半导体器件与物理课件4

上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理晶体管的频率特性与功率特性第4章4.1晶体管的频率特性4.2高频等效电路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RT4.6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4.8习题上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理●——本章重点晶体管的频率特性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上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理在交流工作状态下，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。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理主要的高频参数•截止频率•特征频率•高频功率增益•最高振荡频率上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理4.1晶体管的频率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理α截止频率（共基极截止频率）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/时的频率。即=时，|α|=α0/。ff2ff2上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理β截止频率表示共发射极短路电流放大系数的幅值|β|下降到低频值β0的1/时的频率。即=时，|β|=β0/ff2ff2上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理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。f上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理特征频率表示共射短路电流放大系数的幅值下降到|β|=1时的频率。它是晶体管在共射运用中具有电流放大作用的频率极限。TfTf上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理从图可以看出，上述几个频率参数间有如下关系且很接近当工作频率满足关系时，|β|随频率的增加，按-6dB/倍频的速度下降。fffTTfffff上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理最高振荡频率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。当时，晶体管停止振荡。mfmfmff上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理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上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理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。）0vecBC0ii上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理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）CTepeneeiiii上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理交流发射效率频率增高，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。eCTepeeneiii1ii上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理扩散电容分流电流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)。)0(iiiincVRCDene上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理交流基区输运系数频率越高，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。neCDeVRnenc*iii1i)0(i上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理集电结空间电荷区输运系数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)。频率越高，位移电流越大，使βd随着频率增高而下降。)0(i)x(incmncd上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理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inccinc(xm)=incc+iCTc上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理集电区衰减因子αc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。)x(iimncncccpcnccciii上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理集电区倍增因子α*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）nccc*ii上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理共基极交流短路电流放大系数α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）。*nenceneeci)0(iiiii上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理交流放大系数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。α0共基极短路电流放大系数的低频值α截止频率ffj10f上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理定量分析（略）e0j1交流发射效率eTeerCτe发射极延迟时间re发射结动态电阻CTe发射结势垒电容上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理b/jm*0*/j1ebm超相移因子（剩余相因子）交流基区输运系数ωb基区渡越截止频率上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理ddj11集电结空间电荷区输运系数集电结空间电荷区延迟时间τd上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理ccj11集电区衰减因子τc=rcsCTc集电极延迟时间rcs集电区串联电阻CTc势垒电容上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理共基极短路交流电流放大系数α和截止频率将以上各个系数的表达式代入α表达式f/11100jemjebbjmcdbejm上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理对发射结处，基区侧扩散电容CDe的充电延迟时间，即由α表达式可以看出，交流电流放大系数α是复数，其幅值随频率升高而下降，相位滞后则随频率升高而增大。从而从定量分析的角度证实了定性分析的正确性。bDeebCr上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理α截止频率由放大系数表达式，令其等于低频值α0的1/的时候，可以求出α截止频率。其表达式如下：cdbemf1212（4-7）上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理以上得出的短路电流放大系数α和截止频率的表达式对均匀基区和缓变基区均适用。计算时只须代入各自的延迟时间和不同的超相移因子m的值即可。f上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理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。00CEVbcii上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理共发射极短路电流放大系数/1/0jebjm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）上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理β截止频率载流子从发射极到集电极总的传输延迟时间0021efdcbee00eP79上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理与的关系ff0)1(mffff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。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理晶体管的特征频率共射电流放大系数|β|下降到1时的频率是共射运用限制频率，即特征频率。11||2120ffT0021eTff上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第四章晶体管的频率特性和功率特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理提高特征频率的途径•减小基区宽度Wb；•缩小结面积A；•适当降低集电区电阻率；•适当减小集电区