實驗3、晶體管特征頻率測量

實驗三、晶體管特征頻率的測量一、目的1、通過實驗進一步了解特征頻率fT的物理意義并掌握其測量方法。2、通過實驗了解fT隨偏流、偏壓的變化情況。二、原理晶體管有高頻管和低頻管之分，一般來說低頻管只能用在3MC以下的頻率范圍（MC：兆周:1Mc=1兆赫MHz=1000千赫KHz）；而高頻管則可以用到幾十或者幾百MC的高頻范圍，有時稱超過75MC的管子為超高頻晶體管。如果使用頻率超過了晶體管的頻率范圍，則晶體管的放大特性就顯著地變壞，甚至無法使用。晶體管放大特性的變壞，是由于訊號頻率超過某一值以后，晶體管的電流放大系數(shù)開始下降而造成的。晶體管的共射極電流放大系數(shù)與信號頻率f間的關系為： （1）式中0為低頻是的電流放大系數(shù)，f為共射極的截止頻率（也就是共射極電流放大系數(shù)下降到0或0.7070的頻率）。圖1畫出了晶體管發(fā)射極電流放大系數(shù)隨頻率的變化曲線。由圖可見，在頻率比較低時，基本不隨頻率變化，它的數(shù)值被定義為0。當頻率比較高時，值隨頻率f升高而下降。如果訊號頻率超過發(fā)射極截止頻率f，晶體管的共射極電流放大系數(shù)就比低頻時的0小的多。但是，f并不是晶體管所能使用的最高頻率，因為f下的值（即0.7070）仍比1大的多，所以晶體管此時還是有電流放大作用的。晶體管的實際使用頻率可以比f高。圖1圖1由1式可見，當頻率遠大于f(比如f>2f就可以認為f>>f)，時有f=f0=常數(shù) (2)因為fT是等于1的f值，因此上式中的常數(shù)就是fT。所以f=fT (3)比較確切地反映了晶體管的頻率特性。當頻率低于fT時，電流放大系數(shù)>1，晶體管有電流放大作用；當f<fT，<1，沒有電流放大作用，所以特征頻率fT是晶體管可以起電流放大作用的最高頻率的限度，是共射極電路設計的一個重要依據(jù)。fT作為晶特管的頻率參數(shù)的另一個優(yōu)點是測量比較方便。由公式（3）可以看出，我們并不需要去測量=1時的頻率來測量fT，而只要在比f高幾倍（如比f高兩倍以上）任一頻率f時測量值，然后求出與f的積就可以了。例如某一晶體管的fT為100MC，而0=20。如果我們需要測出該fT時，我們不必直接測出=1時的f值，而只需要在高于10MC（從公式（1）可以求得f為5MC）的某一頻率下測出對應的值就可以了。fT也被稱為“增益寬帶乘積”。因為反映了晶體管對電流的增益作用，f代表了從低頻起到某一頻率f的頻帶寬度。所以和f的乘積就代表了增益帶寬乘積。例如某一電路中要求晶體管的大于10，帶寬是0~60MC，則該晶體管的特征頻率應大于600MC。晶體管的電流放大系數(shù)隨訊號頻率增高而下降，有如下四種原因：1、發(fā)射結勢壘電容的充放電引起發(fā)射效率的下降。根據(jù)晶體管的等效電路，我們知道P-n結的勢壘電容是并聯(lián)在P-n結電阻上的。如圖2所示。顯然交流訊號ie的一部分流過勢壘電容CT，它不參加基區(qū)輸運。因此使注入到基區(qū)的電子擴散流在總電流中的比例下降了。頻率越高，CT容抗越小，通過CT的電流越大，電流放大系數(shù)就越小。圖2圖2交流電流通過CT就是要對CT充電和放電，充電和放電所用時間越長，CT對電流放大系數(shù)的影響就越大。CT充電和放電的時間為發(fā)射結的延遲時間，用c表示：c=eCT2、基區(qū)渡越時間使基區(qū)輸運系數(shù)下降。擴散通過基區(qū)的少子具有與其有效質(zhì)量及遷移率相關聯(lián)的一定的慣性，如果加到發(fā)射結上的電壓的頻率不斷的增加，載流子對外訊號就不能瞬間響應。其結果造成物理滯后，使復合增加，電流增益下降。這個滯后時間也稱基區(qū)延遲時間，用b表示：（均勻基區(qū)）（線性緩變基區(qū)，如平面管）其中W是有效基區(qū)寬度，Dn是電子在基區(qū)中的擴散系數(shù)。3、集電極勢壘渡越時間使電流放大系數(shù)下降?；鶇^(qū)中的少子輸運到集電結邊界后，還要越過集電結勢壘區(qū)，才能到達集電區(qū)。這是需要時間的。因此在高頻訊號下，必將引起勢壘區(qū)中電荷積累的迅速變化，所以需要有部分少子電流去提供這一積累，使越過勢壘區(qū)能到達集電區(qū)的少子數(shù)目比由基區(qū)輸運來的少了。因此使電流放大系數(shù)下降了。渡越集電結勢壘區(qū)的時間可由下式表示：式中0是集電結勢壘厚度，Um是越過集電結勢壘區(qū)的最大速率。4、集電結勢壘電容的影響。和發(fā)射結相似，集電結還存在勢壘電容CT和集電極體電阻rce，所以電流越過集電結后還不能全部變成有用的ic，有一部分還要對勢壘電容CT充放電，引起電流放大系數(shù)的下降和電流的延遲，延遲時間為：考慮到上述四項因素，可以得到特征頻率的表達式如下：式中m是超相移因子，對于硅平面管，m=0.4，所以 （4）理論（如公式4）和實驗均證明特征頻率與晶體管的工作點有密切關系。在使用中我們可以選擇適當?shù)墓ぷ鼽c使fT最大。圖3示出了特征頻率與集電極電流的關系曲線。電流比較小時，fT隨Ic的增加而增加，這是由于Ic的增加使c變小之故；電流較大時，fT變化減小了；當電流更大時，fT隨Ic的增加而下降。這有兩種原因，一是大注入效應使管子的下降，從而使fT也降低了；二是基區(qū)擴展效應使基區(qū)渡越時間增加，從而引起fT的下降。究竟那種原因其主要作用，則視晶體管的結構而定。如小功率晶體管，往往是前者起主要作用；高反壓管往往是后者起主要作用。圖3圖3圖10畫出了特征頻率與集電極電壓的關系曲線。由圖可見，隨電壓升高，fT也升高。這是由于集電極電壓的增加，集電極勢壘變寬，使基區(qū)有效寬度W減小造成的。圖4圖4三、實驗線路（）t圖5是測量fT的簡單裝置，其中Ug是標準高頻訊號發(fā)生器；是高頻微伏表。因訊號頻率較高，所以該電路的交流等效電路如圖6所示。t圖5圖5t在同軸開關K1、K2置于Ue時，高頻微伏表可測得R2上的電壓，并進而求出ic值，即，此時的基極電流為：ttt當K1、K置于“VR1”時，高頻微伏表可以測得R1上的電壓并就而求出ib值，即Ib=VR1/R1又因為，所以有：，因此，圖6圖6四、操作步驟：接通“標準高頻訊號發(fā)生器”和“高頻微伏表”電源預熱待用。然后按圖5接好電路。把“標準高頻訊號發(fā)生器”和“高頻微伏表”的頻率指示調(diào)到15MC（在此頻率下，3DG12晶體管的<10，而其0<20；3DG6晶體管的<15，而其0>30。所以無論對3DG12晶體管還是對3DG6晶體管，f=15MC都是遠大于其f的）。測試fT隨偏流Ic的變化規(guī)律：插入被測3DG6晶體管，注意管腳不要插錯。固定偏壓Uco=3V，改變IB（從而也改變了Ic）讀出不同的Ic下的fT值。把偏壓Vco再調(diào)到6伏，改變Ic讀出不同電流下的fT值。把被測晶體管改為3DG12晶體管，重復②、③兩步。測量fT隨偏壓的變化規(guī)律：把3DG12晶體管的偏流Ic分別固定為：3mA,5mA，改變偏壓Vce，讀出不同偏壓下的fT值。把被測晶體管改為3DG6晶體管，重復①的步驟。畫出3DG12晶體管和3DG6晶體管的fT~Ic和f