第4章--晶体管频率特性与开关特性.ppt

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1,电子器件基础,湖南大学电子科学与技术专业,2,第4章晶体管频率特性与开关特性,第1节晶体管频率特性理论分析第2节晶体管高频参数与等效电路第3节晶体管的开关过程第4节Ebers-Moll模型和电荷控制方程第5节晶体管开关时间,3,掌握双极管频率参数；理解电流放大系数与频率的关系；了解高频等效电路和y参数、h参数。

掌握双极管Ebers-Moll模型和电荷控制模型，开关工作的过渡过程，开关时间参数。

本章要求：

4,第1节晶体管频率特性理论分析,直流和低频时，.几乎不变；当频率超过一定值后，.很快下降；不同晶体管，.下降时的频率不同，即具有不同频率限制；用频率特性参数f、f、fT来描述晶体管的频率特性。

1、晶体管频率特性参数,5,在f时晶体管仍有一定电流放大系数。

如：

0=100，在f时，=70,电流放大系数用分贝表示：

6,7,2、共基极电流放大系数与截止频率,晶体管高频运用时，必须考虑电容的充放电作用，交流输出短路共基电流放大系数：

（基区靠集电结边界为0点）,电容对电流的分流作用，使传输电流的幅值减少；对电容的充放电时间使输入信号与输出信号之间产生信号延迟，存在相位差；电流放大系数可用复数表示：

0为低频时共基短路电流放大系数f为共基极截止频率,8,发射效率,高频时考虑发射结势垒电容的充放电，由等效电路有：

低频时不考虑电容，发射效率：

9,高频时发射效率：

10,注入基区少子渡越基区的平均时间b：

注入少子在基区停留期间有复合损失，基区少子的寿命为nb，复合损失部分占总数的比为b/nb；少子流出基区比进入基区平均延迟了del，输出信号比输入信号相位滞后了del；。

每个载流子实际渡越基区时间的分散性，影响频率特性。

基区输运系数*,11,考虑基区中少子复合,12,13,考虑渡越，不考虑复合时：

14,同时考虑基区中载流子渡越、少子复合和延迟时：

超相移因子m的物理意义：

发射极电流变化后，不能立即引起集电极电流变化，必须经过mb的相位滞后，集电结电流才变化。

15,不计超相移时m=0，=1/b时，相位差-45计入超相移因子，均匀基区管，超相移相位-12.6，总相位差-57.6缓变基区晶体管，当时，超相移相位-23.8，总相位差-68.8；当时，超相移相位为-35，总相位差-80,缓变基区晶体管可近似计算得出：

基区截止频率b=1/b,16,集电结势垒区输运系数d,高频（微波）时载流子穿过集电结势垒区的时间不能忽略，集电结势垒区宽度xm，载流子极限饱和漂移速度s，载流子穿过集电结势垒区的时间：

td=xm/s。

集电结势垒区载流子浓度：

通过势垒区的传导电流密度：

忽略势垒区复合，由连续方程可解得：

17,流出集电结的总电流jc为通过势垒区的传导电流和势垒区电场变化引起的位移电流之和：

在集电结势垒区（0xm）积分得：

输出交流短路时，td=xm/s,18,19,集电区衰减因子c,电流在集电区体电阻上产生交变压降，迭加在直流偏置上，使势垒区电荷随交变电压变化而变化，集电结势垒电容充放电，形成电容分流。

20,输出短路共基电流放大系数,将各项代入并忽略高次项得：

共基截止频率：

（共基延迟时间）,21,基区截止频率b：

22,交流不能直接利用得到，式中是共基输出（CB）短路的值，而共射输出短路是CE间短路。

共射极电流放大系数与截止频率,3、共射极电流放大系数与频率关系,23,24,25,特征频率fT,的幅值：

当=T时，且，则有：

当时，展开幅值有：

26,共射短路电流放大系数的幅值与工作频率的乘积为常数fT，也称电流增益带宽积；频率大于f后，与f线性关系，6dB/倍频下降；fT接近于f，比f大0倍；可通过测出f下的计算得到fT。

27,提高特征频率的主要途径：

降低b：

减小基区宽度Wb，增加缓变基区电场因子；降低e：

Ie增加使re下降，缩小结面积使CTe、CTc下降；降低d：

增加NC减小xm，但使BVCBO下降；降低c：

增加NC减小Wc以降低rcs，缩小面积降低CTc。

高频管的特征频率fT与工作条件（Ic、Vce）有关。

28,第2节晶体管高频参数与等效电路,1、交流小信号电流电压方程,29,30,31,32,可得发射极和集电极交流电流：

33,2、晶体管的Y参数及其等效电路,小信号工作的晶体管可看成二端网络；输入信号（V1，I1）与输出信号（V2，I2）为线性关系；端特性与晶体管外特性等效，不论网络内部结构和电路；4个参数任选2个为自变量，另2个为因变量；不同选法有不同的晶体管参数方程和等效电路。

二端网络等效法,34,输出短路的输入导纳：

输入短路的正向转移导纳：

输出短路的反向转移导纳：

输入短路的输出导纳：

Y参数方程（导纳方程）,35,共基极晶体管Y参数,与下式对照比较，级数展开近似化简整理可得Y参数；,36,

（1）共基极输入导纳,发射结电导：

发射结扩散电容：

共基极输入导纳是发射结电导与发射结扩散电容的并联。

37,

（2）共基极输出导纳,38,（3）共基极正向转移导纳,39,（4）共基极反向转移导纳,40,共基极晶体管Y参数方程：

共基极晶体管Y参数等效电路：

41,3、晶体管的h参数及其等效电路,h参数方程（混合参数）,输出短路的输入电阻：

输入开路的电压反馈系数：

输出短路的电流放大系数：

输入开路的输出导纳：

42,同一晶体管在一定工作条件下，各参数之间应有一定的关系，由共基极Y参数方程和h参数方程：

可推出共基极h参数和Y参数的关系：

共基极h参数方程及其等效电路,43,共基极晶体管h参数：

共基极晶体管h参数方程：

44,共射极h参数方程及其等效电路,共射极h参数和共基极Y参数的关系：

均匀基区晶体管：

45,缓变基区晶体管：

共射极晶体管h参数：

46,共射极晶体管h参数方程：

共射极晶体管h参数等效电路,47,4、高频功率增益和最高振荡频率,高频功率增益Kp,共轭匹配：

信号源内阻与晶体管输入阻抗匹配；负载电导与晶体管输出导纳共轭匹配，即负载电导等于晶体管输出阻抗的共轭复数。

在共轭匹配条件下，可推得晶体管最大功率增益的h参数普遍表达式：

48,由共射极晶体管h参数等效电路得：

而：

最大功率增益：

49,最高振荡频率fm,f=fm时，Kpm=1，则有：

在较低的频率下测出f时的Kpm就可计算出fm；高频优质同时反映了晶体管的增益和频率特性，主要取决于晶体管的内部参数，考虑到电极、管壳等寄生电容时，CTc由总电容CC代替。

50,第3节晶体管的开关过程,晶体管不仅是优良的放大器件，而且是优良的开关器件；开关通过晶体管的导通和截止实现。

开关晶体管静态特性,输入脉冲为零时，发射结、集电结均反偏，晶体管截止，相当于断开的开关。

51,52,晶体管的开关过程,53,晶体管的开关参数：

饱和压降VCES：

晶体管开态与理想开关的差距穿透电流ICEO：

晶体管关态与理想开关的差距输入正向压降VBES：

晶体管启动功率的大小,54,开关晶体管要求：

关得断：

流过很小电流ICEO，承受较大电压BVCEO；打得开：

管压降VCES很小，流过较大电流ICM；转换快：

开关变化速度快，启动功率小；效率高：

开关功率大，功耗小。

55,第4节Ebers-Moll模型和电荷控制方程,1954年J.J.Ebers和J.L.Moll提出晶体管大信号工作分析的模型，广泛应用于结型器件和集成电路中的器件分析中；将晶体管看成由发射结二极管和集电结二极管组成；流过发射结的电流由两部分组成：

（1）单独发射结的电流（VC=0）

（2）单独集电结电流（VE=0）的一部分流过集电结的电流由两部分组成：

（1）单独集电结的电流（VE=0）

（2）单独发射结电流（VC=0）的一部分,Ebers-Moll模型及等效电路,56,IES：

集电结短路时发射结的反向饱和电流ICS：

发射结短路时集电结的反向饱和电流R、F：

比例系数,可推导出短路电流与开路电流的关系：

57,Ebers-Moll模型等效电路,58,T截止态：

发射结和集电结均反偏,59,T饱和状态：

发射结正偏，集电结正偏,输入正向压降（发射结压降）：

饱和压降：

60,将晶体管看作“电荷控制”器件，电流、电压的变化是由于电荷的变化所引起，物理意义清楚，数学处理简单，是解决大信号问题的有效方法。

电荷控制方程,61,基极电流作用：

增加基区电荷积累，补充基区电荷复合损失。

因此，基区电荷受基极电流控制。

62,端电流IB、IE、IC与基区积累电荷QB之间有一一对应关系，QB变化，IB、IE、IC跟随变化，变化比率直接由晶体管的放大系数决定。

63,64,包含耗尽层电容的电荷控制方程,瞬态时，结压降随时间变化，注入载流子浓度变化，基区电荷变化，同时空间电荷区电荷变化，势垒电容充放电。

若发射结压降改变dVBE时，发射结空间电荷改变dQE，对发射结势垒电容的充电电流：

同理可得对集电结势垒电容的充电电流：

65,包含耗尽层电容的电荷控制方程：

同时考虑扩散电容的电荷控制方程为：

基极电流提供基区电荷积累和电荷复合损失外，还提供发射结和集电结总电容（包括势垒电容和扩散电容）的充放电电流，其由电容和结电压的变化决定。

66,第5节晶体管开关时间,延迟时间（输入端加脉冲到开始导通）,用电荷控制方程对晶体管的开关时间进行定量分析,67,采用耗近层近似：

电荷控制方程：

68,上升时间（晶体管开始导通到进入临界饱和）,VBE从VjVBES，VBC从-（VCC-Vj）0，IC从0ICS，ib=IB1，使QB随时间增加，同时对电容充电。

结压降的变化用电流的变化来表示：

69,利用初始条件t=0时ic=0，解微分方程得：

70,由ic（tr）=ICS得：

71,存贮时间（超量存贮电荷消失）,发射结与集电结均正偏，晶体管饱和；基区超量存贮电荷QBX，集电区超量存贮电荷QCX；ic=ICS饱和不变；,初始状态：

72,输入脉冲跳变到零时，基极电流立即反向，由IB1变到IB2，但超量电荷不会立即消失，发射结和集电结仍然处于正向导通状态；,基区存贮电荷QBX被IB2抽取，集电区存贮电荷QCX被IC抽取，发射结正向电压VBE和集电结正向电压VBC变化很小，电荷控制方程为：

IB、IC基本不变，且：

73,74,75,cs：

集电区过饱和时间常数IRP：

基区注入集电区的空穴电流,76,过饱和时间常数：

外延平面晶体管：

合金型晶体管：

77,下降时间（晶体管退出饱和到截止）,超量贮存电荷消失后，晶体管的集电结由零偏变为反偏，晶体管进入放大状态。

在反向抽取电流的作用下，结压降继续下降，基区积累电荷开始减少，少子分布梯度变小，集电极电流开始下降，直到进入截止状态。

下降过程与上升过程相反，电荷控制方程为：

采用与分析上升过程同样的方法进行分析，且此时晶体管处于放大状态，得到电荷控制方程：

78,利用初始条件t=0时ic=ICS，解微分方程得：

取,79,晶体管的开关时间,80,第4章习题,第1、3、8、11题,81,思考题,f、f、fT及fM是如何定义的？

它们之间有何关系？

如何提高晶体管的特征频率？

为什么高频时载流子渡越集电结势垒区会引起信号幅度下降和相位延迟？

晶体管的h参数和y参数是如何定义的？

晶体管大信号工作特性分析常用什么模型？

为什么？

一个良好的开关晶体管应具备哪些条件？

开启电流IB1与抽取电流IB2对四个时间常数分别有什么影响？

如何提高晶体管的开关速度？

（减小开关时间）,82,谢谢!