20xx-20xx年第二章双极结型晶体管

20xx-20xx年第二章双极结型晶体管内容摘要：

（ b）输出特性曲线 （ 2）输出特性曲线 在不同的 IE 下，改变 VCB ，测量 IC ，可得出一族 VI CBC 曲线，称为共基极直流输出特性曲线，如图（ b）所示。 从输出特性曲线可见，在 0CBV 时， II EC （因为 II E0C  ， 10 ），而且基本与 VCB 无关。 在 0CBV 时， IC 仍保持不变，这是因为在 0CBV 时，基区靠集电结空间电荷区边界处少子浓度等于平衡少子浓度，但因基区中存在少子浓度梯度，不断地有少子向集电结边界扩散，为了保证该处少子浓度等于平衡少子浓度，漂移通过集电结的少子必须大于从集电区扩散到基区的少子，因而虽然 0CBV ，但 0CI。 要使集电极电流减小到零，必须在集电结上加一个小的正向偏压，使基区中少子浓度梯度接近于零。 2．共发射极连接的直流特性曲线 （ 1） 输入特性曲线 测量晶体管共发射极直流特性曲线的原理图如右图所示。 RB 为基极串联电阻，用以控制VCB 或 IB。 在不同的 VCE 下，改变 VBE ，测量 IB ，可得出一族 VI BEB 关系曲线，称为共发射极直流输入特性曲线，如图（ a）所示。 当 VCE 增加时，由于基区宽度减小。 注入到基区中的少子的复合减少，故 IB 减小。 第二章 双极结型晶体管 17 即在同样的 VBE 下， VCE 越大， IB 越小。 当 0BEV 时， 0BI ，而为 I 0CB ，因为这时集电结反偏， 0CBV ，所以 流过基极的电流为集电结反向饱和电流 I 0CB。 （ a）输入特性曲线 （ b）输出特性曲线 （ 2）输出特性曲线 固定不同的 IB ，改变 VCE ，测量 IC ，可得出一族 VI CEC 曲线，称为共发射极输出特性曲线，如图（ b）所示。 当 0BI 时，晶体管的电流 等于 I 0CB。 当 IB 增加时，集电极电流 IC 按 IB0 的规律增加，而且 VCE 增大，晶体管的基区宽度减小，电流放大系数 0 增大，特性曲线微微向上倾斜。 晶体管的直流特性曲线可分为三个区域：放大区（Ⅰ区），饱和区（Ⅱ区）和截止区（Ⅲ区）。 167。 晶体管的频率特性 按工作频率范围通 常把晶体管分为低频晶体管（只能在 3MHz 以下的频率范围内使用）；高频晶体管（可在几十到几百兆赫兹的频率下使用）；超高频晶体管（能在 750MHz以上频率范围内使用的晶体管 ）。 1．晶体管交流特性和交流小信号传输过程 （ 1）频率对晶体管电流放大系数的影响 在使用晶体管时，常常会发现，当工作频率较低时，晶体管的放大作用比较正常，电流放大系数基本上不因工作频率而改变。 但当工作频率高到一定程度时，电流放大系第二章 双极结型晶体管 18 数将随工作频率的升高而下降，直至失去电流放大作用。 如图所示，高频时输出电流 ic 明显比输入 ie 小，也就是电流放大系数  下降了，同时也发生了相移，为什么会有如此现象呢。 晶体管工作在高频状态时，电流放大系数将下降且产生相移，主要是晶体管中载流子的分布情况随交流信号而变化引起的。 由于要提供再分布的电荷，消耗掉了一部分注入载流子的电流，变为基极电流。 交流信号频率越高，单位时间内用于再分布的电荷也越多，即消耗的电流也越大， ic 则越小，这就是高频时电流放大系数下降的 原因。 与此同时，交流电流在从发射极传输到集电极的过程中，要经过 4个区：发射结、基区、集电结空间电荷区、集电区。 显然，完成上述的传输，必然要消耗掉部分电流，也需要一定的时间。 所以，随着频率的增高，不仅电流放大系数下降， ic 相对于 ie 也将产生相移。 （ 2）交流小信号传输过程 直流电流在晶体管内部的传输过程是：发射极电流由发射结注入到基区，通过基区输运到集电结，被集电结收集形成集电极输出电流。 在这个电流传输过程中有两次电流损失（对理想 情况）：一是与发射结反向注入电流的复合；二是基区输运过程中在基区体内的复合。 对于交流小信号电流，其传输过程与直流情况有很大不同，一些被忽略的因素开始起作用了，这些因素主要有 4个：① 发射结势垒电容充放电效应；② 基区电荷存储效应（或发射结扩散电容充放电效应）；③ 集电结势垒区渡越过程；④ 集电结势垒电容充放电效应。 1）发射过程 当发射极输入一交变信号时，交变信号作用在发射结上，发射结的空间电荷区宽度将随着信号电压的变化而改变，因此需要一部分电子电流对发射结势垒电容进行充放电。 发射极电流中的一部分电子通过 对势垒电容的充分电，转换成基极电流的一部分，造成电子流向集电极传输过程中比直流时多出一部分损失，使发射效率  降低。 由于对发射结势垒电容充放电需要一定时间，因而使电流发射过程产生延迟。 设发射结势垒电容充放电时间常数为 E ，称为发射极延迟时间。 一般发射极延迟时间为 )0()4~( TEEBE CIq Tk )0(TEC →零偏压时发射结势垒电容值。 第二章 双极结型晶体管 19 2）基区输运过程 当发射极输入交变信号时，除发 射结势垒区宽度随信号变化外，基区积累电荷量也将随之变化。 例如在信号正半周，交变电压叠加在发射结直流偏压上，使结偏压升高，注入基区的电子增加，使基区电荷积累增加。 因此，注入到基区的电子，除一部分消耗于基区复合而形成复合电流 iVB 外，还有一部分电子用于增加基区电荷积累，即相当于对扩散电容的充电。 同时，为了保持基区电中性，基极必须提供等量的空穴消耗于基区积累，即对扩散电容的充放电电流也转换为了基极电流的一部分。 因此，到达集电结的有用电子电流减小，即基区输运系数 *T 下降。 设电子在基区的输运时间为 B。 假设基区中 x 处，注入少子电子的浓度为 )(Bxn ，以速度 )(xv 穿越基区，形成的电流为 )()()( BnB xvxnAqxI  载流子穿越基区的时间为（注意 txvx d)(d  ） xx xI xnAqxx xv d)( )(d)(1 BB 0 nB B0B   通常有基区宽度 Lx nBB ，所以有   xxTk Vqnxn BB E0BB 1e xp)(  Tk Vqx nDqAIxI B EB 0BnBnEnB e xp)( 代入上式有 Dxxxxx Dx nB2BB0 nBBB 2d1B    3）集电结势垒区渡越过程 在直流电流传输过程中，由基区输运到集电结边界的电子流，被反偏集电结势垒区内的强电场全部拉向集电区，并且穿过势垒区的时间很短。 因此，电子流在势垒区渡越过程中，既无幅度也无相位上的变化，可以认为这一过程对电流传输没有影响。 但是，对于交流信号，特别是信号频率较高以致集电结势垒渡越时间 D “可与信号周期相比拟时”，就必须考虑集电结势垒区的渡越过程了。 交流小信号电流在这一过程中，不仅信号幅度将降低，也会产生相位滞后。 由于反偏集电结空间电荷区电场一般很强，当空间电荷区电场超过临界电场强度cm/V104 时，载流子速度就达到饱和，载流子将以极限速度（饱和速度） vs 穿过空间电第二章 双极结型晶体管 20 荷区。 对于硅 s/ 6s v ；对于锗 s/cm106 6s v。 设集电结空间电荷区宽度为 xm ，则载流子渡越集电结空间电荷区的时间为 vxsmD 4）集电区传输过程 到达集电区边界的电流并不能全部经集电区输运而形成集电极电流 ic ，这是因为交变电流在通过集电区时，会在体电阻上产生一个交变的电压降。 这个交变信号电压叠加在集电极直流偏置电压上，使集电结空间电荷区宽度随着交变信号的变化而变化。 因此，在到达集电区边界的电流中需要分出一部分电子电流对集电结势垒电容充放电，形成分电流，同时，基极也提供相应大小的空穴流充电，故分电流形成了基极 电流的一部分。 对势垒电容充放电的时间常数设为 C （也称为集电极延迟时间）。 综上分析可以看到，与直流电流传输情况相比，在交流小信号电流的传输过程中，增加了 4个信号电流的损失途径： ① 发射结发射过程中的势垒电容充放电电流； ② 基区输运过程中扩散电容的充放电电流； ③ 集电结势垒区渡越过程中的衰减； ④ 集电区输运过程中对集电结势垒电容的充放电电流。 这 4个途径的分流电流随着信号频率的增加而增大，同时使信号产生的附加相移也增加。 因此，造成电流增益随频率升高而下降。 2．共基极交流放大系数及其截止频率 （ 1）交流放大系数  共基极交流电流放大系数  定义为：在共基极运用时，将集电极交流短路（ C 和 B之间交流短路），此时的集电极输出交流电流 ic 与发射极输入交流电流 ie 之比，即 )0( CBec  Vii 设 发射极到集电极总延迟时间为  CDBEEC  ， 则交流小信号共基极接法 电流放大系数可表示为 ff   /j1/j1j1 00EC0  式中， f  21EC ； 0 →直流或低频共基极电流放大系数； f →信号频率。 第二章 双极结型晶体管 21 （ 2）截止频率 f 上面分析表明，电流放大系数的幅值随频率升高而下降，相位滞后则随频率升高而增大。 当频率上升到 ff  时，  降到其低频值的 2/1 （即  02/1 ），此时的频率 f 称为共基极截止频率（或  截止频率），其值为 )(2 12 1 CDBEEC  f 对于一般的高频晶体管，由于基区宽度较宽， B 往往比 E 、 D 、 C 大得多，所以通常在 MHz500f  时，四个时间常数中， B 往往起主要作用。 3．共发射极交流放大系数及其截止频率 （ 1）交流放大系数  共发射极交流电流放大系数  定义为： 在共发射极运用时，集电极交流短路（ C 和E 间交流短路），集电极输出交流电流 ic 与基极输入交流电流 ib 之比，即 )0( CEbc  Vii 由 关系式 iii bce  可得  eeec ecce cbc 1/1 /  ii iiii iii 其中， )0(CEece  Vii，它与共基极小信号电流增益  不同，其差别在于：  要求 C、B 间交流短路， e 为 C、 E 间交流短路。 对于一般的晶体管有 e ，因此 e 可以认为就是共基极小信号电流增 益，从而可得 )/(j1 111 00ee ff    其中用到 ff  /j1 0， 00 1 1 )/(j1 0 0 ff  ff /j1 0 其中  0ff  可见，共射极小信号电流增益也是复数，与  一样，其幅值随频率升高而下降，相位滞后随频率升高而增大。 第二章 双极结型晶体管 22 （ 2）截止频率 f 当频率升高到 ff时，  下降到低频或直流值 0 的 2/1 ，这时的频率 f称为共发射极截止频率，其值近似为 )(2 1 CDBE00    ff 一般晶体管的 0 是比较大的，可见，共射极电流增益截止频率比共基极电流增益截止频率低得多，即 ff，这也说明共基极晶体管放大器的带宽（即截止频率）比共射极晶体管放大器的带宽大得多。 4．晶体管的频率特性曲线和极限频率参数 （ 1）频率特性曲线 通常在晶体管手册中给出的电流放大系数是在低频（一般为 1000Hz）的情况下测定的。 对于共发射极接法通常用 0 表示；对于共基极接法通常用 0 表示。 慢慢升高测量频率，测出不同频率下的电流放大系数，以电流放大系数的分贝数作为纵坐标，以频率作为横坐标作图，可得到 如图所示的晶体管频率特性曲线。 电流放大系数的分贝（ dB）值定义为  lg20)( 分贝  lg20)( 分贝 从图可以看出，在低频范围内，电流放大系数等于低频时的 0 （或 0 ），而当频率进一步升高时，它们就开始下降。 ① f （也称  截止频率）：是当共基极电流放大系数  下降到 0 的 2/1 （ ）倍时所对应的频率。 此时  的分贝值下降 3dB。 ② f （也称  截止频率）：是当共发射极电流放大系数  下降到低频 0 的 2/1（ ）倍时所对应 的频率。 此时  的分贝值下降 3dB。 第二章 双极结型晶体管 23 （ 2）特征频率 fT 从 f的定义可知，当 ff时，  将下降到  以下，但电流放大系数仍有相当高的数值。 例如，设晶体管的 1000 ，当 ff时， 20  ，所以 f并不能反映实际晶体管的使用频率极限。 为了表示晶体管具有电流放大作用的最高频率极限，引入特征频率 fT ， 定义为 ：随着频率的增加，晶体管的共射电流放大系数  降到 1 时所对于的频率。 显然，当 ff T。