第3章 晶体管的频率特性
晶体管特征频率的测量
晶体管特征频率的测量晶体管特征频率t f 的测量定义为共射极输出交短路电流放大系数||β随频率增加而下降到1小时的工作频率，它反映了晶体管共发射运用具有电流放大作用的频率极限，是晶体管的一个重要频率特性参数。
t f 主要取决于晶体管的合理的结构设计，但也与晶体管工作时的偏置条件密切相关。
因而，晶体管的特征频率t f 是指在一定集团偏置条件下的测量值 。
其测试原理通常采用“增益－带宽”积的方法。
本实验的目的是掌握晶体管特征频率t f 的测试原理及测量方法，熟悉t f 分别随CE V 和E I 变化的规律，加深其与晶体管结构参数各工作偏置条件的理解，为晶体管的频率特性设计，制造和应用奠定基础。
一、实验原理共发射交流工作下，晶体管发射结电压周期性变化引起发射结，收集结空间电荷区的电荷和其区，发射区，收集区的少子，多子也随之不断重新分布，这种现象可视为势垒电容各扩散电容的充放电作用。
势垒电容各扩散电容的充放电使由发射区通过基区传输的载流子减少，传输的电流幅度值下降，同时产生载流子传输的延时，加之载流子渡越收集结空间电荷区时间的影响，使输入，输出信号产生相移，电流放大系数β变为复数，并且其幅值随频率的升高 而下降，相位移也随频率的升高而增大，因此，晶体管共发射极交流短路放大系数β的幅值和相位移是工作频率的函数。
理论上晶体管共发射交流短路放大系数可表示为β=b b j jm ωωωωβ/1)/exp(0+- (1)其幅值和相位角随频率变化的有关系分别为||β=2/120])/(1[ββf f + (2)ϕ=]/)/([ββωωωωm arctg +- (3)可见，当工作频率f <<βf 时，0ββ≈，几乎与频率无关；当f =βf 时，||β=0β/2, ||β下降3dB ；当时，f >>βf ，||βf =0ββf 。
根据定义，||β=1时的工作频率即为特征频率T f ，则有T f =||βf =0ββf (4) 另外，当晶体管共基极截止频率a f <500MHz 时近似有T f ≈a f /(1+m)，微波管中T f =a f 。
高频复习题第3章高频信号放大器资料
第3章高频信号放大器3.1自测题3.1-1晶体管的截止频率fß是指当短路电流放大倍数|ß|下降到低频ß 0的时所对应的工作频率。
3.1-2矩形系数是表征放大器好坏的一个物理量。
3.1-3消除晶体管y re的反馈作用的方法有和。
3.1-4.为了提高效率，高频功率放大器应工作在状态。
3.1-5.为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，实际中多选择高频功率放大器工作在状态。
3.1-6.根据在发射机中位置的不同，常将谐振功率放大器的匹配网络分为、、三种。
3.2 思考题3.2-1 影响谐振放大器稳定性的因素是什么？反向传输导纳的物理意义是什么？3.2-2声表面波滤波器、晶体滤波器和陶瓷滤波器各有什么特点,各适用于什么场合?3.2-3说明fβ、f Tβ、fɑ和f max的物理意义。
分析说明它们之间的关系3.2-4为什么晶体管在高频工作时要考虑单向化或中和,而在低频工作时,可以不必考虑?3.2-5. 谐振功率放大器工作于欠压状态。
为了提高输出功率，将放大器调整到临界状态。
可分别改变哪些参量来实现？当改变不同的量时，放大器输出功率是否一样大？3.2-6.为什么高频功率放大器一般要工作于乙类或丙类状态？为什么采用谐振回路作负载？谐振回路为什么要调谐在工作频率？3.2-7.为什么低频功率放大器不能工作于丙类？而高频功率放大器可以工作于丙类？3.2-8.丙类高频功率放大器的动态特性与低频甲类功率放大器的负载线有什么区别？为什么会产生这些区别？动态特性的含意是什么？3.2-9.一谐振功放如图3.2-9所示,试为下列各题选取一正确答案：(1)该功放的通角θ为：(a)θ>90。
；(b)θ=90。
；(c)θ<90o。
(2)放大器的工作状态系：(a) 由E c、E B决定；(b)由U m、U bm决定；(c)由u BE max、u CE min决定。
(3)欲高效率、大功率工作,谐振功放应工作于：(a)欠压状态(b)临界状态(c) 过压状态(4)当把图中的A点往上移动时,放大器的等效阻抗是：(a)增大；(b)不变；(c)减小。
（微电子、电子实验）实验三晶体管特征频率fT的测量
实验三 晶体管特征频率f T 的测量
f T 定义为共射极输出交流短路电流放大糸数β随频率增加而下降到 1时的工作频率, 它反映了晶体管共发射极运用具有电流放大作用的频率极限, 是晶体管的一个重要频率特性参数. f T 的大小主除了与晶体管的结构有关外, 还与晶体管工作点有关, 测量原理通常采用增益-带宽积的方法.
一, 实验原理
晶体管发射结电压周期变化引起发射结,收集结空间电荷区的电荷和基区,发射区, 收集区内的多子,少子也随之重新分布, 这种现象可视为势垒电容和扩散电容的充放电作用, 传输电流幅值下降,载流子传输延时, 使输入, 输出信号产生相移, 使电流放大系数β变为复数, 幅值随频率的升高而下降, 相移随频率升高而增大
β=()[]2120/1ββf f +
当f 》f β βf=β0f β β=1
f T =β0f β
二, 实验方法
1, V CE = 10V, I C = 10mA 测量晶体管的f T
2, V CE= 15V I C=0.5mA～15mA, 每隔0.5mA测一点, 绘制f T～I CE关系曲线
3, I CE= 10mA, V CE=1V～20V, 每隔2V测一点, 绘制
f T～V CE关系曲线
4, 改变测试频率重新进行1～3的实验。
晶体管手册
晶体管手册第一章：引言1.1 概述晶体管是一种非常重要的电子器件，被广泛应用于各种电子设备中。
本手册旨在介绍晶体管的基本原理、结构、特性以及常见的应用领域。
1.2 历史回顾晶体管的发展与研究可以追溯到20世纪40年代，由于其在电子行业的革命性作用，晶体管取代了真空管，成为当时电子技术领域的一个重要突破。
第二章：晶体管的基本原理2.1 PN结晶体管的基本原理是基于PN结的特性。
本节将介绍PN结的构成、特性以及在晶体管中的作用。
2.2 工作原理晶体管的工作原理是通过控制电场来控制电流。
本节将详细介绍晶体管的三个重要区域：发射区、基区和集电区的工作原理。
第三章：晶体管的结构和类型3.1 结构晶体管的结构通常包括基底、集电极、基极和发射极等组成部分。
本节将详细介绍每个部分的结构及其作用。
3.2 类型根据结构和应用的不同，晶体管可以分为多种类型，例如NPN型和PNP型。
本节将对不同类型的晶体管进行详细描述和比较。
第四章：晶体管的特性4.1 放大特性晶体管具有放大作用，可以将微弱的输入信号放大到较大的输出信号。
本节将介绍晶体管的放大特性及其测量方法。
4.2 饱和特性晶体管的饱和特性是指当输入信号过大时，晶体管的输出信号达到最大幅度。
本节将对晶体管的饱和特性进行详细介绍。
4.3 频率特性晶体管的频率特性是指输入信号在不同频率下，晶体管的放大能力。
本节将介绍晶体管的频率特性及其对电子设备的影响。
第五章：晶体管的应用5.1 放大器晶体管的最主要应用之一是作为放大器，可以放大音频和射频信号。
本节将介绍放大器的工作原理以及常见的放大器电路。
5.2 开关晶体管也可以用作开关，可用于数字电路、计算机和通信系统中。
本节将详细介绍晶体管作为开关的工作原理和应用场景。
5.3 震荡器晶体管还可用于制造震荡器，产生高频振荡信号。
本节将介绍晶体管在震荡器中的应用以及常见的震荡电路。
第六章：晶体管的未来发展6.1 小型化随着电子设备的小型化趋势，未来的晶体管将更加微小化，以适应更小尺寸的电子设备。
晶体管原理(3-8)
暂不考虑基区复合损失时，
ier ipc
ipc ipe
式中，
1 1 j CDE re
C DE re
ipc b veb
re
ipc ipc
b b
0 再计入复合损失后得： 1 j b
这与不含超相移因子的 的近似式完全一致。
3、集电结耗尽区延迟时间 当基区少子进入集电结耗尽区后，在其中强电场的作用下 以饱和速度 vmax 作漂移运动，通过宽度为 xdc 的耗尽区所需的 时间为
ipe ie
当不考虑扩散电容与寄生参数时，PN 结的交流小信号等效
dVBE 1 kT 电路是 发射极增量电阻 re 与电容 CTE 的并联。 dI E g D qI E
ie re ier iect CTE b 流过电阻 re 的电流为 电容 CTE 的冲放电电流为 iect C TE 因此 ie ier iect
vcb vcc vcb ic rcs
图中 c’ 为紧靠势垒区的 本征集电极，或称为 内集电极。 vc’b 将对 CTC 进行充放电，充放电电流为
dvcb dic icc CTC CTC rcs j CTC rcsic dt dt
总的高频小信号集电极电流为
ic ipcc icc ipcc j CTC rcsic
的直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成 线性关系。
电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例）
总瞬时值： 其中的直流分量：
iB I B ib IB
j t
其中的高频小信号分量： ib I b e 高频小信号的振幅：
Ib
d ib , j I b e j t j ib dt
第三章-双极型晶体管的频率特性
ic
Ic/mA
10
I B 25A
负载线
频率响应
~ VEB
8
ic
~ ic
20
iB
~ iB
iB
n
6
4
工作点
15 10
前面讨论的是晶体管的静态特性 ( 直流 特性 ) ，没有涉及其交流特性，也就是 当一小信号重叠在直流值上的情况。小 信号意指交流电压和电流的峰值小于直 i 流的电压、电流值。 高频等效电路： 图 (a) 是以共射组态晶 p 体管所构成的放大器电路，在固定的 i n 直流输入电压 VEB 下，将会有直流基 p 极电流 IB 和直流集电极电流 IC 流过晶 V~ i 体管，这些电流代表图(b)中的工作点， V V 由供应电压 VCC 以及负载电阻 RL所决 定出的负载线，将以一 1/RL的斜率与 (a)连接成共射组态的双极晶体管 VCE轴相交于VCC。
fT 10
8
f 10
9
1010
频率 / Hz
另外，一截止频率fT(又称特征频率)定义为β的绝对值变为1时的频率， 将前式等号右边的值定为1，可得出
2 f 1 f ( 1 ) f f T 0 0 0 0
因此fT很接近但稍小于 f。
双极型晶体管的频率特性
c
Ic/ A
B
负载线
c
B
B
c
C
B
B
工作点
EB
输出电流
E
EB
CC
EC
CC
(a)连接成共射组态的双极晶体管
（b）晶体管电路的小信号工作状态
B
B
C ~ V
E B
C ~ V
第3章习题解答
第3章习题解答习题来源：严国萍，龙占超，通信电子线路，科学出版社，2006年第一版，2009年第五次印刷，P89～P913-1. 解答晶体管低频放大器主要采用混合参数（H参数）等效模型分析方法；而晶体管高频小信号放大器主要采用形式等效电路（Y参数）以及物理模拟等效电路（混合π参数）分析方法。
分析方法的不同，本质原因在于晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电容，这些电容在频率较高时的作用是不能忽略的。
高频小信号放大器不能用特性曲线来分析，这是因为特性曲线是晶体管低频运用时的工作曲线，是不随工作频率变化的；但晶体管在高频运用时，其结电容不可忽略，从而使得晶体管的特性随频率变化而变化。
因此在分析高频小信号时，不可用特性曲线来分析。
3-2. 解答r bb’含义：从晶体管内部结构可知，从基极外部引线b到内部扩散区中某一抽象点b’之间，是一段较长而又薄的N型（或P型）半导体，因掺入杂质很少，因而电导率不高，所以存在一定体积电阻，故在b-b’之间，用集总电阻r bb’表示。
r b’c含义：晶体管内部扩散区某一抽象点b’到集电极c之间的集电结电阻。
r bb’的影响：r bb’的存在，使得输入交流信号产生损失，所以r bb’的值应尽量减小，一般r bb’为15～50Ω。
r b’c的影响：因为集电结为反偏，所以r b’c较大，r b’c一般为10k～10MΩ，特别是硅管，r b’c很大，和放大器负载相比，它的作用往往可以忽略。
3-3. 解答g m是晶体管的跨导，反映晶体管的放大能力，即输入对输出的控制能力。
它和晶体管集电极静态电流（I E ）大小有关。
3-4. 解答因为高频小信号放大器的负载是一个谐振回路，如果阻抗不匹配，会使输出信号幅度减小，而且会失真，为此，必须考虑阻抗匹配的问题。
3-5. 解答小信号放大器主要质量指标有：增益，通频带，选择性，工作稳定性，噪声系数这5个指标。
三极管特性
晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，在电路中用“V”或“VT”（旧文字符号为“Q”、“GB”等）表示。
晶体管是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。
它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。
一、晶体管的种类晶体管有多种分类方法。
（一）按半导体材料和极性分类按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管管。
按晶体管的极性可分为锗NPN型晶体管、锗PNP晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。
（二）按结构及制造工艺分类晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。
（三）按电流容量分类晶体管按电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。
（四）按工作频率分类晶体管按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管等。
（五）按封装结构分类晶体管按封装结构可分为金属封装（简称金封）晶体管、塑料封装（简称塑封）晶体管、玻璃壳封装（简称玻封）晶体管、表面封装（片状）晶体管和陶瓷封装晶体管等。
其封装外形多种多样。
（六）按功能和用途分类晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。
二、晶体管的主要参数晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。
（一）电流放大系数电流放大系数也称电流放大倍数，用来表示晶体管放大能力。
根据晶体管工作状态的不同，电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。
1．直流电流放大系数直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值，一般用hFE或β表示。
2．交流电流放大系数交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数，是指在交流状态下，晶体管集电极电流变化量△IC与基极电流变化量△IB的比值，一般用hfe或β表示。
晶体管的特征频率
晶体管特征频率的测量一、 目的1、通过实验进一步了解特征频率f T 的物理意义并掌握其测量方法。
2、通过实验了解f T 随偏流、偏压的变化情况。
二、 原理晶体管有高频管和低频管之分，一般来说低频管只能用在3MC 以下的频率范围；而高频管则可以用到几十或者几百MC 的高频范围，有时称超过75MC 的管子为超高频晶体管。
如果使用频率超过了晶体管的频率范围，则晶体管的放大特性就显著地变坏，甚至无法使用。
晶体管放大特性的变坏，是由于讯号频率超过某一值以后，晶体管的电流放大系数开始下降而造成的。
晶体管的共射极电流放大系数β与信号频率f 间的关系为：βββf f j +=10（10-1）式中β0为低频是的电流放大系数，f β为共射极的截止频率（也就是共射极电流放大系数β下降到21β0或0.707β0的频率）。
图10-1画出了晶体管发射极电流放大系数β随频率的变化曲线。
由图可见，在频率比较低时，β基本不随频率变化，它的数值被定义为β0。
当频率比较高时，β值随频率f 升高而下降。
如果讯号频率超过发射极截止频率f β，晶体管的共射极β电流放大系数β就比低频时的β0小的多。
但是，f β并不是晶体管所能使用的最高频率，因为f β下的β值（即0.707β0）仍比1大的多，所以晶体管此时还是有电流放大作用的。
晶体管的实际使用频率可以比f β高。
由10-1式可见，当频率远大于f β(比如f>2f β就可以认为f>>f β)，时有f •β=f •β0=常数 (10-2)因为f T 是β等于1的f 值，因此上式中的常数就是f T 。
所以β•f=f T (10-3)比较确切地反映了晶体管的频率特性。
当频率低于f T 时，电流放大系数β>1，晶体管有电流放大作用；当f<f T ，β<1，没有电流放大作用，所以特征频率f T 是晶体管可以起电流放大作用的最高频率的限度，是共射极电路设计的一个重要依据。
《模拟电子技术基础》第3章 双极型晶体管及其基本放大电路
3.2 双极型晶体管
3.2.4 晶体管的共射特性曲线
2.输出特性曲线—— iC=f(uCE) IB=const
以IB为参变量的一族特性曲线
(1)当UCE=0V时，因集电极无收集
作用，IC=0；
(2)随着uCE 的增大，集电区收集电
子的能力逐渐增强，iC 随着uCE 增加而
增加；
(3)当uCE 增加到使集电结反偏电压
电压，集电结应加反向偏置电压。
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
1. 晶体管内部载流子的传输
如何保证注入的载流
子尽可能地到达集电区？
P
N
IE=IEN + IEP
IEN >> IEP
IC= ICN +ICBO
ICN= IEN – IBN
IEN>> IBN
ICN>>IBN
N
IEP
IE
3. 晶体管的电流放大系数
(1) 共基极直流电流放大系数
通常把被集电区收集的电子所形成的电流ICN 与发射极电流
IE之比称为共基电极直流电流放大系数。
ത
I CN
IE
由于IE=IEP+IEN=IEP+ICN+IBN，且ICN>> IBN，ICN>>IEP。通常ത
的值小于1，但≈1，一般
ത
为0.9-0.99。
ത
3.2 双极型晶体管
3.2.3 晶体管的电流放大作用
3. 晶体管的电流放大系数
(2) 共射极直流电流放大系数
I C I CN I CBO I E I CBO ( I C I B ) I CBO
晶体管 频率
晶体管频率晶体管是一种半导体元件，成型后可用于放大、开关、稳压等不同的应用中。
晶体管的主要优点是尺寸小、重量轻、易于制造和集成电路，它的性能已经得到了不断的提高和改进。
晶体管内部结构复杂，但是可简单地描述成一个三层结构，它有一个n型半导体、一个p型半导体和一个n型半导体组成。
中间的p型半导体称为基区，它的宽度和掺杂浓度是决定晶体管电流放大因子的关键因素。
晶体管的基本工作原理是通过控制基区内的电场来控制晶体管的电流。
在一个npn晶体管中，当基极施加电压，电子从发射区射出，经由基区进入集电区，同时由基极吸收并流回给控制区的离子，将整个晶体管置于放大模式。
晶体管数量庞大，但它们都具有基本的工作特性。
其中最重要的特性之一是频率响应。
频率响应可以定义为晶体管的高频限制，也就是其最大工作频率。
如果晶体管的频率响应不足，则其传输功率将会降低，因此，低频率的信号会被过滤掉。
但是，如果正好能够使用高于中断频率的信号，则会观察到晶体管的非常不同的行为。
例如，晶体管可以被用作功率放大器。
在高频率操作条件下，频率响应是一个非常重要的性能参数。
晶体管频率响应的高低限在一定程度上取决于晶体管的内部结构、集电区的宽度、掺杂浓度、温度等因素。
在高频率操作条件下，晶体管的频率响应可以通过调整基区宽度和收集结电容来提高。
造成高频噪音和减少开关速度的一个重要因素是晶体管收集结电容。
在高频驱动条件下，收集结电容为晶体管钳位的负载，阻碍了收集器的响应，并让晶体管的放大变得更加困难。
为了尽量减少这种影响，通常会选择高功率噪声低、静态电流大、电容小且时间常数短的晶体管。
掺杂过度会导致与内部电路之间的隔离耦合，进而影响到高频特性。
总之，晶体管是现代电子器件最重要的元件之一。
晶体管的现状和未来发展仍然是研究和探索的主题。
频率响应对晶体管的性能有很大影响，因此在应用中需要根据所需的功能和操作频率选择适当的晶体管。
随着技术的不断发展，越来越多的高性能晶体管将涌现出来，推动电子器件的发展和进步。
晶体管的频率特性与功率特性
集电区衰减因子αc
c
i ncc i nc (x m )
集电极输出电流ic应该等于从发射极传输过 来的电子电流incc和集电结反向电流ipc之和。
i c i ncc i pc
集电区倍增因子α*
* ic
i nc c
反向电流ipc一般很小，但当集电区电阻 较大时，输运至集电区的电子电流在体电阻 上产生漂移电场，而漂移电场会使反向空穴 电流增大，从而减小了有效电子电流incc。
（使集电区倍增因子变小）
共基极交流短路电流放大系数α
ic ine inc (0)
ie ie ine
*
在各个传输过程中，由于结电容对传输电 流的分流作用，使传输电流的幅值减小，对电 容充放电所产生的延迟时间，使输出信号同输 入信号间存在相位差（延迟或不同步）。
交流放大系数α是复数，其幅值随着
m 超相移因子（剩余相因子）
ωb 基区渡越截止频率
集电结空间电荷区输运系数
d
1
1
j
d
τd 集电结空间电荷区延迟时间
集电区衰减因子
c
1
1
j
c
集电极延迟时间
τc=rcsCTc
rcs 集电区串联电阻 CTc 势垒电容
共基极短路交流电流放大系数α和截止频率 f
将以上各个系数的表达式代入α表达式
jm
当 f f m 时，晶体管停止振荡。
共基极短路电流放大系数与频率的关系
1. 共基极交流短路电流放大系数的 定性分析
2. 共基极交流短路电流放大系数的 定量分析（略）
3. 共基极交流短路电流放大系数α
和截止频率 f
定性分析
第3章 场效晶体管及场效晶体管放大电路
3.3 场效晶体管的比较
场效晶体 管的分类
FET 场效晶体管
JFБайду номын сангаасT 结型
MOSFET (IGFET) 绝缘栅型
N沟道 P沟道 增强型
（耗尽型）
N沟道 P沟道
耗尽型
N沟道 P沟道
3.3 各种场效晶体管的比较
N
沟
道
绝增
缘 栅
强 型
场P
效沟
应道 管增
强
型
N 沟 道 耗
绝尽 缘型
栅
场P 效沟 应道 管耗
UDS
UGS
iD
++++ + +++
电沟M道O，SF在EUT是DS的利作用用栅下源形电成压i的D.
----
大 电小荷当，的UG来 多S>改少U变，GS(半从th)导而时体控, 沟表制道面漏加感极厚生电， 沟流道的电大阻小减。少，在相同UDS的作 用下，iD将进一步增加。
反型层
开始时无导电沟道，当在UGSUGS(th)时才形成沟 道,这种类型的管子称为增强型MOS管
iD(mA)
漏极饱和电流，用IDSS表示。
当UGS＞0时,将使iD进一步增加。
当UGS＜0时，随着UGS的减小漏
极电流逐渐减小，直至iD=0，对应
iD=0的UGS称为夹断电压，用符号
UP表示。
UP
UGS(V)
N沟道耗尽型MOS管可工作在UGS0或UGS>0
N沟道增强型MOS管只能工作在UGS>0
3. N沟道耗尽型MOS场效应管特性曲线
)2
(
UGS（off）
uGS
0)
第三章 双极型晶体管的频率特性
j nb
Lnb thC nWb
qI pE kT
Yeic
I nC C n ( Wb sh(C nWb ) Vc
)
Ycie
qI nE kT
*
th( Wb )
1
j
nb
]
Lnb shC nWb
Ycic
I nC *C n thC nWb
( Wb ) Vc
1 j nb ]
(3 - 36) (3 - 37) (3 - 38) (3 - 39)
ne
[eCn (Wb x)
2sh(CnWb )
eCn (Wb x) ]e jt
shCn (Wb x) sh(CnWb )
nee
jt
nb(x,t)nb0eqV E kT(1W xb)sshh n(C C (W nW b b)x)neejt nE(1W xb)sshh n(C C (W nW b b)x)nEqkeu Tejt
第三章 双极型晶体管的频率特性
在实际运用中，晶体管大多数都是在直流偏压下放 大交流信号。随着工作频率的增加，晶体管内部各个部位 的电容效应将起着越来越重要的作用，因而致使晶体管的 特性发生明显的变化。
本章讨论在高频信号作用下晶体管的哪些特性参数 发生什么样的变化以及这些这些变化与工作频率的关系等， 以便能更好地认识高频下晶体管特性的变化规律，更重要 的是了解应设计制造什么样的晶体管以满足高频工作条件 的要求。为此，首先介绍晶体管高频工作下的特殊参数， 然后再讨论这些参数与结构、工作条件的关系等。
j n ( W b , t ) j pej n j pqq ec (D 0p,n teq)C kn pET[ b D C qn pE D pcq k ete p(hC 1c (xpxW T ,u th e))( C s un eW eb ) j c t n C q k c c T ( u C n W t b ) h e j ] t
第3章双极晶体管
的。
23
3. 缓变基区晶体管的电流放大系数 （1）缓变基区晶体管的自建电场
基区存在着杂质浓度梯度，这将导致空穴向 浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区中的电 中性将被破坏。为了维持基区的电中性，必然会 在基区中产生一个电场，使空穴做反方向的漂移 运动来抵消空穴的扩散运动。这个为了维持基区 的电中性，而产生的电场称为缓变基区的自建电 场。
对于NPN晶体管，发射效率是注入基区的电子电 流与发射极电流的比值，即有
0
In (X 2 ) IE
对于NPN晶体管，基区输运系数是指到达集电结 的电子电流与注入基区的电子电流的比值，即有
0
In(X3) In(X2)
IC In(X2)
20
因此，可得 0
，
0
和
0
的关系为
0
IC IE
In(X2) IE
In(X3) In(X2)
0
0
所以，可按下面的步骤求解晶体管的电流放大倍数：
第一步 求发射效率；
第二步 求基区输运系数；
第三步 求共基极直流电流放大系数；
第四步 求共射极直流电流放大系数。
21
(1)发射效率
0
1
1 eWb
b Lpe
(2) 基区输运系数
晶体管的直流伏安特性曲线是指晶体管输入 和输出的电流—电压关系曲线。晶体管的三个端， 共有四个参数：输入电流、输入电压、输出电流 和输出电压。可以把任何两个参数之间的关系用 曲线表示出来(以其余两个参数中的一个作为参 变数)得到一族曲线，最常用的是输入特性曲线 和输出特性曲线。
第三章 双极型晶体管及其放大电路
基极开路时，集电极-发射极之间允许施加的最高反向电压，
其值比U (BR)CBO要小一些。
由晶体管的三个极限参数 I CM、PCM 和 U (BR)CEO，可以画出管子 的安全工作区，如图3-8所示。使用中，不允许将工作点设在安 全工作区外。
图 3-7
15
（2）晶体管的极限参数
1) 集电极最大允许电流 I CM
在使用三极管时，I
C
超过
I
时并不一定会使三极管损坏，
CM
但值将逐渐降低。
2) 集电极最大允许功耗 PCM 其大小主要决定于允许的集电结结温。锗管最高允许结温
为 700 C ，硅管可达1500 C ，超过这个值，管子的性能变坏，甚至 烧毁管子。
•
三极管电流放大的实验电路
IB(mA) IC(mA) IE(mA)
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
<0.001 0.70
1.50
2.30
3.10
3.95
<0.001 0.72
1.54
2.36
3.18
4.05
IB
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
IC
<0.001
0.70
1.50
2.30
第3章
双极型晶体管及其放大电路
3.1 双极型晶体管 3.2 基本放大电路的工作原理及其组成 3.3 静态工作点稳定及分压式射极偏置电路 3.4 共发射极电路 3.5 共集电极极放大电路和共基极极放大电路 3.6 多级放大电路 3.7 放大电路的频率响应和阶跃响应 3.8 电流源电路 3.9 应用电路介绍
第3章 晶体管的频率特性
3.1 基本概念
3 .1 .1 BJT 的交流小信号电流增益 1，共基极电流增益（共 基极交流短路电流增益 ）
h fb
ic ie
dI C dI E
|V BC 常数
(3 1)
若考虑信号的相位关系 ，可将其表示为复数形 式
~~iice (3 2 )
通常说的 大小指的是它的模
电流增益也可以用分贝 表示为
3.2 电流增益的频率变化关系-截止频率和特征频率
3.2.1 交流小信号电流的传输过程
发射结势垒电容充放电效应、基区电荷存储效应或发射结扩散电容充放电效应、集 电结势垒区渡越过程、集电结势垒电容充放电效应
一，发射过程
ie ine ipe iCTe (311) 定义发射效率为
ine 1 ipe iCTe (312)
3.1.2 描述BJT频率特性的参数
一，截止频率
一般定义当电流增益下
降到其低频值
的 1 / 2 倍时的频率为 共基极截止频率用 止频率用 f 表示。图 表示为
BJT 的截止频率。 f 表示，共射极截
3 1 表示的关系可
0 或 0 (3 - 6)
1 j f
1 j f
f
f
根据上式可知，
ie
*dc
(318)
低频下，上面四个 分交 量流 很小， 3图 2将退化为
和直流电流传2输 （ 4图b）一致。
3.2.2 共基极电流增益和α截止频率
一，发射效率和发射极
延迟时间常数
i e i ne i pe i CTe ( 3 11 )
定义发射效率为
i ne
i ne
i e i ne i pe i CTe
（超过 f ）
简述晶体管高频放大能力及频率参数
简述晶体管高频放大能力及频率参数晶体管高频放大能力及频率参数晶体管高频放大能力是指晶体管在某一频域内，其具有良好的信号放大能力，能够对输入信号进行功率放大。
晶体管高频放大能力取决于晶体管的频率特性，通常这些特性用多个参数来进行表示，它们包括频率增益特性、最大增益、工作频率、-3dB频率、-20dB频率、最小脉冲宽度、负载电容、负载电阻、失真度和耦合电容等。
频率增益特性：晶体管在不同频率下的增益值，也就是晶体管的频率增益特性，是衡量晶体管高频放大能力的一个重要指标，通常以dB为单位。
最大增益：指晶体管在某一特定频率下的增益最大值，也就是晶体管最大增益，它也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
通常以dB为单位。
工作频率：晶体管的工作频率是指晶体管在保持增益良好的前提下，可以正常工作的最高频率，也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
-3dB频率：指晶体管的增益值从最大增益降落到-3dB的频率，它也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
-20dB频率：指晶体管的增益值从最大增益降落到-20dB的频率，它也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
最小脉冲宽度：指晶体管在放大一个脉冲信号时，所需要的最小脉冲宽度，也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
负载电容：晶体管的负载电容是指晶体管的输出接口上，与输出信号线路相连接的电容，它也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
负载电阻：晶体管的负载电阻是指晶体管的输出接口上，与输出信号线路相连接的电阻，它也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
失真度：晶体管在高频放大时，所产生的信号失真程度，也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
耦合电容：晶体管的耦合电容是指晶体管的输入接口上所连接的电容，它也是衡量晶体管高频放大能力的一个重要参数。
晶体管特征频率
晶体管特征频率晶体管特征频率是指晶体管的最高工作频率，也称为截止频率。
它是晶体管在高频工作时的一个重要参数，决定了晶体管能够承受的最高频率。
在实际应用中，晶体管特征频率越高，其应用范围就越广泛。
一、晶体管特征频率的定义晶体管特征频率是指当输入信号的频率超过该值时，输出信号将被截止或减弱至一个可忽略的水平。
通常情况下，它是指当放大器增益下降至-3dB时对应的输入信号频率。
因此，晶体管特征频率也被称为-3dB截止频率。
二、影响晶体管特征频率的因素1. 晶体管结构：不同类型和尺寸的晶体管具有不同的特征频率。
例如，小尺寸、高电子迁移速度和短载流子寿命等因素可以提高特征频率。
2. 工艺制造：制造过程中使用的材料和技术也会影响晶体管的特性和性能。
例如，在制造过程中使用更加精细的光刻技术可以提高晶体管的特征频率。
3. 工作环境：温度、湿度、电磁场等因素都会对晶体管的特性产生影响，从而影响其特征频率。
三、如何提高晶体管特征频率1. 选择合适的晶体管类型：不同类型的晶体管具有不同的特性和性能，选择合适的晶体管可以提高其特征频率。
2. 优化制造工艺：采用更加精细的制造工艺可以提高晶体管的特征频率。
3. 优化电路设计：通过优化电路设计，例如减小输入和输出电容、增加负载阻抗等方式可以提高晶体管的特征频率。
四、应用场景1. 高频放大器：在无线通信、雷达、卫星通信等领域中，需要使用高频放大器进行信号放大。
此时，需要使用具有较高特征频率的晶体管来实现放大器设计。
2. 射频开关：在射频开关中，需要使用快速切换功能和较高带宽的元器件。
此时，具有较高特征频率的晶体管是一种理想选择。
3. 混合信号集成电路：在混合信号集成电路中，需要同时处理模拟和数字信号。
此时，需要使用具有较高特征频率的晶体管来实现高速数字信号的处理。
五、总结晶体管特征频率是晶体管在高频工作时的一个重要参数，决定了其能够承受的最高频率。
影响晶体管特征频率的因素包括晶体管结构、工艺制造和工作环境等。
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流分量和交流小信号电压成正比关系。从而也得到了基 区少子交流分量边界条件 x 0, n1 (0) ne qnEVe qn V ; x WB , n1 (WB ) nc C c (3 35) 17 kT kT
将少子交流分量边界条件带入n1 ( x) Ae x / LnB Be x / LnB (3 29)
(3 27)
解出n1 ( x) Ae
x / L* nB
Be
x / L* nB
其中L* 定义为基区少子交流扩散长度 nB
16
根据肖克莱边界条件，基区边界少子浓度分别为
q pn ( xn ) p p 0 exp[ (VBJ VA )] KT qV pn 0 exp A (X1 - 72) KT q n p ( x p ) nn 0 exp[ (VBJ VA )] KT qV n p 0 exp A KT
7
为利用(3 7)式可以很方便地在低频（超过f ）
三，最高振荡频率 1，因为即便BJT 在电流增益等于1时，仍旧具有电压放大能力，所以功率 增益仍大于1。 2，定义晶体管的功率增益下降为1 （输入功率等于输出功率）时的频率为 最高振荡频率，用f m 表示。该频率也是晶体管工作的极限使用频率， 一旦超过这个频率，晶体管就失去了任何放大作用。 3，当f fT 后，功率增益G p与工作频率f满足如下关系 fG1/ 2 f m p (3 9) f m也称为功率增益 带宽积 4，另外，高频时信号相位也会产生滞后，大小可由式(3 6)得到。
肖克莱边界条件
0 n(0, t ) nB exp[ q (VE Ve e jt ) / kt] 0 n(WB , t ) nB exp[ q (VC Vc e jt ) / kt]
(3 30) (3 31) kT ，则对上两式 q
当交变信号电压幅值满足 | Ve | 、Vc | |
其中inc ( xmC )表示到达集电区边界的电子电流
12
四，集电区传输过程 交变电流在集电区体电阻上产生一个交变电压降，影响集电结空间电 荷区宽度，即对该势垒电容充放电，形成分流电流iCTc。 定义集电区衰减因子 c来描述这一过程, ic inc ( xmC ) iCTc iCTc c 1inc ( xmC ) inc ( xmC ) inc ( xmC ) (3 17)
因此集电区衰减因子为 iCTc 1 ic 1 c (1 ) (3 65) ic ( xmC ) ic 1 j c 其中 c rC CTc 成为集电极延迟时间，代表通过集电 区串联电阻rC 对势垒电容的充放电时间常数。
20
五，总之，共基极电流增益为 * d c 将前述各项代入并化简，忽略二次幂以上项得到
哈尔滨工业大学（威海）微 TEL：5687574-804
微电子器件原理
第3章 晶体管的频率特性
1
第3章 晶体管的频率特性
在实际运用中，晶体管大多数都是在直流偏压下 放大交流信号。随着工作频率的增加，晶体管内部各 个部位的电容效应将起着越来越重要的作用，因而致 使晶体管的特性发生明显的变化。
d 也称为集电结势垒区延迟时间（或称渡越时间），它等于t d的
一半是因为位移电流的存在，当载流子还在穿越势垒区的过程中 就已经在势垒区输出端感应除了愈之等值得传导电流。
19
四，集电区衰减因子和集电区延迟时间 因为忽略rB时rC、CTc 两端交流电压相等，所以有 iCTc rC jrC CTc ic 1 / jCTc (3 64)
8
3.2 电流增益的频率变化关系-截止频率和特征频率
3.2.1 交流小信号电流的传输过程
发射结势垒电容充放电效应、基区电荷存储效应或发射结扩散电容充放电效应、集 电结势垒区渡越过程、集电结势垒电容充放电效应
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一，发射过程 ie ine i pe iCTe 定义发射效率为 i pe iCTe ine 1 ie ie ie (3 12) (3 11)
* 可见和直流基区输运系数 0 sec h(
0* * (3 39)，其中 b 称为基区渡越时间，它也是注入电流对基区扩散 1 j b
电容充放电而需要的延迟时间。 注意：上面表达式与实际的 *表达式还是有些误差的，需要修正。
18
三，集电结势垒区输运系数和集电结势垒区延迟时间 反偏集电结势垒区电场很强，载流子以极限速度vsl穿过该区域， xmC 所需时间为t d vsl
(3 48)。并且这个过程中还产生了位移电流。
最终得到的势垒区输运系数 jc 1 e j t d d |VBC 常数 (3 62) jnc (0) j t d t d xmC 1 其指数项展开后近似表达式为 d ，其中 d 。 1 j d 2 2vsl
2
3.1 基本概念
3.1.1 BJT 的交流小信号电流增益 1，共基极电流增益（共基极交流短路电流增益） ic dI C h fb |VBC 常数 (3 1) ie dI E 若考虑信号的相位关系，可将其表示为复数形式 ~ ic ~ (3 2) ie 通常说的大小指的是它的模 电流增益也可以用分贝表示为
右端指数项按泰勒级数展开并略去高次项有
直流分量 交流分量
qVe jt n(0, t ) n e (1 e ) nE ne e jt (3 33) kT qV 0 n(WB , t ) nB e qVC / kT (1 c e jt ) nC nc e jt (3 34) kT qnEVe qnCVc 0 qVE / kT 0 qVC / kT 其中nE nB e ，ne ，nC nB e ，nc kT kT 可见少子密度直流分量和直流电压分量成指数关系；交
* *
解出n1 ( x)的表达式并使其对x微分从而得到基区电子电流分布 的交流分量in。 最终得到集电极交流短路（VC 0）时的交流基区输运系数
*
in (WB ) W |VC 0 sec h( B 1 j nB )(3 38) in (0) LnB WB )具有类似形式。它们之间的关系是 LnB
15
相位延迟是i arctan( e )，它也叫作发射极延迟时间。
二，基区输运系数和基区渡越时间 发射极总电压：VBE VE ve (t ) VE Ve e jt (3 22) 集电极总电压：VBC VC vc (t ) VC Vc e jt (3 23) 为推导简单起见认为基区宽度WB是常数。
1 j f f
(3 - 6)
根据上式可知，f 或f 处的大小为
0
2
或
0
2
，因此该频率也叫 3dB频率。
6
二，特征频率 共发射极运用中，定义当共发射极电流增益 下降为1 0dB）时的频率为特征频率fT。因为 （ 共射接法中近似有如下关系 f | | f 0 常数(3 7) 因此有 f | | fT 1 fT 故fT 也称为增益 带宽积。 从图3 1和式(3 6)可知，共射接法中当频率 高于f 后，随频率升高以 20dB / 10倍频程 或者说 6dB / 倍频程下降。fT 不仅可以反映 BJT 使用频率上的限制，而且测量方便，因 得到fT。
0 2 n n nB 1 n 由基区中的少子连续性方程 2 2 (3 24) x LnB DnB t
得到直流分量和交流分量各自满足的方程
0 2 n0 n0 nB 2 0(3 26) x 2 LnB
2 n1 1 j nB n1 0 x 2 L2 nB (3 29)
0 0 0 (3 67) 1 j ec 1 j / 1 jf / f
其中 ec e b d c 发射极到集电极总延迟时间
(dB) 20 lg
4
3.1.2 描述BJT频率特性的参数
5
一，截止频率 一般定义当电流增益下降到其低频值 的1 / 2倍时的频率为BJT 的截止频率。 共基极截止频率用f 表示，共射极截 止频率用f 表示。图3 1表示的关系可 表示为
0
1 j f f
或
0
可见信号频率越高结电容分量iCTe 越大，交流发射效率越小。 另外由于发射结势垒电容充放电需要时间，因此电流传输 过程产生延迟，即信号相位发生变化。
10
二，基区输运过程 ine inc (0) iVR iCDe (3 13) 其中inc (0)表示输运到基区集电结边界的电子电流；iVR 表示基区复合电流； iCDe 表示扩散电容分流电流。 定义交流基区输运系数为
本章讨论在高频信号作用下晶体管的哪些特性参 数发生什么样的变化以及这些这些变化与工作频率的 关系等，以便能更好地认识高频下晶体管特性的变化 规律，更重要的是了解应设计制造什么样的晶体管以 满足高频工作条件的要求。为此，首先介绍晶体管高 频工作下的特殊参数，然后再讨论这些参数与结构、 工作条件的关系等。
其中inc ( xmC )表示到达集电区边界的电子电流, ic为最终集电极流出的电流
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因此，考虑上述四点后总的交流电流增益可表示为： ic * d c ie (3 18)
低频下，上面四个交流分量很小，图3 2将退化为 和直流电流传输图2 （b）一致。 4
14
3.2.2 共基极电流增益和α 截止频率
*
inc (0) i i 1 VR CDe ine ine ine
(3 14)
可见信号频率越高扩散电容电流分量iCDe 越大，到达集电结的有用电子电 流inc (0)越少，交流基区输运系数越小。同样该扩散电容的充放电会使电 流传输过程产生延迟，即信号相位发生变化。