BJT的主要电学性能参数

BJT的主要电学性能参数(小结)
BJT的电学性能参数大体上可分为四类：
（1）直流性能参数：
①直流电流放大系数αo和βo：
BJT的直流电流放大系数就是输出直流电流与输入直流电流之比，其数值大小表征着直流放大的性能。

电流放大系数与BJT的应用组态有关：共基极BJT 的直流电流放大系数为αo≈Ic/Ie；共发射极BJT的直流电流放大系数为βo（或者hfe）≈Ic/Ib。

注意，在计算电流放大系数时都未考虑集电结的反向电流。

电流放大系数与工作点有关，当偏置的电流或者电压超过某一定数值时即将下降（这是由于Kirk效应和Early效应等影响的结果）；并且也与温度有关（因为BJT的电流具有正的温度系数的关系），将随着温度的升高而增大。

βo的数值一般为50～200。

较大电流放大系数的晶体管不仅可以获得较大的电压增益；而且也将有利于在小电流下使用，以获得较高的输入交流电阻和较低的噪声，这是低噪声晶体管所要求的。

②反向电流：
Icbo～发射极开路的集电结反向电流。

在发射极开路时，因集电结的抽出作用将造成发射结上有一定的浮空电势，但无电流从发射极流入（发射结边缘处的少数载流子浓度梯度为0），然而却有电流从集电极流出——这就是Icbo，实际上就是共基极组态的集电结反向饱和电流。

ICBo要大于晶体管处于截止状态时的集电结反向饱和电流。

Iceo～基极开路的C-E之间的反向电流，又称为穿透电流。

在基极开路时，因为发射结正偏、集电结反偏，所以这是共发射极组态BJT的一种特殊放大状态（即为共发射极放大组态中的输入开路情况）；虽然这时的基极电流为0，但是却有很小的集电结反向饱和电流Icbo通过晶体管，并被放大b倍后再从集电极流出——这就是Iceo：
晶体管的穿透电流Iceo要比Icbo大得多。

并且当集电结有倍增效应（倍增因子为M）时，该穿透电流将更大：
穿透电流Iceo不但大于Icbo，而且也大于发射结短路时C-E之间的反向电流——Ices，这是由于这时通过发射结的电流只是集电结反向饱和电流Icbo的一部分（有一部分被短路掉了），所以输出电流Ices要小于β Icbo=Iceo。

Iebo～集电极开路的发射结反向电流。

该反向电流与Icbo一样，数值很小，但要比晶体管处于截止状态时的漏电流大。

③饱和压降：
Vbes～发射极饱和压降。

是共发射极晶体管在饱和状态工作时、B-E电极之间的电压降；该电压实际上也就是使晶体管产生饱和导通所需要的最小输入电压，一般近似为发射结的正向导通电压（Si-BJT约为0.7V）。

Vces～集电极饱和压降。

是共发射极晶体管在饱和状态工作时、其C-E电极之间的电压降；该电压反映了晶体管开启状态的性能，实际上也反映了晶体管饱和导通时的功耗大小（饱和电流Ics与Vces的乘积就等于饱和时的功耗），应该越低越好。

晶体管的Vces主要来自于串联电阻。

对于合金晶体管，则来自于输入端的串联电阻（可能是基极电阻）；对于双扩散外延平面晶体管，则来自于集电极串联电阻（集电区材料电阻以及电极接触电阻）。

④发射结电压Vbe：
电压Vbe即是指晶体管处于导通状态时的发射结电压，主要决定于发射结的势垒高度，与半导体掺杂浓度和温度有关。

对于Si-BJT，一般VBE=0.6V～0.7V。

当环境温度升高时，发射结势垒高度降低，则VBE减小（即发射结电压具有负温度系数）。

发射结电压的温度系数与一般p-n结正向电压的温度系数相同，即Si-BJT发射结的约为–2mV/K，Ge-BJT发射结的约为–1mV/K。

此外，Vbe也将随着集电极电流的增加而有所下降，这是由于电流会引起晶体管发热的缘故（这种作用容易导致BJT电流增大而发生热击穿，需要在应用电路设计中加以防止）。

（2）极限性能参数：
①击穿电压：
BVcbo～发射极开路时的集电结击穿电压。

这是共基极BJT所能够承受的最高集电结反向电压。

该击穿电压对应于反向电流Icbo的急剧增加，与临界击穿电场EC和半导体掺杂浓度N的关系为：
半导体的掺杂浓度越低，势垒区中的电场分布越均匀，该击穿电压就越高。

BVceo～共发射极BJT在基极开路时的集电结反向击穿电压。

这是共发射极BJT的集电结所能够承受的最大反向工作电压。

Vceo要低于Vcbo。

该击穿电压对应于反向电流Iceo的急剧增加。

因为Iceo要比Icbo约大βo倍，因此击穿电压BVceo相应地要比BVcbo低得多：
为了提高BVceo，就必须提高BVcbo；并且为了获得较高的BVceo，晶体管的bo不可选取得过大。

BJT发生电击穿的主要机理是雪崩击穿——一次击穿、以及一次击穿之后的二次击穿两种机理。

对于大功率晶体管，二次击穿往往起着限制BJT安全工作区的重要作用。

②最大集电极工作电流Icm：
BJT由于存在Kirk效应或者Webster效应、以及发射极电流集边效应，则它的直流电流放大系数将会随着集电极电流的增大而下降。

BJT的最大集电极电流ICM就是共发射极直流电流放大系数bo由最大值下降到一半时的集电极电流；Icm也就是晶体管具有显著电流增益的最大容许工作电流。

对于Si外延平面晶体管，最大集电极电流密度主要决定于集电区掺杂浓度和外延集电区的厚度。

由于发射极电流集边效应，则最大集电极电流与发射结面积并不存在正比关系；增大发射极的周长/面积比和减小基极电阻等，可以提高最大集电极电流。

至于发射极周边线电流密度Jcml的选取，按照经验，对于线性放大晶体管的取值较为严格（Jcml=0.012~0.04 mA/mm），对于开关晶体管的取值较为宽松（Jcml= 0.12 ~ 0.5 mA/mm），而对于功率晶体的取值居于其间（Jcml=
0.04~0.16 mA/mm）。

③最大耗散功率Pcm：
BJT工作时，就有一定的功耗（耗散功率）Pc，即要消耗功率而发热，而消耗的功率主要是在集电结上（Pc≈IcVbc），则集电结温度将要上升；但对于一定半导体的p-n结都存在一个最高结温Tjm（对于Si/p-n结为150~200oC，对于Ge/p-n结为85~125oC），因此晶体管也就相应地存在一个最大耗散功率Pcm，即集电结的结温升高到到Tjm时的耗散功率。

最大耗散功率就限制了BJT 的最高工作电压和工作电流，从而也就限制了晶体管的最大输出有用功率（因为输出功率与耗散功率成正比）。

BJT的最大耗散功率与环境温度Ta和热阻Rt有关（环境温度越低、热阻越小，则Pcm越大）；并且最大耗散功率还与工作状态有关，在瞬态工作时，最大耗散功率Pcms将有所增大（Pcms≥Pcm）。

提高BJT的最大耗散功率的主要措施就是减小热阻（主要是管芯的内热阻）和降低环境温度；特别，对于大功率晶体管，必须要散热良好。

（3）交流性能参数：
①截止频率：
因为BJT具有势垒电容等效应，则它的输入阻抗、因而放大性能将会随着工作频率的升高而下降，从而BJT就存在有一定的截止频率。

根据BJT的应用组态和要求的不同，BJT的截止频率则有几种不同的形式。

截止频率与BJT的工作点有关，在适当的工作电流和工作电压时具有较大的数值，高于或者低于一定的电流和电压时即将下降。

a）共发射极组态截止频率fβ ：是共发射极BJT的小信号电流放大系数的模|β|由低频值βo下降3dB时的频率。

在低于此fβ工作时，BJT具有很好的电流放大性能，否则放大性能较差。

b）特征频率ft ：是共发射极BJT的|β|=1时的工作频率，也就是共发射极BJT具有电流放大作用的最高工作频率，又称为电流增益-带宽乘积。

ft高于fβ，并且可以通过在较低频率下的测量来确定ft：fT≈ βofβ = |β|f .
ft可以采用4个时间常数来表示：ft = 1/[2π(te+tb+tc+td)] .
其中te是发射结势垒电容的充电时间，tb是基区渡越时间，tc是集电结势垒电容的充电时间，td是载流子漂移通过集电结势垒区的渡越时间。

对于一般的高频BJT，往往是基区渡越时间tb起主要限制作用；对于ft很高的BJT，主要
是考虑其他3个时间常数（te、td和tc）的影响。

此外，电极欧姆接触和各种寄生电容的影响也是限制ft的重要因素。

c）共基极组态截止频率fα：是共基极BJT的小信号电流放大系数的模|a|由低频值αo下降3dB时的频率。

fα要远高于fβ，而且fα很接近、但又略高于ft：fα = (βo+1) fβ ≈ ft+fβ , fβ << ft ≤ fα .
fβ远低于fα的主要原因就是在共发射极组态中存在有集电结电容的分流作用（集电结电容是一种Miller电容）。

d）最高振荡频率fm ：
最高振荡频率就是BJT的最佳高频功率增益Gpm下降到1（即0dB）时的工作频率。

在此频率以上时，BJT不但没有电流增益，而且也没有功率增益，即振荡再也不能维持。

BJT的最高振荡频率fm与特征频率ft有关，而且可以用功率增益Gpm和平里f表示为
晶体管的高频优值（功率增益-带宽乘积）Gpm f2是一个与频率无关、只决定于晶体管的内部参数的能够全面反映BJT的频率和功率性能的一个重要参数（越大越好）。

②基极电阻rb ：
BJT的基极电阻rB是表征晶体管性能好坏的一个重要结构和材料参数。

基极电阻包括基区扩展电阻和欧姆电阻两个部分；一般，基区扩展电阻是基极电阻的主要部分。

基极电流在扩展电阻上所产生的横向压降是导致晶体管出现发射极电流集边效应的根源；同时，基极电阻也是影响晶体管的频率特性、开关特性和噪声特性的重要因素；此外，基极电阻还将要产生电压反馈，并且影响到晶体管的输入阻抗、功率增益和电流容量等。

在设计和制造时必须尽量减小基极电阻。

③电容：
晶体管的电容效应是导致其电流放大系数在高频时下降的根本原因。

晶体管电容有势垒电容和扩散电容两种。

发射结的势垒电容和正偏下的扩散电容，集电结的势垒电容以及在反偏时、由于Early效应而产生的扩散电容，都
是限制BJT最高工作频率的重要因素。

一般，晶体管的特征频率fT就主要决定于这些电容的充放电时间常数。

发射结的扩散电容关系着少子的存储作用，因此也将影响到开关速度。

④跨导gm和输入交流电阻re ：
BJT的跨导gm是表征其输入电压（Vbe）对输出电流（Ic）的控制能力的一个小信号参数。

因为BJT的输出电流（Ic）与输入电压（Vbe）具有指数函数关系，所以BJT具有很大的跨导：gm≈(q/kT)Ie
实际上，BJT的跨导也就近似为它的输入交流电导，即为输入交流电阻re 的倒数。

输入交流电阻表示为: re=kT/(qIe)。

BJT的跨导与发射极电流成正比、与温度成反比。

在室温下，BJT的输入交流电阻很小，则跨导总是很大的。

一般，BJT的输入交流电阻也就是其发射结的小信号交流电阻。

对于共基极组态BJT，因为输入电流是发射极少数载流子扩散电流，则输入交流电阻要受到Early效应的影响而有所降低；对于共发射极组态BJT，因为输入电流是基极多数载流子电流，则输入交流电阻不会受到Early效应的影响，相对较大一些。

对于共集电极组态BJT，因为输入端是集电结，而且输入电流是基极多数载流子电流，则输入交流电阻要更大一些。

⑤输出电阻：
BJT的本征输出电阻分为输出直流电阻和输出交流电阻两种，都可以由BJT 的输出伏安特性求得。

对于饱和状态的BJT，输出电压很低，则输出电阻很小，输出直流电阻≈输出交流电阻。

对于放大状态的BJT，输出电流饱和，输出直流电阻总是小于输出交流电阻。

在理想情况下，输出伏安特性曲线是水平线，则输出交流电阻ro=∞；在考虑Early 效应等的影响之后，输出电流即不饱和（输出伏安特性曲线向上倾斜），则输出交流电阻明显减小。

Early电压VA越小，输出交流电阻就越大：ro ≈ |VA|/Ic .
放大状态的输出交流电阻直接关系到BJT的电压增益，输出交流电阻越小，增益就越低。

因此，需要尽量防止或者削弱BJT的Early效应。

不过，对于共基极组态BJT的输出交流电阻，受到Early效应的影响却不大（因为这里的电流放大系数小于1）。

然而共集电极组态BJT的输出交流电阻受到Early效应的影响很大，因此这种组态BJT的输出交流电阻最小。

（4）特征参数：
这是指反映晶体管某种特点的一些参数。

例如反映高频特性的特征频率fT；反映大功率特性的输出功率Po和功率增益GP；反映低噪声特性的噪声系数NF；反映高速开关特性的开关时间和饱和压降。

①最佳高频功率增益Gpm：
BJT的最佳高频功率增益完全决定于其本身的参数（特征频率ft、基极电阻rb、集电极输出电容和发射极引线电感）.
并且在f>fβ时，Gpm随着工作频率f的平方成反比地下降。

导致功率增益下降的根本原因就在于晶体管电流放大系数的下降、输出阻抗的降低和输入阻抗的升高。

为了提高晶体管的最佳高频功率增益，就应当设法提高ft、降低rb、减小电容和电感等寄生参量。

②噪声系数Nf：
噪声系数就是单位信号功率增益下、晶体管对噪声功率的放大倍数
（PNo/PNi）。

为了表征晶体管本身所产生的噪声大小，引入所谓噪声系数F：晶体管噪声的来源，与p-n结二极管的噪声类似，主要有三种：热噪声（Johnson噪声）、散粒噪声和闪变噪声（1/f噪声）。

热噪声和散粒噪声都是与频率无关的白噪声。

晶体管的热噪声主要来自于基极电阻。

③开关时间：
BJT的开关时间包括开通时间和关断时间这两个时间，实际上往往是关断时间起着决定的作用。

开通时间又分为延迟时间和上升时间；关断时间又分为存储时间和下降时间。

开关时间主要由发射结和集电结的势垒电容以及基区中少数载流子存储的
数量来决定。

这四个开关时间中往往是存储时间较长，起着限制BJT开关速度的作用；存储时间主要是基区和集电区中过量存储电荷的消逝时间。

采用
Schottky二极管来箝住BJT的集电结电位，使BJT不进入过深的饱和状态，则可减小过量存储电荷的数量，从而能够缩短存储时间。

此外，晶体管的管壳电容、布线电容等所引起的附加电容也对开关时间有着很大的影响，这些附加电容的不良作用主要是将导致下降时间有所延长。