[理學]微電子器件ppt課件

1、 對高頻信號進展放大時，首先用被稱為對高頻信號進展放大時，首先用被稱為 “偏置偏置 或或 “任務(wù)點任務(wù)點 的直流電壓或直流電流使晶體管任務(wù)在放大區(qū)，然后的直流電壓或直流電流使晶體管任務(wù)在放大區(qū)，然后 把欲放把欲放大的高頻信號疊加在輸入端的直流偏置上。大的高頻信號疊加在輸入端的直流偏置上。 當信號電壓的振幅遠小于當信號電壓的振幅遠小于kT/q時，稱為時，稱為 小信號。這時小信號。這時晶體管內(nèi)與信號有關(guān)的各電壓、電流和電荷量，都由直流偏置晶體管內(nèi)與信號有關(guān)的各電壓、電流和電荷量，都由直流偏置和高頻小信號兩部分組成，其高頻小信號的振幅都遠小于相應(yīng)和高頻小信號兩部分組成，其高頻小信號的振幅都遠小于相應(yīng)

2、的直流偏置。各高頻小信號電量之間近似地成的直流偏置。各高頻小信號電量之間近似地成 線性關(guān)系。線性關(guān)系。 電流、電壓和電荷量的符號以基極電流為例電流、電壓和電荷量的符號以基極電流為例總瞬時值：總瞬時值：其中的直流分量：其中的直流分量：其中的高頻小信號分量：其中的高頻小信號分量：高頻小信號的振幅：高頻小信號的振幅：bBBiIibbbbbedd,eijIjtiIitjtjBIbI 由于各小信號電量的振幅都遠小于相應(yīng)的直流偏置，而且由于各小信號電量的振幅都遠小于相應(yīng)的直流偏置，而且是疊加在直流偏置上的，所以可是疊加在直流偏置上的，所以可 將小信號作為總瞬時值的將小信號作為總瞬時值的 微分微分來處置來處

3、置 。仍以基極電流為例，即：。仍以基極電流為例，即：Bbdii BbdIi 或或 隨著信號頻率隨著信號頻率 f 的提高，的提高， 和和 的幅度會減小，相角的幅度會減小，相角會滯后。會滯后。 以以 分別代表高頻小信號的發(fā)射結(jié)注入分別代表高頻小信號的發(fā)射結(jié)注入效率、基區(qū)輸運系數(shù)、共基極和共發(fā)射極電流放大系數(shù)效率、基區(qū)輸運系數(shù)、共基極和共發(fā)射極電流放大系數(shù) ，它們，它們都是復(fù)數(shù)。對極低的頻率或直流小信號，即當都是復(fù)數(shù)。對極低的頻率或直流小信號，即當 0 時，它們時，它們分別成為分別成為 。和、flglglg0000和、 以以 PNP 管為例，管為例，高頻小信號電流從高頻小信號電流從流入發(fā)射極的流入發(fā)

4、射極的 ie 到到流出集電極的流出集電極的 ic ，會發(fā)生如下變化：會發(fā)生如下變化：pcccpcpccpcccpcpccpepcepe0eccbiiiiiiiiiiiiiivpeeTEiiCieipeipcipccicieicCTECDECTCpcDEiC pccdcix cTCiC 3.8.1 高頻小信號電流在晶體管中的變化高頻小信號電流在晶體管中的變化 1、高頻小信號基區(qū)輸運系數(shù)的定義、高頻小信號基區(qū)輸運系數(shù)的定義 基區(qū)中到達集電結(jié)的少子電流的高頻小信號分量基區(qū)中到達集電結(jié)的少子電流的高頻小信號分量 ipc ipc 與從與從發(fā)射結(jié)注入基區(qū)的少子構(gòu)成的高頻小信號電流分量發(fā)射結(jié)注入基區(qū)的少子構(gòu)

5、成的高頻小信號電流分量 ipe ipe 之比，之比，稱為高頻小信號基區(qū)輸運系數(shù)，記為稱為高頻小信號基區(qū)輸運系數(shù)，記為 ，即：，即： 基區(qū)輸運系數(shù)隨頻率的變化主要由少子的基區(qū)渡越時間所基區(qū)輸運系數(shù)隨頻率的變化主要由少子的基區(qū)渡越時間所引起。引起。pcpeii (1) 復(fù)合損失使復(fù)合損失使 的物理意義：基區(qū)中單位時間內(nèi)的復(fù)合率為的物理意義：基區(qū)中單位時間內(nèi)的復(fù)合率為 ，少子在渡越時間少子在渡越時間 b 內(nèi)的復(fù)合率為內(nèi)的復(fù)合率為 ，因此到達集電結(jié)的，因此到達集電結(jié)的未復(fù)合少子占進入基區(qū)少子總數(shù)未復(fù)合少子占進入基區(qū)少子總數(shù) ，這就是，這就是 。這。這種損失對直流與高頻信號都是一樣的。種損失對直流與高頻

6、信號都是一樣的。 2、基區(qū)渡越時間、基區(qū)渡越時間 的作用的作用 (2) 時間延遲使相位滯后時間延遲使相位滯后 對角頻率為對角頻率為 的高頻信號，集電結(jié)處的信號比發(fā)射結(jié)處在的高頻信號，集電結(jié)處的信號比發(fā)射結(jié)處在相位上滯后相位上滯后 b ，因此在，因此在 的表達式中應(yīng)含有因子的表達式中應(yīng)含有因子 。bej (3) 渡越時間的分散使渡越時間的分散使 減小減小bB1*bBB11*0*0*0* 知在直流時，知在直流時， ，現(xiàn)，現(xiàn) 假定假定 上述關(guān)系也適用于高頻上述關(guān)系也適用于高頻小信號，即：小信號，即： 3、由電荷控制法求、由電荷控制法求 高頻小信號空穴電流的電荷高頻小信號空穴電流的電荷控制方程為控制方

7、程為當暫不思索復(fù)合損失時，可先略去復(fù)合項當暫不思索復(fù)合損失時，可先略去復(fù)合項 。bbpepcBddqqiitBpCbQIbpcbb pcb,qiqi或bBq基區(qū)基區(qū)ipeipc代入略去代入略去 后的空穴電荷控制方程中，得：后的空穴電荷控制方程中，得：pcbpepcbb pcddddiqiijittbBqpebpc(1)iji 再將復(fù)合損失思索進去，得：再將復(fù)合損失思索進去，得：0b1jpcpeb11iij 上式可改寫為上式可改寫為普通情況下，普通情況下，得：得： 式中，式中， 代表復(fù)合損失，代表復(fù)合損失， 代表相位的滯后，代表相位的滯后， 代表代表 b 的分散使的分散使 的減小。的減小。b0B

8、1 bej22b11 1b(tg)022be1j 1bbbb1,1, tg,b022be1j * 4、 在復(fù)平面上的表示在復(fù)平面上的表示20b222b|1|(1)|1OBOAOPOPOBjOBOB 0b(1)OBj OPA與與OAB 類似，因此，類似，因此，0b1j,|,|2OBOAOPOBOAOAOP 可見，半圓上可見，半圓上 P 點的軌跡就是點的軌跡就是 。0OA 由于采用了由于采用了 的假設(shè)而使的假設(shè)而使 的表達式不夠準確的表達式不夠準確 ，由于這個假設(shè)是從直流情況下直接推行而來的。但是在交流情由于這個假設(shè)是從直流情況下直接推行而來的。但是在交流情況下，從發(fā)射結(jié)注入基區(qū)的少子電荷況下，從

9、發(fā)射結(jié)注入基區(qū)的少子電荷 qb ，要延遲一段時間后，要延遲一段時間后才會在集電結(jié)產(chǎn)生集電極電流才會在集電結(jié)產(chǎn)生集電極電流 ipc 。 計算闡明，這段延遲時間為計算闡明，這段延遲時間為 ，m 稱為稱為 超相移因子，超相移因子，或或 剩余相因子，可表為剩余相因子，可表為 5、延遲時間、延遲時間b1mmbpcbqi 對于均勻基區(qū)，對于均勻基區(qū)， = 0， m = 0.22 。098. 022. 0m 這樣，雖然少子在基區(qū)內(nèi)繼續(xù)的平均時間是這樣，雖然少子在基區(qū)內(nèi)繼續(xù)的平均時間是 b ，但是只，但是只需其中的需其中的 時間才對時間才對 ipc 有奉獻，因此有奉獻，因此 ipc 的表達式該當改為的表達式該

10、當改為mmm11bbbb延遲時間延遲時間bbmqqi1bbbbpc同時要添加一個延遲因子同時要添加一個延遲因子 。b1emjmbb001bbee11mjjmmjj 準確的準確的 表達式應(yīng)為表達式應(yīng)為 6、基區(qū)輸運系數(shù)的準確式子、基區(qū)輸運系數(shù)的準確式子 定義：當定義：當 下降到下降到 時的角頻率與頻率分別稱為時的角頻率與頻率分別稱為輸運系數(shù)輸運系數(shù) 的截止角頻率的截止角頻率 與與 截止頻率截止頻率 ，記為，記為 與與 。|021f*bbb11122mmfb0022eee11jmjj 當當 時，上式可表為時，上式可表為于是于是 又可表為又可表為00ee11fjmjmffjjf因子因子 使點使點 P

11、 還須再轉(zhuǎn)一個相角還須再轉(zhuǎn)一個相角 后到達點后到達點 P ，得，得到的到的 的軌跡，才是的軌跡，才是 的軌跡。的軌跡。 輸運系數(shù)的準確式子在復(fù)平面上的表示輸運系數(shù)的準確式子在復(fù)平面上的表示 準確式中的因子的軌跡仍是半圓準確式中的因子的軌跡仍是半圓 P ，但另一個，但另一個j10ejmmPO 1、發(fā)射結(jié)勢壘電容充放電時間常數(shù)、發(fā)射結(jié)勢壘電容充放電時間常數(shù) 由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子構(gòu)成的電流中的高頻小信號分量由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的少子構(gòu)成的電流中的高頻小信號分量 ipe 與發(fā)射極電流中的高頻小信號分量與發(fā)射極電流中的高頻小信號分量 ie 之比，稱為之比，稱為 高頻小信高頻小信號注入效率，記為號注入效率，

12、記為 ，即：，即： epeiipcccpcpccpcccpcpccpepcepe0eccbiiiiiiiiiiiiiiv 當不思索分散電容與寄生參數(shù)時，當不思索分散電容與寄生參數(shù)時，PN 結(jié)的交流小信號等效結(jié)的交流小信號等效電路是電路是 發(fā)射極增量電阻發(fā)射極增量電阻 與電容與電容 CTE 的并聯(lián)。的并聯(lián)。BEeEDEd1dVkTrIgqIiereCTEeb 流過電阻流過電阻 re 的電流為的電流為ebectTETEebdviCj CvdtebeerectTE eerTE ee(1)(1)viiij Crij Crr 流過電容流過電容 CTE 的電流為的電流為eberpeneeviiiriect

13、ier 因此因此 暫不思索從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)構(gòu)成的暫不思索從基區(qū)注入發(fā)射區(qū)構(gòu)成的 ine即假設(shè)即假設(shè) 時，時，10peeTE eeb1111iij CrjeerectpeectpeTE e(1)iiiiiij Cr 再計入再計入 的作用后，得：的作用后，得：式中，式中， ，稱為，稱為 發(fā)射結(jié)勢壘電容充放電時間常數(shù)。發(fā)射結(jié)勢壘電容充放電時間常數(shù)。0eb1jeTEebrC0 2、發(fā)射結(jié)分散電容充放電時間常數(shù)、發(fā)射結(jié)分散電容充放電時間常數(shù)BEDEEBEBbBEBebddddddQQCVVqQVv 本小節(jié)從本小節(jié)從 CDE 的角度來推導的角度來推導 近似式。近似式。 假設(shè)即代入假設(shè)即代入 CDE ，得：

14、，得：bpcb,qibpcb,qipcbDEebiCvWBx0QBQEqb = dQBqe = dQEpcpeDEiiC 流過電阻流過電阻 re 的電流為的電流為 當不思索勢壘電容與寄生參數(shù)時，當不思索勢壘電容與寄生參數(shù)時，PN 結(jié)的交流小信號等效結(jié)的交流小信號等效電路是發(fā)射極增量電阻電路是發(fā)射極增量電阻 與電容與電容 CDE 的并聯(lián)。的并聯(lián)。ebecdDEDEebdviCj CvdtebpeerecdDE eerDE ee(1)(1)viiij Crij Crr 流過電容流過電容 CDE 的電流為的電流為eEkTrqIieipeipcreCDEebiecdiereberevir 因此因此pc

15、bpcDE eebbebpciiCrrvipcpeDE e11iij Cr式中，式中， 再計入復(fù)合損失后得：再計入復(fù)合損失后得：0b1j這與不含超相移因子的這與不含超相移因子的 的近似式完全一致。的近似式完全一致。 暫不思索基區(qū)復(fù)合損失時，暫不思索基區(qū)復(fù)合損失時， erpciipeerecdpcecdpcDE e(1)iiiiiij Cr 3、集電結(jié)耗盡區(qū)延遲時間、集電結(jié)耗盡區(qū)延遲時間 當基區(qū)少子進入集電結(jié)耗盡區(qū)后，在其中強電場的作用下當基區(qū)少子進入集電結(jié)耗盡區(qū)后，在其中強電場的作用下以飽和速度以飽和速度 vmax 作漂移運動，經(jīng)過寬度為作漂移運動，經(jīng)過寬度為 xdc 的耗盡區(qū)所需的耗盡區(qū)所需

16、的時間為的時間為dctmaxxv 當空穴進入耗盡區(qū)后，會改動其中的空間電荷分布，從而當空穴進入耗盡區(qū)后，會改動其中的空間電荷分布，從而改動電場分布和電位分布，這又會反過來影響電流。這里采用改動電場分布和電位分布，這又會反過來影響電流。這里采用一個簡化的模型來表示這種影響。一個簡化的模型來表示這種影響。 設(shè)電荷量為設(shè)電荷量為 qc 的基區(qū)少子空穴進入集電結(jié)耗盡區(qū)后，的基區(qū)少子空穴進入集電結(jié)耗盡區(qū)后，在它經(jīng)過耗盡區(qū)的在它經(jīng)過耗盡區(qū)的 t 期間，平均而言會在耗盡區(qū)兩側(cè)分別感期間，平均而言會在耗盡區(qū)兩側(cè)分別感應(yīng)出兩個應(yīng)出兩個 ( -qc /2 ) 的電荷。的電荷。 當集電區(qū)一側(cè)感應(yīng)出當集電區(qū)一側(cè)感應(yīng)出

17、 ( -qc /2 ) 時，將產(chǎn)生一個向右的電流時，將產(chǎn)生一個向右的電流 。另一方面。另一方面 ，流出耗盡區(qū)的空穴電流比流入耗盡區(qū)的，流出耗盡區(qū)的空穴電流比流入耗盡區(qū)的空穴電流少了空穴電流少了 ，所以，所以 ipcc 成為成為cd12dqtcddqtNPipcipccxdcqc-qc/2-qc/2tpccpcpcctpccpc212iijiijicccpccpcpcddd112dd2dqqqiiittt 平均而言，平均而言，ccpccct pcct pcctd,dqqiqijit代入上式，得：代入上式，得：式中，式中，tdcdmax,22xv稱為稱為 集電結(jié)耗盡區(qū)延遲時間。集電結(jié)耗盡區(qū)延遲時間

18、。pcctpcd11112iijj 4、集電結(jié)勢壘電容經(jīng)集電區(qū)充放電的時間常數(shù)、集電結(jié)勢壘電容經(jīng)集電區(qū)充放電的時間常數(shù) 當電流當電流 ic 流經(jīng)集電區(qū)體電阻流經(jīng)集電區(qū)體電阻 rcs 時，產(chǎn)生壓降時，產(chǎn)生壓降 icrcs 。雖然。雖然 vcb = 0 ，但本征集電結(jié)上，但本征集電結(jié)上c 與與 b 之間卻有壓降，之間卻有壓降，c bc ccbc csvvvi r圖中圖中 c 為緊靠勢壘區(qū)的為緊靠勢壘區(qū)的 本征集電極，或稱為本征集電極，或稱為 內(nèi)集電極。內(nèi)集電極。 c bcccTCTC csTC cs cddddviiCC rj C r itt NPCTCrcsicvcb= 0cbc vcb 將對將

19、對 CTC 進展充放電，充放電電流為進展充放電，充放電電流為 總的高頻小信號集電極電流為總的高頻小信號集電極電流為cpccTC csc1111iij C rj 式中，式中， ，代表，代表 集電結(jié)勢壘電容經(jīng)集電區(qū)的充放電集電結(jié)勢壘電容經(jīng)集電區(qū)的充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)。cpccccpccTC cs ciiiij Cr icTC cspcc(1)ij CricsTCcrCcbbpepcpcccc0eepepcpcc0ebbdce(1)(1)(1)(1)vj miiiiiiiiiijjjj 5、共基極高頻小信號短路電流放大系數(shù)及其截止頻率、共基極高頻小信號短路電流放大系數(shù)及其截止頻率000 式中，式

20、中，bbebTE eTEbE,11.220.098kTCrCqIm，2tdcBbDE edcTC cs2Bmax211,222xWCrCrDv 當當 IE 很大時，很大時， 這時這時0 ； 0 與與 的關(guān)系的關(guān)系CBOECIII 在在 IE 很小或很大時，很小或很大時， 都會有所下降。都會有所下降。, 0ddEI 在正常的在正常的 IE 范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，幾乎不隨幾乎不隨 IE 變化，變化， 這時這時, 0ddEI, 0ddEI 0 與與 也有類似的關(guān)系也有類似的關(guān)系 。EEEC0ddIIII2EB02B1B21112RWRL口口 稱為稱為 信號延遲時間，代表信號從信號延遲時間，代表信號從發(fā)射極

21、到集電極總的延遲時間，那么發(fā)射極到集電極總的延遲時間，那么 可寫為可寫為 當當 時，時，ebbdc()1 b0ebbdce1()j mj 令令ecebbdc，bebbdc()01222ebbdce1()jmebbdc()01222ebbdce1()j 可見，在直流或極低頻下，可見，在直流或極低頻下， 隨著隨著頻率的提高，頻率的提高， 的幅度的幅度 下降，相角下降，相角 滯后。滯后。|ec 定義：當定義：當 下降到下降到 時的角頻率和頻率分別稱為時的角頻率和頻率分別稱為 的截止角頻率的截止角頻率 和和 截止頻率，記為截止頻率，記為 和和 ，即：，即：021ebbdcecb11mbec0ecb01

22、222ecbe1()e1()j mjjmm ecb122 ()fm |。，相角，000f這時這時 與與 的區(qū)別僅在于用的區(qū)別僅在于用 替代替代 。的頻率特性主要由的頻率特性主要由 WB 和和 決議，即：決議，即： 討論兩種情況討論兩種情況(1) 對截止頻率不是特別高的普通高頻管，例如對截止頻率不是特別高的普通高頻管，例如 fa 1 m，此時，此時 ，bebdc() ebbdcb,b00bbee111jmjmjj 00002對對 fa 500 MHz 的現(xiàn)代微波管，的現(xiàn)代微波管，WB 500 MHz 的現(xiàn)代微波管，可忽略的現(xiàn)代微波管，可忽略 ，這時，這時bmTff 對于對于 fa 500 MHz

23、 的晶體管，的晶體管， ec 中以中以 b 為主，這時為主，這時可得可得 的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線flg|lg102也有類似的頻率特性。也有類似的頻率特性。ffj10 由由 實踐丈量實踐丈量 fT 時，不一定要測到使時，不一定要測到使 下降為下降為 1 時的頻率，時的頻率，而是在而是在 的條件下丈量的條件下丈量 可以大于可以大于 1 ，然后，然后根據(jù)根據(jù) ，即可得到，即可得到|Tfff|0T|ffffTT|,()fffff 由于上式，由于上式，fT 又稱為晶體管的又稱為晶體管的 增益帶寬乘積。增益帶寬乘積。 高頻管的任務(wù)頻率普通介于高頻管的任務(wù)頻率普通介于 f 與與 fT 之間。之間。 3、特征頻

24、率的丈量、特征頻率的丈量 4、特征頻率隨偏置電流的變化、特征頻率隨偏置電流的變化2dcBeceTEcsTCTEBmax1211222xWkTrCr CfqIDv 小電流時小電流時, ,隨著隨著 IE IE 或或 IC IC 的增大，的增大， eb eb 減小，使減小，使 fT fT 提提高，所以高，所以 fT fT 在小電流時隨電流的增大而提高。但是當電流很在小電流時隨電流的增大而提高。但是當電流很大時，大時， eb eb 的影響變小，甚至可以略去。的影響變小，甚至可以略去。 大電流下，當基區(qū)發(fā)生縱向擴展大電流下，當基區(qū)發(fā)生縱向擴展 WB WB 時，使基區(qū)渡越時間時，使基區(qū)渡越時間 b b 添加。同時，集電結(jié)勢壘區(qū)厚度將減小添加。同時，集電結(jié)勢壘區(qū)厚度將減小 WB WB ，使集電結(jié)勢，使集電結(jié)勢壘區(qū)延遲時間壘區(qū)延遲時間 d d 變小。但是變小。但是