第4章--晶体管频率特性与开关特性.ppt

1、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、

2、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

3、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

4、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(0 xm)

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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V

11、CES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

12、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，

13、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

14、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Vj VBES，VBC 从-(VCC-Vj)0，IC 从0 ICS，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

15、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

16、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!,