第四章晶体管的频率特性与功率特性 (2)

ic ie
v BC0 0
发射结势垒电容分流电流iCTe
当发射极输入一交变信号时，发射结空间电荷区宽度 将随着交变信号变化，因而需要一部分电子电流对发射结 势垒电容进行充放电。（有一部分电子电流被势垒电容分 流，形成分流电流iCTe） 所以高频时发射极电流为
i i i i e ne pe CTe
幅值|β|下降到低频值β0的1/
即
时的频率。 2
f
=
f
时，|β|=β0/
2
f 反映了电流放大系数β的幅值
|β|随频率上升而下降的快慢， 但并不是晶体管电流放大的频率极限。 晶体管电流放大的频率极限是后面将要 讲到的特征频率。
特征频率
fT
fT
表示共射短路电流放大系数的幅值
下降到|β|=1时的频率。
二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。
在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器 件特性恶化或失效。
若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对 于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二 次击穿特性，利用此特性可以制成二次击穿振荡 器。
晶体管的功率增益和最高振荡频率 晶体管的大电流特性 晶体管的二次击穿 晶体管的安全工作区
在交流工作状态下，P-N结的电容效 应将对晶体管的工作特性产生影响。
当频率升高时，晶体管的放大特性要 发生变化，使晶体管的放大能力下降。 当晶体管的放大能力下降到一定程度 时，就无法使用，这就表明晶体管的使用 频率有一个极限。
4.6 功率晶体管的二次击穿和安全工作区
二次击穿是功率晶体管早期失效 或损坏的重要原因，它已成为影响功 率晶体管安全可靠使用的重要因素。 自从1957年发现二次击穿现象以 来，二次击穿一直受到极大的重视。
晶体管二次击穿的实验曲线
击穿曲线上可用A、B、C、D四点将其分为四 个区域。 当电压VCE增加到集电结的雪崩击穿电压时， 首先在A点发生雪崩击穿；
inc(xm)=incc+iCTc
集电区衰减因子αc
i ncc c 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。
ic inccipc
共基极交流短路电流放大系数α i c i ne i nc ( 0 ) i e i e i ne
基区电导调制效应 • 小注入：为维持电中性所增加的多子可忽略 • 大注入：为维持电中性所增加的多子不可忽略 基区多子浓度增大导 致基区电导率增大
“基区电导调制效应”
（基区电导率受注入电流 调制）
小注入
大注入
发射极电流集边效应 （基区电阻自偏压效应 ） 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流 流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降， 使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小， 发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此 产生发射极电流集边效应。
雪崩击穿后，集电极电流IC随电压增加很快 上升。当电流增加到B点，并在B点经过短暂的 停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电 流C点，若电路无限流措施，电流将继续增加， 进入低压大电流区域CD段，直至最后烧毁。
二次击穿 器件承受的电压突然降低，电流继 续增大，器件由高压小电流状态突然跃入 低压大电流状态的一种现象。
f α截止频率
共发射极短路电流放大系数及其截止频率 共射短路电流放大系数β：工作在共射状 态下的晶体管在输出端交流短路VCE0=0时，集 电极交流电流ic与基极输入电流ib之比。
ic ib
V CE 0 0
共发射极短路电流放大系数

1 j /
0e
jm /b
共射交流放大系数β也是复数 幅值随着频率升高而下降 相位滞后随着频率升高而增大 （与α 类似）
f 与
f 的关系
f f (1 m)0
f f
说明 共射短路电流放大系数β比共基短路电流 放大系数α下降更快。
因此，共基电路比共射电路频带更宽。
4.3 高频功率增益和最高振荡频率 功率增益表示晶体管对功率的放大 能力。 本节从等效电路入手，用简化方法 求出功率增益表达式，用h参数导出功 率增益的一般表达式和最佳功率增益表 示式。
由基区电阻的不均匀所导致
梳状电极平面晶体管的结构示意图
横向压降随着基区薄层电阻的增大而增 大，随着y的增加而上升。 即发射极条宽越宽，距离发射极中心越 远，则基区横向压降越大，发射极电流集 边效应就越明显。
此外，工作电流越大，基区横向压降也 越大，发射极电流集边效应也就越明显。
防止发射极电流集边效应 为了减小基区横向压降，防止发射极电流集 边效应，应尽量缩小发射极宽度。 但实际晶体管中，最小条宽的选择往往受光 刻和制版工艺水平的限制。 因此，在选择条宽时，既要防止电流集边， 使发射结面积得到充分利用，而尽量选用较小 的条宽；但又不能选取过小的条宽，使工艺难 度增大。
到达集电结边界的电子电流inc(0)，通过集电 结空间电荷区时需要一定的传输时间；耗尽层中 产生位移电流用于维持空间电荷区边界的变化， 使到达集电区边界的电子电流减少到inc(xm) 。
i nc(x m ) d i nc(0)
频率越高，位移电流越大，使βd随着频率增 高而下降。
集电结势垒电容分流电流iCTc 到达集电区的交变电子电流，在通 过集电区时 ，还需要用一部分电子电流 对集电结势垒电容充放电，形成势垒电 容的分流电流iCTc ，真正到达集电极的 电子电流只有incc
它是晶体管在共射运用中具有电流放大 作用的频率极限。
从图可以看出，上述几个频率参数间有如下关系
f fT f
且
fT
很接近
f
当工作频率满足
f f f 关系时，
|β|随频率的增加，按-6dB/倍频的速度下降。
最高振荡频率
fm
fm
表示最佳功率增益等于1时的频率。
晶体管具有功率增益的频率极限。

*
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 频率的升高而下降，相位差随着频率的升 高而增大。

0
f 1 j f
α0 共基极短路电流放大系数的低频值
4.5 晶体管的最大耗散功率PCm和热阻RT 最大耗散功率就是晶体管的主要热限制参数。 因为晶体管在受到电学特性限制的同时，还要受 到热学特性的限制。
总耗散功率 PC
晶体管工作时，电流通过发射结、集电结和 体串联电阻都会发生功率耗散
P I V I V I r C
2 E BE C CBC cs
f T Gf 2 8 r f L C b T e c
2 Pm
f
2
频带宽度
高频优值全面地反映了晶体管的功率和频 率性能，而且只与晶体管本身的参数有关，因 此高频优值是设计和制造高频功率晶体管的重 要依据之一。
4.4 晶体管的大电流特性 较大功率的晶体管需要工作在高耐压和大 电流条件下。而在大电流区域，晶体管的直 流和交流特性都会发生明显变化，电流增益 和特征频率等参数都会随着集电极电流增大 而迅速下降，从而使集电极最大工作电流受 到了限制。
集电极最大电流IcM
共发射极 直流短路电流 放大系数β下降 到其最大值βM 的一半时所对 应的集电极电 流。
以共发射极运用为例，如何根据电源电压Vcc和 输出功率PO的要求来确定IcM。
I 4P / V cM o cc
IcM的数值由输出功率PO和电源电压 Vcc决定。要提高晶体管的输出功率就必 须提高IcM。
主要的高频参数
• • • • 截止频率 特征频率 高频功率增益 最高振荡频率
4.1 晶体管的频率特性
α截止频率
f （共基极截止频率）
f 表示共基极短路电流放大系数的幅
值|α|下降到低频值α0的1/ 即 f = f 时，|α|=α0/ 时的频率。 2 。 2
β截止频率
f
f 表示共发射极短路电流放大系数的
当
f fm
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
共基极交流短路电流放大系数定义为输出 交流短路时，集电极输出交流电流ic与发射极 输入交流电流ie之比，并用α表示。（交流信号 用小写字母表示。）
大电流工作时产生的三个效应 通过晶体管的电流是电流密度和结面积的乘积， 可见要增大电流有两种方法：增大结面积和增加 电流密度。 增大结面积的方法并不可取，（结面积的增大 会导致成品率的降低，并会增大结电容而使晶体 管的高频性能变差）。 然而，电流密度的增加会导致电流放大系数、 特征频率和基极电阻的下降。 以下定性分析大电流密度时产生的三个效应。
ine 发射结注入基区交流电子电流 ipe 发射结反注入空穴电流（基区注入发射结的空穴电流）
交流发射效率
ip eiCTe in e 1 ie ie
频率增高，结电容分流电流iCTe增大， 导致交流发射效率γ下降。 所以，交流发射效率γ随频率的升高而 下降。
扩散电容分流电流iCDe 在交流状态下，注入基区的少子浓度和基 区积累电荷将随着结压降的变化而变化。因此， 注入基区的少数载流子，一部分消耗于基区复 合，形成复合电流iVR外，还有一部分将消耗于 对扩散电容充放电，产生扩散电容分流电流 iCDe，真正到达基区集电结边界的电子电流只 有inc(0)。
功率增益
输出功率和输入功率的比值。
Po GP Pi
最佳功率增益
信号源所供给的最大功率与晶体管向负载输出的 最大功率之比，即是输入输出阻抗各自匹配时的功率增益。
GPm
共射等效电路
共射晶体管的最佳功率增益表达式
fT G Pm 2 8 f r C b Tc
实际晶体管中，集电极的输出阻抗除集电结 势垒电容外，还存在延伸电极电容和管壳寄生电
最大耗散功率表达式
• 稳态
P Cm
Tjm Ta RT
• 瞬态
T T T T jm a jm a P Cms tR C T T R R 1 e Ts T


提高晶体管最大耗散功率的主要措施
• 尽量降低晶体管的热阻RT； • 选用最高结温Tjm高的材料； • 尽量降低使用时的环境温度Ta。
散发出的热量随着温差（Tj-Ta）的增大而增大。
在散热条件一定的情况下，耗散功率PC越大，结 温就越高。
最高结温Tjm：晶体管能正常地、长期可靠工作 的P-N结温度。 与材料的电阻率和器件的可靠性有关。
热阻
表示晶体管散热能力的大小 任意两点间的温差与其热流之比 稳态热阻：直流工作状态下的热阻 RT 瞬态热阻：在开关和脉冲电路中，随时间变化 的晶体管的热阻 RTs
在正常工作状态下，发射结正向偏置电压VBE 远小于集电极反向偏置电压VCB，体串联电阻rcs也 很小。 因此，晶体管的功率主要耗散在集电结上。
P I V C C CB
耗散功率转换为热量，使集电结变成晶体管的发 热中心，集电结温度升高。
当结温Tj高于环境温度Ta时，热量就靠温差由管 芯通过管壳向外散发。
i i i i ( 0 ) ne CDe VR nc
交流基区输运系数
inc ( 0 ) iVR iCDe 1 ine ine
*Βιβλιοθήκη Baidu
频率越高，分流电流iCDe越大，到达 集电结的电子电流inc(0)越小 所以，基区输运系数β*也随着频率的 升高而下降。
集电结空间电荷区输运系数
容等，用Cc表示集电极的总输出电容。
fT G Pm 2 8 rbCc f
最高振荡频率
fm
最佳功率增益GPm=1时的频率，
它是晶体管真正具有功率放大能力的频率限制。 最高振荡频率表达式
fT fm C r fTL c b e 8
1 2
高频优值（增益-带宽乘积）表达式
第 章 晶体管的频率特性与功率特性
4.1 晶体管的频率特性 4.2 高频等效电路
4
4.3 高频功率增益和最高振荡频率
4.4 晶体管的大电流特性 4.5 晶体管的最大耗散功率PCm和热阻RT
4.6 功率晶体管的二次击穿和安全工作区
4.7 高频大功率晶体管的图形结构
● —— 本章重点
晶体管的频率特性