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)/ex p(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 。

所以关系式(26.4)表明当工作频率满足βf <<f <a f 时共发射极交流短路电流放大系数与工作频率乘积是一个常数，该常数即特征频率T f ，亦称“增益－带宽”积。

上式同时还表明||β与f 成反比，f 每升高一倍，||β下降一倍，在对数坐标上就是||β~f 的(-6dB)/倍频关系曲线，图1表示了||β随频率变化的关系。

直接在||β=1的条件下测量T f 是比较困难的，而在工作频率满足βf <<f <<a f 之关系时测得||β，尔后再乘以该测试频率，也就是利用图26.1的线段就可以在较低频率下获得特征频率T f ，使测试变得简单，这就是通常测量T f 的基本原理。

晶体管原理课中分析了特征频率与晶体管结构等参数的基本关系。

在一般情况下晶体管的收集结势垒电容远小于发射结势垒电容，如果再忽略寄生电容的影响，那么特征频率可以
图1电流放大系数与频率的关系
表示为:
=)(2e d b e ττττπ+++ (5) 0
30
40
很明显，T f 是发射结电阻，基区宽度，势垒电容各势垒区宽度等的函数。

而这些参数 虽然主要取决于晶体管的结构，但也与晶体管的工作条件有关，即工作偏置不同T f 也不等。

因此。

通常所说的某晶体管的特征频率是指在一定偏置条件下的测量值。

图2（a ）表示了CE V 等于常数时T f 随E I 的变化。

图2（b ）表示E I 等于常数时，T f 随CE V 的变化。

这种变化是载流子传输时间随工作偏置改变所致。

将关系式e τ≈kT/q E I 代入式(5)，得到
图2（a ）
图 2(b)
1-T f =)1.(2e d b Te E
C I q kT τττπ+++ (6)
一般情况下，在收集极工作电压一定，E I <CM I 时，可近似认为b τ,d τ,c τ与E I 无关，因而通过测量T f 随E I 的变化，并作出1/T f 与1/E I 的关系曲线，由曲线斜率即可求得Te C 的近似值，同时由曲线的截距求得b τ+d τ+c τ的近似值。

T f 的测试装置如图26.3所示。

其中信号源提供βf <<f <a f 范围内的所需要的点频信号电流，电流调节器控制输入被测管的基极电流，测试回路和偏置电源向被测管提供规范偏置条件，宽带放大器则对被
测管的输出信号进行放大，显示系统指示T f 值。

显然显示系统表头指示的参数是经被测管放大了的信号源电流信号，但经测试前后的“校正”各“衰减”处理可转换成相应的||β值。

其过程和原理如下，测前“校正”时被测管开路，基极和收集极插孔短接，旋转电流调节旋扭使T f 指示表头显示一定值，这样就预置了基极电流。

插入被测管测试时T f 显示系统表头就指示了经被测管放大了的输入信号电流。

由于测试过程中被测的基极电流仍保持在“校正”时的值，则取二者的比值就确定了||β，然后乘以信号频率即可得到晶体管的特征频率T f 。

如果测试时取了一定的衰减倍率，那么计算||β时将预置的基极电流也缩小同样倍数其结果不会改变。

图3特征频率测试系统方框示意图
目前，T f 的测量多采用晶体管特征频率测试仪，尽管测试仪的型号不同，但都是依据增益－带宽积的原理而设计的，其结构框图仍可用图3表示，测量方法也基本与上述相同，差别在于测试仪“校正”时要预置基极电流使T f 显示表头满偏，这实际上是信号源输出一恒定其极电流。

因此，
测量时必须进行一定倍频的衰减，否则表头会因超满度而无法读出，有的测试仪其衰减倍率设置在仪器面板上，需要预先设定，而的有测试仪则将一定的衰减倍率设定在了仪器内部结构中，测试时无须考虑，正是由于测试仪信号源输给被测管的基极电流是其极电流是定值 ，所以在T f 显示表头上直接刻划出了||βf 值 ，T f 可以直接读出。

另外，否则不同测试仪的测量范围不同，信号源频率不等，所含测试点频数量也可能不一样。

如:QG-25型信号源测试频率固定为400MHz ，测试范围为400~4000MHz ；QG －16型信号源可以输出10MHz ，30MHz ，100MHz 三个测试频率，测试范围为100~1000MHz 等。

使用哪种测试仪和选用哪个测试频率则要视T f 的范围根据βf <<f <a f 确定。

二，实验内容
1.在规范CE V ,E I 偏置条件下测量所选晶体管的特征频率T f
2. CE V 置规范值，改变E I 测量T f ~E I 变化关系。

3. E I 置规范值，改变CE V 测量T f ~CE V 变化头条。

4.在被测管的发射结并接数pF 电容，观察变化。

5.求出被测管的Te C ,b τ+d τ+c τ的近似值。

6.改变测试频率重新进行1~4的实验。

三.实验的步骤
1.了解所用特征频率测试的测试范围，信号源的工作频率，熟悉使用方法，然后开机预热 。

2.选取被测晶体管样品，从器件手册查出其T f 的规范测试条件。

3.做好测量准备工作。

（1）确定信号源工作频率。

（2）校正测试仪，预置基极电流。

（3）将仪器置测量状态。

4.在规范偏置条件下测量样管的T f 。

5CE V .在规范值测量T f ~E I 关系
6. E I 在规范值测量T f ~CE V 关系
7.在被测管发射结并接pF 电容，重复4,5,6项工作。

8.将测试仪恢复到“准备”状态。

9.改变信号测试频率，重新进行4,5,6,7项实验。

四，数据处理和分析
1.将实验步骤4,5,6,7,9的测试及结果数据列表，并计算相应的||β值。

2.依实验数据分别给出T f ~CE V ,T f ~E I 和1/T f ~1/E I 关系曲线。

3.由1/T f ~1/E I 曲线计算出Te C ,b τ+d τ+c τ值。

4.对实验步骤5,6,7的相应曲线和测量数据进行简要理论分析。

五.思考题
1.特征频率测试原理是什么？在什么条件下成立？
2.影响特征频率的因素有哪些？试从晶体管设计，制造和使用方面分析讨论。

3.如果测试频率分别取f =3βf 和f =5βf ，理论上T f 的相对误差是多少？
4.若晶体管的T f 在两个测试频率的测量范围之内，应取哪一个测试频率？为什么？。