北理工微电子器件复习资料3

三、BJT 原理（下部分）

BJT 的反向和击穿特性；缓变基区物理形状条件下，基极包含四部分电阻；*w β、w γ、w α、w β的频率特性及影响因素；高频小信号模型及含义；获得最大功率增益条件、高频优值（功率增益带宽积）、最高振荡频率及发生振荡的条件；E-M 模型及开关特性。 5、反向特性及集电结雪崩击穿

BJT 在正常工作的情况下，集电结反偏，产生雪崩击穿。共基极和共发射极的输出特性曲线如下图所示。在共发射极情况下雪崩击穿产生负阻区。

基区穿通效应是由于集电结耗尽区扩展，导致基区宽度随之减小，当集电结反偏达到某一个极值时，发射区与集电区之间，只有耗尽层而无中性基区，这种现象称为基区穿通。是基区宽度调变效应（厄尔利效应）的极限情况。 6、基极电阻

基极电阻由四部分串联：

①非工作基区与基极金属的欧姆接触电阻（直线电流） ②基极接触处到基极接触孔边缘下的基区电阻（折线电流） ③基极接触孔边缘下到工作基区边缘的基区电阻（直线电流） ④工作基区的电阻（折线电流） 8、w α、w β频率特性 （1）基本概念

当晶体管对高频信号进行放大时，首先用被称为 “偏置” 或 “工作点” 的直流电压或直流电流使晶体管工作在放大区，然后把欲放大的高频信号叠加在输入端的直流偏置上。

当信号电压的振幅远小于kT q 时，称为小信号。这时晶体管内与信号有关的各电压、电流和电荷量，都由直流偏置和高频小信号两部分组成，其高频小信号的振幅都远小于相应的直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成线性关系。

正偏PN 结：势垒电容和扩散电容；反偏PN 结：势垒电容。 （2）基区输运系数的频率特性

基区输运系数*

**1*

jm f f w e

j f f ββββ-=

⋅+在复平面的轨迹如下图所

示。随着频率升高，基区输运系数的幅度变化是沿着半圆上的P 点，由于相位角随着频率变化，得到P ˊ点。其中，m 为超相移因子。

（3）共基极高频小信号短路电流放大系数

b

0eb b

d c

e (1)(1)(1)(1)j m w j j j j ωτααωτωτωτωτ'

-==

'++++ eb τ为发射结势垒电容的充放电时间；

b 'τ为b τ（基区渡越时间）内对集电结交流电流有贡献的时间；

d τ为集电结耗尽区延迟时间；

c τ为集电结势垒电容的充放电时间；

（4）共发射极高频小信号短路电流放大系数及截止频率、特征频率

00,,w f

f f f f f

f f

βββ

β

βββ⎧⎪⎪⎪==⎨⎪⎪⎪⎩

直流增益、截止频率（增益带宽积）、特征频率之间的关系近似为：T 0f f ββ=。

注意图中和公式中，坐标的取值区别。 9、高频小信号等效电路

高频小信号电流电压方程为

b πbe μcb

πμc m be μcb

o 111I j C V j C V r r I g V j C V r ωωω⎛⎫⎛⎫

=+-+ ⎪ ⎪ ⎪

⎝⎭⎝⎭⎛⎫=++ ⎪⎝⎭

。其

中，

π0e πDE TE

e

μ0o μDE TC o

,,r r C C C r r r C C C r ββ==+==+，CE A o C C

V V

r I I ∂≡=∂。根据公式得到等效电路，如下图所示。

基本知识：电流源转换以及电流源到电压源的互换关系，如下图所示。

共基极等效电路及共发射极等效电路如下图所示。

10、功率增益和最高振荡频率

特征频率T f 代表的是共发射极接法的晶体管有电流放大能力的频率极限。最高振荡频率M f 则代表晶体管有功率放大能力的频率极限。

获得最大功率增益max p K 条件为：晶体管输出等效阻抗与其负载阻抗是共轭关系。

高频优值（功率增益带宽乘积）22max 1p M M K f f =⋅=⋅。

最高振荡频率：晶体管的最大功率增益max p K 下降为1时对应的频率为M f 。

发生振荡的条件：当整个环路的功率增益大于1时，晶体管可以在正反馈的条件下发生振荡。 11、开关特性

（1）晶体管的开关作用如下图所示。

（2）埃伯斯-莫尔等效电路及其等效电路

DC 情况下I/V 曲线，

exp 1exp 1exp 1exp 1BC BE

E ES R CS BC BE

C ES CS qV qV

I I I kT kT qV qV

I I I kT kT αα⎡⎤

⎡⎤

⎛⎫⎛⎫=--+- ⎪ ⎪⎢

⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣

⎦

⎡⎤

⎡⎤

⎛⎫⎛⎫=--- ⎪ ⎪⎢

⎥⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣

⎦

⎣⎦

。

重要的互易关系ES R CS I I αα=，

令

exp 1exp 1BE

F ES BE

R CS qV

I I kT qV

I I kT ⎡⎤

⎛⎫=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣

⎦

，则得到如下图所示的等效电路。

埃伯斯-莫尔输出特性曲线如下图所示。

晶体管瞬态开关特性如下图所示。