半导体器件物理.ppt

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1、（1）频率对晶体管电流放大系数的影响§2.5晶体管的频率特性按工作频率范围通常把晶体管分为低频晶体管（只能在3MHz以下的频率范围内使用）；高频晶体管（可在几十到几百MHz的频率下使用）；超高频晶体管（能在750MHz以上频率范围内使用的晶体管）。1．晶体管交流特性和交流小信号传输过程导致这种现象的主要是晶体管中载流子的分布情况随交流信号而变化引起的。由于要提供再分布的电荷，消耗掉了一部分注入载流子的电流，变为基极电流。交流信号频率越高，单位时间内用于再分布的电荷也越多，即消耗的电流也越大，输出电流则越小，导致高频时电流放大系数下降。与此同时，交流电流在从发射极传

2、输到集电极的过程中，要经过4个区：发射结、基区、集电结空间电荷区、集电区。显然，完成上述的传输，必然要消耗掉部分电流，也需要一定的时间。所以，随着频率的增高，不仅电流放大系数下降，输出电流相对于输入电流也将产生相移。晶体管工作频率较低时，电流放大系数基本上不因工作频率而改变。但当工作频率高到一定程度时，电流放大系数将随工作频率的升高而下降，直至失去电流放大作用，并产生相位滞后。对于交流小信号电流，其传输过程与直流情况有很大不同，一些被忽略的因素开始起作用了，这些因素主要有4个：①发射结势垒电容充放电效应；②基区电荷存储效应（或发射结扩散电容充放电效应）；③集电结势

3、垒区渡越过程；④集电结势垒电容充放电效应。（2）交流小信号传输过程直流电流在晶体管内部的传输过程是：发射极电流由发射结注入到基区，通过基区输运到集电结，被集电结收集形成集电极输出电流。在这个电流传输过程中主要有2次电流损失（对理想情况）：①与发射结反向注入电流的复合；②基区输运过程中在基区体内的复合。1）发射过程当发射极输入一交变信号时，交变信号作用在发射结上，发射结的空间电荷区宽度将随着信号电压的变化而改变，因此需要一部分电子电流对发射结势垒电容进行充放电。发射极电流中的一部分电子通过对势垒电容的充放电，转换成基极电流的一部分，造成电子流向集电极传输过程中比直流

4、时多出一部分损失，使发射效率降低。由于对发射结势垒电容充放电需要一定时间，因而使电流发射过程产生延迟。设发射结势垒电容充放电时间常数为，称为发射极延迟时间。一般发射极延迟时间为：→零偏压时发射结势垒电容值2）基区输运过程当发射极输入交变信号时，除发射结势垒区宽度随信号变化外，基区积累电荷量也将随之变化。例如在信号正半周，交变电压叠加在发射结直流偏压上，使结偏压升高，注入基区的电子增加，使基区电荷积累增加。因此，注入到基区的电子，除一部分消耗于基区复合而形成复合电流外，还有一部分电子用于增加基区电荷积累，即相当于对扩散电容的充电。同时，为了保持基区电中性，基极必须提

5、供等量的空穴消耗于基区积累，即对扩散电容的充放电电流也转换为了基极电流的一部分。因此，到达集电结的有用电子电流减小，即基区输运系数下降。设电子在基区的输运时间为。假设基区中处，注入少子电子的浓度为，以速度穿越基区，形成的电流为：载流子穿越基区的时间为（注意）又代入上式，可得3）集电结势垒区渡越过程在直流电流传输过程中，由基区输运到集电结边界的电子流，被反偏集电结势垒区内的强电场全部拉向集电区，并且穿过势垒区的时间很短。因此，电子流在势垒区渡越过程中，既无幅度也无相位上的变化，可以认为这一过程对电流传输没有影响。但是，对于交流信号，特别是信号频率较高以致集电结势垒渡

6、越时间可与信号周期相比拟时，就必须考虑集电结势垒区的渡越过程了。交流小信号电流在这一过程中，不仅信号幅度将降低，也会产生相位滞后。由于反偏集电结空间电荷区电场一般很强，当空间电荷区电场超过临界电场强度时，载流子速度就达到饱和，载流子将以极限速度（饱和速度）穿过空间电荷区。对于硅：对于锗：设集电结空间电荷区宽度为，则载流子渡越集电结空间电荷区的时间为：4）集电区传输过程到达集电区边界的电流并不能全部经集电区输运而形成集电极电流，这是因为交变电流在通过集电区时，会在体电阻上产生一个交变的电压降。这个交变信号电压叠加在集电极直流偏置电压上，使集电结空间电荷区宽度随着交变

7、信号的变化而变化。因此，在到达集电区边界的电流中需要分出一部分电子电流对集电结势垒电容充放电，形成分电流，同时，基极也提供相应大小的空穴流充电，故分电流形成了基极电流的一部分。对势垒电容充放电的时间常数设为（也称为集电极延迟时间）。①发射结发射过程中的势垒电容充放电电流；②基区输运过程中扩散电容的充放电电流；③集电结势垒区渡越过程中的衰减；④集电区输运过程中对集电结势垒电容的充放电电流。综上分析可以看到，与直流电流传输情况相比，在交流小信号电流的传输过程中，增加了4个信号电流的损失途径：这4个途径损失的电流随着信号频率的增加而增大，同时使信号产生的附加相移也增加。

8、因此，造成