo/Aje*

結(jié)面積大、結(jié)淺29第二十九頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性182.基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)（Early效應(yīng)）N+PNWb*WbVcb

Wb*

dnb/dx

IneIc

Early電壓對非均勻基區(qū)晶體管影響輸出電阻30第三十頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性193.發(fā)射結(jié)復(fù)合電流影響勢壘區(qū)>ni2復(fù)合率Vbe

Ic

IvbIeIreIpeIne-x1031第三十一頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性203.發(fā)射結(jié)復(fù)合電流影響增益

隨電流Ic

變化發(fā)射結(jié)復(fù)合電流影響32第三十二頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性214.大注入效應(yīng)之一Webster效應(yīng)Dnb2Dnb基區(qū)大注入條件：npb(0)~NbEx.：Sinpn晶體管：若Nb=1017cm-3,計算當(dāng)npb(0)=0.1Nb

時所需的發(fā)射結(jié)偏壓Vbe.（答案：0.76V）qVbe/kTqVbe/2kT33第三十三頁，共150頁。Webster效應(yīng)2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性224.大注入效應(yīng)之一Webster效應(yīng)增益

隨電流Ic

變化Ic發(fā)射結(jié)復(fù)合電流基區(qū)復(fù)合Webster效應(yīng)34第三十四頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性235.大注入效應(yīng)之二Kirk效應(yīng)（基區(qū)展寬效應(yīng)）pnxn+E集電區(qū)大注入：nc~Nc集電極電流Jc

ncq(Nb+nc)q(Ncnc)飽和漂移速度35第三十五頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性24中性nc=Ncnc>Nc--------------Emax問題：計算Jc0,nc0

即Jc>Jc0WbWb+Wb

5.大注入效應(yīng)之二Kirk效應(yīng)Kirk效應(yīng)臨界Jc0nc=nc036第三十六頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性256.大注入效應(yīng)之三發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（基極電阻自偏壓效應(yīng)）Seff-發(fā)射極有效半寬SeJ(Seff)=J(0)Xe-1zyx37第三十七頁，共150頁。2.3.5晶體管的非理想現(xiàn)象2.3直流特性266.大注入效應(yīng)之三發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（基極電阻自偏壓效應(yīng)）發(fā)射極電流分布V(y)Je(y)Seff=?0……yEBrbb’yyy-dyJC-dIB38第三十八頁，共150頁。2.3.6實際晶體管的輸入、輸出特性2.3直流特性27Webster/Kirk效應(yīng)發(fā)射結(jié)復(fù)合電流影響Si晶體管發(fā)射結(jié)復(fù)合電流Webster/Kirkrbb’自偏壓Vbe(V)39第三十九頁，共150頁。2.3.6實際晶體管的輸入、輸出特性2.3直流特性281.共基極輸入、輸出特性EBCEarly效應(yīng)輸入特性輸出特性N+PNWb*WbVcb

Wb*

dnb/dx

IneIc

dnb/dx

40第四十頁，共150頁。2.3.6實際晶體管的輸入、輸出特性2.3直流特性292.共射極輸入、輸出特性輸入特性輸出特性BECEarly效應(yīng)Early效應(yīng)問題：為什么Early效應(yīng)對共發(fā)射極輸出特性有明顯影響，而共基極輸出特性卻無明顯影響？基區(qū)復(fù)合減少41第四十一頁，共150頁。第二章雙極型晶體管2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布2.2電流放大原理2.3直流特性2.4反向特性2.5晶體管的模型2.6頻率特性2.7開關(guān)特性42第四十二頁，共150頁。2.4.1晶體管的反向電流2.4反向特性1np<ni2nppnpn漏電流（與工藝有關(guān)）產(chǎn)生電流擴(kuò)散電流Si管：Ig

為主Ge管：Id

為主IR(Si)<<IR(Ge)PN結(jié)反向電流43第四十三頁，共150頁。2.4.1晶體管的反向電流2.4反向特性21.IcboIcbon+pn+Veb(fl)VSi：Ge：2.Iebo問題：為什么有浮動電壓Veb(fl)

，且>0？因此n+pnIeboSi：Ge：反向工作注入比44第四十四頁，共150頁。2.4.1晶體管的反向電流2.4反向特性33.Iceo（反向穿透電流）n+pnIceo基極開路Ib=0問題：從物理上如何理解此關(guān)系？結(jié)論：要Iceo

則Icbo

不宜太高45第四十五頁，共150頁。2.4.2晶體管的反向擊穿電壓2.4反向特性41.BVebon+pnAIeVebBVebo特點：1o

通常為雪崩擊穿

Nb

很高時可能有齊納2o

雙擴(kuò)散管擊穿在表面3o

通常BVebo>4V即可2.BVcbon+pnAIcVcbBVcbo特點：1o

雪崩擊穿2o

BVcbo

越高越好理想BVcbo=VBR(純pn結(jié))46第四十六頁，共150頁。2.4.2晶體管的反向擊穿電壓2.4反向特性53.BVceBVceoBVcesBVcerBVcex(1)BVceo雪崩擊穿時基極開路時Ib=0Ic=IeIceo

發(fā)生雪崩倍增條件：1M=0M=1/（更容易達(dá)到）BVceo<BVcbo經(jīng)驗公式：n(Si)=4npn2pnpn(Ge)=3npn6pnpM→∞47第四十七頁，共150頁。2.4.2晶體管的反向擊穿電壓2.4反向特性63.BVceBVceoBVcesBVcerBVcex(1)BVceo問題：擊穿時為何有負(fù)阻特性？集電結(jié)雪崩注入到基區(qū)的空穴基區(qū)開路無法流出填充發(fā)射結(jié)耗盡區(qū)填充集電結(jié)耗盡區(qū)發(fā)射結(jié)正偏壓增大集電結(jié)反偏壓減小負(fù)阻48第四十八頁，共150頁。2.4.2晶體管的反向擊穿電壓2.4反向特性73.BVceBVceoBVcesBVcerBVcex(2)BVces>BVceoIbIeIcVceRLrb(3)BVceo<BVcer<BVces(4)BVcex>BVcer49第四十九頁，共150頁。2.4.3晶體管穿通電壓（punch-through）2.4反向特性81.基區(qū)穿通n+nxcpIcVcbVptBVcboBVcbo=Vpt+BVebo

不發(fā)生穿通現(xiàn)象的條件：Vpt>BVcbo0結(jié)論：合金管更容易發(fā)生基區(qū)穿通，而平面管則不太可能發(fā)生。Nc<Nb，集電結(jié)耗盡區(qū)主要向集電區(qū)擴(kuò)展50第五十頁，共150頁。2.4.3晶體管穿通電壓（punch-through）2.4反向特性92.集電區(qū)穿通效應(yīng)集電區(qū)穿通時擊穿條件：Emax=Ecn+pnn+(Nc)xEEmax0Wcxmc’為防止集電區(qū)穿通：Wc

xmc’（←Nc）電場分布斜率一樣集電區(qū)穿通電壓51第五十一頁，共150頁。第二章雙極型晶體管2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布2.2電流放大原理2.3直流特性2.4反向特性2.5晶體管的模型2.6頻率特性2.7開關(guān)特性52第五十二頁，共150頁。2.5.1Ebers-Moll方程（本征晶體管）2.5晶體管的模型153第五十三頁，共150頁。2.5.1Ebers-Moll方程（本征晶體管）2.5晶體管的模型2Ebers-Moll方程：問題：求IF0,IR0

與Iebo,Icbo

之間的聯(lián)系.答案：Iebo=(1

FR)IF0,Icbo=(1

FR)IR0.規(guī)定：端電流流入為正RIRFIFIFIRIeIcIbEBC其中54第五十四頁，共150頁。F=100R=22.5.1Ebers-Moll方程（本征晶體管）2.5晶體管的模型3Ebers-Moll方程：只有3個獨立參數(shù)55第五十五頁，共150頁。2.5.2實際晶體管模型2.5晶體管的模型4Ic(無Early效應(yīng))Ic(有Early效應(yīng))Vc’e’BCeCcgleglc(Vce’/VA)IFECE’B’C’resrbb’rcsIFIR56第五十六頁，共150頁。第二章雙極型晶體管2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布2.2電流放大原理2.3直流特性2.4反向特性2.5晶體管的模型2.6頻率特性2.7開關(guān)特性57第五十七頁，共150頁。2.6.1晶體管的放大作用2.6頻率特性1n+pnVbeVceRLRBIbIeIcn+pnIeIcIbRERLVcbIeVbe問題：共基極有放大作用嗎？問題：放大時能量守恒嗎?58第五十八頁，共150頁。2.6.1晶體管的放大作用2.6頻率特性21.共基極1>>1>>1Transistor=Trans+Resistor!n+pnIeIcIbRERLVcbIeVbe59第五十九頁，共150頁。2.6.1晶體管的放大作用2.6頻率特性32.共發(fā)射極>>1>>1>>1功率放大的是交流信號!n+pnVbeVceRLRBIbIeIc60第六十頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性41.y

參數(shù)等效電路(共基極)vi+vo+iiio以vi

vo

為自變量y

參數(shù)等效電路以ii

io

為自變量z

參數(shù)等效電路以ii

vo

為自變量h

參數(shù)等效電路RIRFIFIFIRIeIcIbEBC本征晶體管的直流模型Ebers-Moll方程：61第六十一頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性51.y

參數(shù)等效電路-以vi

vo

為自變量求Ie(Veb,Vcb),Ic(Veb,Vcb)對E-M方程求微分>0<0<0>0量綱：電導(dǎo)62第六十二頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性61.y

參數(shù)等效電路-以vi

vo

為自變量共基極y

參數(shù)等效電路ve+vc+ieicy111|y12|vc|y21|vey221EBBC放大偏置時ve+vc+ieiciercEBBC63第六十三頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性72.h參數(shù)等效電路(共發(fā)射極)-以ii

vo

為自變量vbe(ib,vce)ic(ib,vce)全微分BEC？vbe+vce+ibich

參數(shù)以ib

vce

為自變量BCEE64第六十四頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性82.h參數(shù)等效電路(共發(fā)射極)-以ii

vo

為自變量hie

共發(fā)射極輸出端交流短路時的輸入電阻vbe+vce+ibicBCEEEbers-Moll方程放大偏置時，Vbe>>kT/q,Vbc<0VCEh-11165第六十五頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性92.h參數(shù)等效電路(共發(fā)射極)-以ii

vo

為自變量vbe+vce+ibicBCEEhre

共發(fā)射極輸入端交流開路時的電壓反饋系數(shù)>0Why?由Ib(Vbe,Vbc)全微分66第六十六頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性102.h參數(shù)等效電路(共發(fā)射極)-以ii

vo

為自變量0(<1015)實際hre104，原因：

(i)Early效應(yīng)，Wb(Vce)(ii)Early效應(yīng)，rbb’(Vce)(i)Early效應(yīng)，Wb(Vce)(Vce)<0VBEVCE=4V67第六十七頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性112.h參數(shù)等效電路(共發(fā)射極)-以ii

vo

為自變量vbe+vce+ibicBCEEhfe

共發(fā)射極輸出端交流短路時的正向電流傳輸比共發(fā)射極E-M方程：中等電流Ib

，ICIB68第六十八頁，共150頁。2.6.2低頻交流小信號等效電路2.6頻率特性122.h參數(shù)等效電路(共發(fā)射極)-以ii

vo

為自變量hoe

共發(fā)射極輸入端交流開路時的輸出電導(dǎo)vbe+vce+ibicBCEEEarly效應(yīng)輸出阻抗rce

不是vbe+vce+ibicBEEC~hie+hrevcehfeibhoe1問題：共基極h參數(shù)等效電路如何畫？hoe69第六十九頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性131.晶體管的高頻效應(yīng)交流(高頻)：

ie~ic

相位差reresCTeCDerbb’CDcCTcrcrcsCEB70第七十頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性142.()

和發(fā)射極延遲時間e直流（或低頻）高頻

問題：為什么CTe充放電電流對

有影響，而CDe充放電電流對

無影響？2.1.()2.2.eCTereEBine+ipe正偏pn結(jié)CTe=2.5~4.0CTe(0)71第七十一頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性(自學(xué))2.6頻率特性153.

*()

和基區(qū)渡越時間b3.1

*()

n+pn0Wbie,icn+pnve(t)VCVE~vc(t)~假設(shè)Wb=常數(shù)基區(qū)中少子分布npb(x,t)72第七十二頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性(自學(xué))2.6頻率特性163.

*()

和基區(qū)渡越時間b3.1

*()

直流分量交流分量通解邊界條件小信號條件邊界條件73第七十三頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性(自學(xué))2.6頻率特性173.

*()

和基區(qū)渡越時間b3.1

*()

邊界條件74第七十四頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性(自學(xué))2.6頻率特性183.

*()

和基區(qū)渡越時間b3.1

*()

交流嚴(yán)格分析可以證明：超相移因子電場因子75第七十五頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性193.

*()

和基區(qū)渡越時間b3.2基區(qū)渡越時間b0WbIneIncIne=1/b擴(kuò)散電容發(fā)射結(jié)電阻CDereEB1.2.3.76第七十六頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性(自學(xué))2.6頻率特性204.集電結(jié)勢壘區(qū)輸運系數(shù)d()

和集電結(jié)渡越時間d4.1d()pnxE---++++++qnvsxmE>104V/cmvs=8.5106cm/std=xm/vsE(x,t)假設(shè)連續(xù)性方程77第七十七頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性(自學(xué))2.6頻率特性214.集電結(jié)勢壘區(qū)輸運系數(shù)d()

和集電結(jié)渡越時間d對勢壘區(qū)積分0勢壘區(qū)平均傳導(dǎo)電流d

定義：4.1d()78第七十八頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性(自學(xué))2.6頻率特性224.集電結(jié)勢壘區(qū)輸運系數(shù)d()

和集電結(jié)渡越時間d4.2d這里79第七十九頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性(自學(xué))2.6頻率特性235.集電極衰減因子c

和集電極延遲時間c+Vcb=常數(shù)ieicEBC~hib+hrbvciehob1CTeCDerbb’CTcB’rcsC’incincc80第八十頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性246.放大系數(shù)的頻率特性6.1()和f低頻共基極截止頻率81第八十一頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性256.放大系數(shù)的頻率特性6.1()和f(dB)20log(dB)20logf

：3dB頻率通常b>>e

d

cdB（分貝）定義：82第八十二頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性266.放大系數(shù)的頻率特性6.2()和f=？BECCTcCTee

定義

定義定義EBCreieCTeCDerbb’CTcrcsres83第八十三頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性276.放大系數(shù)的頻率特性6.2()和fCTe>>CTc84第八十四頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性286.放大系數(shù)的頻率特性6.2()和f同樣考慮超相移因子m，且b>>e

d

cf

：3dB頻率6.3fT(1)fT

定義f>f

時，

>1.定義共發(fā)射極截止頻率0>>185第八十五頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性286.放大系數(shù)的頻率特性6.3fT當(dāng)f<f<f

時或特征頻率電流增益-帶寬積(2)提高fT

的措施b

Wb

非均勻基區(qū)(通常b>>e

d

c)e

re

CTe

Ajed

xm

Nc

c

rcs

Nc

CTc

Ajc

Nc

f<fTf86第八十六頁，共150頁。2.6.3放大系數(shù)的頻率特性2.6頻率特性296.放大系數(shù)的頻率特性6.3fT(3)fT

與工作點的關(guān)系beKirk效應(yīng)b,c

d87第八十七頁，共150頁。2.6.4高頻等效電路(自學(xué))2.6頻率特性301.h參數(shù)等效電路1.1共基極共基極h

參數(shù)高頻等效電路共基極T形高頻等效電路CTeCDeCTc+ieicEBC~re+hrbvc’b’ierobrbb’B’rcsC’resE’+88第八十八頁，共150頁。2.6.4高頻等效電路(自學(xué))2.6頻率特性311.h參數(shù)等效電路1.2共發(fā)射極+BEC~re+ibroerbb’B’rcsC’resE’hrevce+CTeCDe(1+)CTcCTc共發(fā)射極h

參數(shù)高頻等效電路共發(fā)射極T形高頻等效電路問題：為什么CTc

需要乘上(1+)?問題：證明高頻時反饋電壓系數(shù)為CTc/Ct

，這里Ct=CTe+CDe+CTc？89第八十九頁，共150頁。2.6.4高頻等效電路(自學(xué))2.6頻率特性321.h參數(shù)等效電路共發(fā)射極h

參數(shù)高頻等效電路共發(fā)射極形高頻等效電路rb’c

反饋電阻反饋電壓源hre問題：驗證高頻時反饋電壓源可等效為反饋容抗CTc.rb’cCTeCTcCDe+BECreibroerbb’B’E+ibic1.2共發(fā)射極90第九十頁，共150頁。2.6.4高頻等效電路(自學(xué))2.6頻率特性332.晶體管高頻功率增益和最高振蕩頻率共發(fā)射極h

參數(shù)T形高頻等效電路+BEC~re+ibroerbb’B’rcsC’resE’+CTeCDe(1+)CTcCTc輸入阻抗高頻輸出阻抗2.1高頻功率增益Gp()+BECibrbb’B’+(1+)CTc91第九十一頁，共150頁。2.6.4高頻等效電路(自學(xué))2.6頻率特性342.晶體管高頻功率增益和最高振蕩頻率2.1高頻功率增益Gp()ibCTc92第九十二頁，共150頁。當(dāng)輸出阻抗最佳匹配（共軛復(fù)量）時，可得到最大功率增益GpmaxibCTcLRL2.6.4高頻等效電路(自學(xué))2.6頻率特性352.晶體管高頻功率增益和最高振蕩頻率2.1高頻功率增益Gp()最大功率增益93第九十三頁，共150頁。2.6.4高頻等效電路2.6頻率特性362.晶體管高頻功率增益和最高振蕩頻率2.2最高振蕩頻率fm當(dāng)Gpmax=1時，對應(yīng)fm

最高振蕩頻率高頻優(yōu)值功率增益-帶寬積(1)fm

定義94第九十四頁，共150頁。2.6.4高頻等效電路(自學(xué))2.6頻率特性372.晶體管高頻功率增益和最高振蕩頻率2.2最高振蕩頻率fm(2)發(fā)射極引線電感Le

影響阻抗匹配時ibCTcBECrbb’B’Le95第九十五頁，共150頁。2.6.4高頻等效電路(自學(xué))2.6頻率特性382.晶體管高頻功率增益和最高振蕩頻率2.2最高振蕩頻率fm(3)提高fm

的措施fT

rbb’

CTc

Ajc

Nc

Le

(4)fm

與工作點的關(guān)系fT1/Wb2

rbb’1/Wb

Wb,fT

d

,fT,CTcre,e,fT

Ic,Vcb,Wb,fT96第九十六頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性391.非均勻基區(qū)及自建電場1.1漂移晶體管雜質(zhì)分布ND,NAx0NcNbNeNDNAx0pn+nn+xjexjc97第九十七頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性401.非均勻基區(qū)及自建電場1.2基區(qū)自建電場近似忽略E阻滯均勻電場Nb(x)指數(shù)分布考慮自建場Eb(x)后令Jpb=0（為什么？）若假設(shè)Nb(x)為指數(shù)分布Eb(x)=常數(shù)98第九十八頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性411.非均勻基區(qū)及自建電場1.2基區(qū)自建電場若Nb(x)為指數(shù)分布基區(qū)電場因子=0均勻基區(qū)

Eb

x0pn+nWbWeNb(x)Nb(x)？99第九十九頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性422.直流特性2.1少子分布與少子電流(1)Jnb假設(shè)

Jvb=0Jnb(x)=常數(shù)Jnb=常數(shù)100第一百頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性432.直流特性2.1少子分布與少子電流邊界條件假設(shè)

Jre=0Jne=Jnb101第一百零一頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性442.直流特性2.1少子分布與少子電流問題：定性解釋

>0時，少子分布npb(x)的形狀。為什么不象紅虛線？邊界條件0Gummel數(shù)[cm2]102第一百零二頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性452.直流特性2.1少子分布與少子電流(2)JpeNDNAxpn+nn++0Wb++We發(fā)射區(qū)有自建場Ee(x)，類似地問題：Ee

與Eb

方向相反，相差一個“”號，為什么？

Ee(x)有何作用？若為薄發(fā)射區(qū)，即We<<Lpe

時，則發(fā)射區(qū)Gummel數(shù)(3)Jpc與均勻基區(qū)相同103第一百零三頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性462.直流特性2.2直流增益0

0(1)(2)*=1?更高級近似104第一百零四頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性472.直流特性2.2直流增益0

0x0Wbnpb(x)定義0（均勻基區(qū)）2>0（加速場）

>2105第一百零五頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性482.直流特性2.2直流增益0

0(3)0

00

0

除了Rsh,e/Rsh,b

Ne/Nb

Wb

Lnb

nb

還可以

106第一百零六頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性482.直流特性2.3Early效應(yīng)Jc<0107第一百零七頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管(自學(xué))2.6頻率特性493.頻率特性3.1b求*()/0*方法解連續(xù)性方程設(shè)代入上式直流分量交流分量108第一百零八頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管(自學(xué))2.6頻率特性503.頻率特性3.1b直流分量邊界條件0……求出0*Lnb

Lnb’

交流分量*()*()/0*b方法解連續(xù)性方程109第一百零九頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性513.頻率特性3.1b方法基區(qū)渡越方法解連續(xù)性方程(自學(xué))110第一百一十頁，共150頁。2.6.5漂移晶體管2.6頻率特性523.頻率特性3.1b方法擴(kuò)散電容(自學(xué))……考慮超相移因子后，這里問題：試推導(dǎo)左式。3.2f

、f

、

fT

、

fm111第一百一十一頁，共150頁。2.6.6異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）2.6頻率特性531.結(jié)構(gòu)n+-GaAsn-GaAsn-Al0.3Ga0.7Asp+-GaAsn-GaAsn+-GaAsSI-GaAsSub.11019cm-3750?51018~11020cm-3500~1000?51017cm-31250?51017cm-32500?31016cm-35000?41018cm-36000?EBC112第一百一十二頁，共150頁。2.6.6異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）2.6頻率特性542.理想異質(zhì)結(jié)能帶圖不考慮界面態(tài)情況，突變反型異質(zhì)結(jié)的能帶圖真空能級真空能級凹口尖峰－能帶彎曲，形成尖峰和凹口－能帶在界面處不連續(xù)－界面處內(nèi)建電場不連續(xù)，要考慮材料介電常數(shù)的不同－結(jié)兩邊都是耗盡層113第一百一十三頁，共150頁。2.6.6異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）2.6頻率特性553.工作原理熱平衡放大偏置注意be114第一百一十四頁，共150頁。2.6.6異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）2.6頻率特性563.工作原理若Eg=0.25eV，則exp(Eg/kT)~104HBT特點：1o

寬Eg

發(fā)射區(qū)2o

重?fù)诫s基區(qū)3o

窄基區(qū)NDNAx0pn+nn+同質(zhì)結(jié)BJTNDNAx0p+nnn+n+HBT115第一百一十五頁，共150頁。2.6.6異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）2.6頻率特性573.工作原理HBT優(yōu)點：1o

Eg>00

2o

rbb’

fmax3o

Nb

Wb0

基區(qū)穿通效應(yīng)基區(qū)大注入效應(yīng)（Webster）Early效應(yīng)4o

Ne

CTefT

116第一百一十六頁，共150頁。第二章雙極型晶體管2.1基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和雜質(zhì)分布2.2電流放大原理2.3直流特性2.4反向特性2.5晶體管的模型2.5頻率特性2.7開關(guān)特性117第一百一十七頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性11.晶體管的工作區(qū)VccRLrb負(fù)載電流：AAAA118第一百一十八頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性22.截止區(qū)和飽和區(qū)的少子分布1.截止區(qū)npb0ABVbe<0(A)

=0(B)Vbc<0IneIpeIpcIncIb=Iebo+Icbo

IeboIcbo119第一百一十九頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性32.截止區(qū)和飽和區(qū)的少子分布2.飽和區(qū)(1)發(fā)生飽和現(xiàn)象的原因IcVccRLrbceVbbVinbIb放大區(qū)、飽和區(qū)<當(dāng)IbIc,max

時，進(jìn)入飽和狀態(tài)，

Ib

Ic,(=Ib)

IcRL

Vce

Vbc()(+)

放大區(qū)飽和區(qū)問題：為什么當(dāng)Vbc

>0時，而流過集電結(jié)的電流卻與Vbc

極性相反？AAAA120第一百二十頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性42.截止區(qū)和飽和區(qū)的少子分布2.飽和區(qū)(1)發(fā)生飽和現(xiàn)象的原因定義：臨界飽和狀態(tài)(2)少子分布線性放大狀態(tài)臨界飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)（超量儲存電荷）121第一百二十一頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性52.截止區(qū)和飽和區(qū)的少子分布2.飽和區(qū)(3)電流傳輸Ib=Ipe+Ivb+Ivbs+IpcsIbsIbx過驅(qū)動電流飽和時IeIvb+IvbsIpeIcsIpcsIbxIb定義：飽和深度s=1

臨界飽和狀態(tài)122第一百二十二頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性63.晶體管的開關(guān)作用K合上，CE導(dǎo)通，K斷開，CE斷開，截止導(dǎo)通開關(guān)管要求：1o

Vces

越小越好，最好02o

Iceo

越小越好，最好03o

BVce

高（使用范圍大）4o

開關(guān)時間短VccRLKCEVccRLrbVbbcebVccRLrb1Vbbrb2ViHViLceb123第一百二十三頁，共150頁。0.1Icst02.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性74.晶體管的開關(guān)過程VccRLrb1ceVbbrb2ViHViLbVinViLViHtIbIb1tIb2IcstIc0.9Icst1t2t3t4t5Vcet>>0延遲時間td=t1t0上升時間tr=t2t1儲存時間ts=t4t3下降時間tf=t5t4124第一百二十四頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性84.晶體管的開關(guān)過程上升時間tr=t2t1(BC)儲存時間ts=t4t3(DC)下降時間tf=t5t4(CB)t0VinViLViHtIbIb1tIb2IcstIc0.9Ics0.1Icst1t2t3t4t5Vcetton=td+trtoff=ts+tf波形頻率延遲時間td=t1t0(AB)A..延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間..AAAA125第一百二十五頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性95.晶體管開關(guān)過程中的少子分布1.延遲過程tdp反偏反偏n+np反偏零偏n+np反偏弱正偏n+nAB對CTe,CTc

充電A..延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間..AAAAVbe0.5V126第一百二十六頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性105.晶體管開關(guān)過程中的少子分布2.上升過程trp反偏正偏n+np反偏弱正偏n+nBp零偏正偏n+nCA..延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間..對CTe,CDe,CTc

充電AAAA127第一百二十七頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性115.晶體管開關(guān)過程中的少子分布3.儲存過程tsp正偏正偏n+nDp零偏正偏n+nC抽取基區(qū)、集電區(qū)超量儲存電荷A..延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間..AAAA128第一百二十八頁，共150頁。2.7.1晶體管的開關(guān)作用2.7開關(guān)特性125.晶體管開關(guān)過程中的少子分布4.下降過程tfp零偏正偏n+nCp反偏弱正偏n+nBp反偏反偏n+nAA..延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間..AAAA129第一百二十九頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間2.7開關(guān)特性131.電荷控制理論交流小信號線性放大區(qū)（線性微分方程線性元件等效）開關(guān)晶體管

{截止區(qū)飽和區(qū)

}大信號過程（Ebers-Moll方程高度非線性）電荷控制理論

少子連續(xù)性方程基區(qū)少子電荷基區(qū)電子電荷Qb130第一百三十頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間2.7開關(guān)特性141.電荷控制理論定義注入基區(qū)的凈電子電流凈流出的電子電流注入基區(qū)的凈空穴電流（電中性條件）勢壘電容充放電少子擴(kuò)散擴(kuò)散電容充放電IpeIb131第一百三十一頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間2.7開關(guān)特性151.電荷控制理論Ivb+IvbsIc/Ic/各電流含義Ipe

：少子擴(kuò)散電流截止區(qū)，Ipe

0放大、飽和區(qū)，Ivb+Ivbs

：基區(qū)復(fù)合電流截止區(qū)，Ivb

0放大區(qū)，132第一百三十二頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間2.7開關(guān)特性161.電荷控制理論：對CTe

充電電流：對CTc

充電電流Ipcs

：集電區(qū)少子擴(kuò)散電流截止、放大區(qū)，Ipcs

=0飽和區(qū)，Ipcs

飽和時133第一百三十三頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間2.7開關(guān)特性171.電荷控制理論對發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)側(cè)的擴(kuò)散電容CDe(e)

充電電流對集電結(jié)集電區(qū)側(cè)的擴(kuò)散電容CDc(c)

充電電流截止、放大區(qū)，飽和區(qū)，電荷控制方程134第一百三十四頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間(自學(xué))2.7開關(guān)特性181.電荷控制理論--各工作區(qū)討論1).截止區(qū)Ic

0Qb=Qpc=02).放大區(qū)（有源區(qū)）Vje=0.7VdVje

0Qpc=0截止區(qū)電荷控制方程135第一百三十五頁，共150頁。同理2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間(自學(xué))2.7開關(guān)特性191.電荷控制理論--各工作區(qū)討論放大區(qū)電荷控制方程136第一百三十六頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間(自學(xué))2.7開關(guān)特性201.電荷控制理論--各工作區(qū)討論3).飽和區(qū)

Ic

Ics

dIc=0dVje=0飽和區(qū)電荷控制方程>>在此忽略以及在飽和區(qū)幾乎不隨時間變化。137第一百三十七頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間(自學(xué))2.7開關(guān)特性212.開關(guān)時間1).延遲時間td=t1

t0pn+ntd=td1

+

td2截止區(qū)放大區(qū)計算td1（截止區(qū)）對CTe,CTc

充電0.5V=VbbA..延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間..AAAA138第一百三十八頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間(自學(xué))2.7開關(guān)特性222.開關(guān)時間1).延遲時間td=t1

t0計算td2（放大區(qū)）Ib1初始條件Ic(0)=0A..延遲時間上升時間BCD儲存時間下降時間..pn+nAAAA139第一百三十九頁，共150頁。2.7.2電荷控制理論和晶體管開關(guān)時間(自學(xué))2.7開關(guān)特性232.開關(guān)時間1).延遲時間td=t1

t0Ic(t)從00.1Icst

從0td2線性近似降低td1

措施：1o

CTeCTc

Aje

Ajc