【文章內(nèi)容簡介】 （ b）輸出特性曲線 （ 2）輸出特性曲線 在不同的 IE 下，改變 VCB ，測量 IC ，可得出一族 VI CBC? 曲線，稱為共基極直流輸出特性曲線，如圖（ b）所示。 從輸出特性曲線可見，在 0CB?V 時， II EC? （因為 II E0C ?? ， 10?? ），而且基本與 VCB 無關。在 0CB?V 時， IC 仍保持不變，這是因為在 0CB?V 時，基區(qū)靠集電結空間電荷區(qū)邊界處少子濃度等于平衡少子濃度，但因基區(qū)中存在少子濃度梯度，不斷地有少子向集電結邊界擴散，為了保證該處少子濃度等于平衡少子濃度，漂移通過集電結的少子必須大于從集電區(qū)擴散到基區(qū)的少子，因而雖然 0CB?V ，但 0C?I 。要使集電極電流減小到零，必須在集電結上加一個小的正向偏壓，使基區(qū)中少子濃度梯度接近于零。 2．共發(fā)射極連接的直流特性曲線 （ 1） 輸入特性曲線 測量晶體管共發(fā)射極直流特性曲線的原理圖如右圖所示。 RB 為基極串聯(lián)電阻，用以控制VCB 或 IB 。 在不同的 VCE 下，改變 VBE ，測量 IB ，可得出一族 VI BEB? 關系曲線，稱為共發(fā)射極直流輸入特性曲線，如圖（ a）所示。 當 VCE 增加時，由于基區(qū)寬度減小。注入到基區(qū)中的少子的復合減少，故 IB 減小。第二章 雙極結型晶體管 17 即在同樣的 VBE 下， VCE 越大， IB 越小。當 0BE?V 時， 0B?I ，而為 I 0CB ，因為這時集電結反偏， 0CB?V ，所以 流過基極的電流為集電結反向飽和電流 I 0CB 。 （ a）輸入特性曲線 （ b）輸出特性曲線 （ 2）輸出特性曲線 固定不同的 IB ，改變 VCE ，測量 IC ，可得出一族 VI CEC? 曲線，稱為共發(fā)射極輸出特性曲線，如圖（ b）所示。 當 0B?I 時，晶體管的電流 等于 I 0CB 。當 IB 增加時，集電極電流 IC 按 IB0? 的規(guī)律增加，而且 VCE 增大，晶體管的基區(qū)寬度減小，電流放大系數(shù) ?0 增大，特性曲線微微向上傾斜。 晶體管的直流特性曲線可分為三個區(qū)域：放大區(qū)（Ⅰ區(qū)），飽和區(qū)（Ⅱ區(qū)）和截止區(qū)（Ⅲ區(qū)）。 167。 晶體管的頻率特性 按工作頻率范圍通 常把晶體管分為低頻晶體管（只能在 3MHz 以下的頻率范圍內(nèi)使用）；高頻晶體管（可在幾十到幾百兆赫茲的頻率下使用）；超高頻晶體管（能在 750MHz以上頻率范圍內(nèi)使用的晶體管 ）。 1．晶體管交流特性和交流小信號傳輸過程 （ 1）頻率對晶體管電流放大系數(shù)的影響 在使用晶體管時，常常會發(fā)現(xiàn)，當工作頻率較低時，晶體管的放大作用比較正常，電流放大系數(shù)基本上不因工作頻率而改變。但當工作頻率高到一定程度時，電流放大系第二章 雙極結型晶體管 18 數(shù)將隨工作頻率的升高而下降，直至失去電流放大作用。 如圖所示，高頻時輸出電流 ic 明顯比輸入 ie 小，也就是電流放大系數(shù) ? 下降了，同時也發(fā)生了相移，為什么會有如此現(xiàn)象呢？ 晶體管工作在高頻狀態(tài)時，電流放大系數(shù)將下降且產(chǎn)生相移，主要是晶體管中載流子的分布情況隨交流信號而變化引起的。由于要提供再分布的電荷，消耗掉了一部分注入載流子的電流，變?yōu)榛鶚O電流。交流信號頻率越高，單位時間內(nèi)用于再分布的電荷也越多，即消耗的電流也越大， ic 則越小，這就是高頻時電流放大系數(shù)下降的 原因。與此同時，交流電流在從發(fā)射極傳輸?shù)郊姌O的過程中，要經(jīng)過 4個區(qū)：發(fā)射結、基區(qū)、集電結空間電荷區(qū)、集電區(qū)。顯然，完成上述的傳輸，必然要消耗掉部分電流，也需要一定的時間。所以，隨著頻率的增高，不僅電流放大系數(shù)下降， ic 相對于 ie 也將產(chǎn)生相移。 （ 2）交流小信號傳輸過程 直流電流在晶體管內(nèi)部的傳輸過程是：發(fā)射極電流由發(fā)射結注入到基區(qū)，通過基區(qū)輸運到集電結，被集電結收集形成集電極輸出電流。在這個電流傳輸過程中有兩次電流損失（對理想 情況）：一是與發(fā)射結反向注入電流的復合；二是基區(qū)輸運過程中在基區(qū)體內(nèi)的復合。 對于交流小信號電流，其傳輸過程與直流情況有很大不同，一些被忽略的因素開始起作用了，這些因素主要有 4個：① 發(fā)射結勢壘電容充放電效應；② 基區(qū)電荷存儲效應（或發(fā)射結擴散電容充放電效應）；③ 集電結勢壘區(qū)渡越過程；④ 集電結勢壘電容充放電效應。 1）發(fā)射過程 當發(fā)射極輸入一交變信號時，交變信號作用在發(fā)射結上，發(fā)射結的空間電荷區(qū)寬度將隨著信號電壓的變化而改變，因此需要一部分電子電流對發(fā)射結勢壘電容進行充放電。發(fā)射極電流中的一部分電子通過 對勢壘電容的充分電，轉換成基極電流的一部分，造成電子流向集電極傳輸過程中比直流時多出一部分損失，使發(fā)射效率 ? 降低。由于對發(fā)射結勢壘電容充放電需要一定時間，因而使電流發(fā)射過程產(chǎn)生延遲。 設發(fā)射結勢壘電容充放電時間常數(shù)為 ?E ，稱為發(fā)射極延遲時間。一般發(fā)射極延遲時間為 )0()4~( TEEBE CIq Tk?? )0(TEC →零偏壓時發(fā)射結勢壘電容值。 第二章 雙極結型晶體管 19 2）基區(qū)輸運過程 當發(fā)射極輸入交變信號時，除發(fā) 射結勢壘區(qū)寬度隨信號變化外，基區(qū)積累電荷量也將隨之變化。例如在信號正半周，交變電壓疊加在發(fā)射結直流偏壓上，使結偏壓升高，注入基區(qū)的電子增加，使基區(qū)電荷積累增加。因此，注入到基區(qū)的電子，除一部分消耗于基區(qū)復合而形成復合電流 iVB 外，還有一部分電子用于增加基區(qū)電荷積累，即相當于對擴散電容的充電。同時，為了保持基區(qū)電中性，基極必須提供等量的空穴消耗于基區(qū)積累，即對擴散電容的充放電電流也轉換為了基極電流的一部分。因此，到達集電結的有用電子電流減小，即基區(qū)輸運系數(shù) ?*T 下降。 設電子在基區(qū)的輸運時間為 ?B 。假設基區(qū)中 x 處，注入少子電子的濃度為 )(Bxn ，以速度 )(xv 穿越基區(qū)，形成的電流為 )()()( BnB xvxnAqxI ? 載流子穿越基區(qū)的時間為（注意 txvx d)(d ? ） xx xI xnAqxx xv d)( )(d)(1 BB 0 nB B0B ?? ??? 通常有基區(qū)寬度 Lx nBB?? ，所以有 ???????? ??????????? xxTk Vqnxn BB E0BB 1e xp)( ?????????? Tk Vqx nDqAIxI B EB 0BnBnEnB e xp)( 代入上式有 Dxxxxx Dx nB2BB0 nBBB 2d1B ????????? ?? ?? 3）集電結勢壘區(qū)渡越過程 在直流電流傳輸過程中，由基區(qū)輸運到集電結邊界的電子流，被反偏集電結勢壘區(qū)內(nèi)的強電場全部拉向集電區(qū)，并且穿過勢壘區(qū)的時間很短。因此，電子流在勢壘區(qū)渡越過程中，既無幅度也無相位上的變化，可以認為這一過程對電流傳輸沒有影響。但是，對于交流信號，特別是信號頻率較高以致集電結勢壘渡越時間 ?D “可與信號周期相比擬時”，就必須考慮集電結勢壘區(qū)的渡越過程了。交流小信號電流在這一過程中，不僅信號幅度將降低，也會產(chǎn)生相位滯后。 由于反偏集電結空間電荷區(qū)電場一般很強，當空間電荷區(qū)電場超過臨界電場強度cm/V104 時，載流子速度就達到飽和，載流子將以極限速度（飽和速度） vs 穿過空間電第二章 雙極結型晶體管 20 荷區(qū)。對于硅 s/ 6s ??v ；對于鍺 s/cm106 6s ??v 。設集電結空間電荷區(qū)寬度為 xm ，則載流子渡越集電結空間電荷區(qū)的時間為 vxsmD?? 4）集電區(qū)傳輸過程 到達集電區(qū)邊界的電流并不能全部經(jīng)集電區(qū)輸運而形成集電極電流 ic ，這是因為交變電流在通過集電區(qū)時，會在體電阻上產(chǎn)生一個交變的電壓降。這個交變信號電壓疊加在集電極直流偏置電壓上，使集電結空間電荷區(qū)寬度隨著交變信號的變化而變化。因此，在到達集電區(qū)邊界的電流中需要分出一部分電子電流對集電結勢壘電容充放電，形成分電流，同時，基極也提供相應大小的空穴流充電，故分電流形成了基極 電流的一部分。對勢壘電容充放電的時間常數(shù)設為 ?C （也稱為集電極延遲時間）。 綜上分析可以看到，與直流電流傳輸情況相比，在交流小信號電流的傳輸過程中，增加了 4個信號電流的損失途徑： ① 發(fā)射結發(fā)射過程中的勢壘電容充放電電流； ② 基區(qū)輸運過程中擴散電容的充放電電流； ③ 集電結勢壘區(qū)渡越過程中的衰減； ④ 集電區(qū)輸運過程中對集電結勢壘電容的充放電電流。 這 4個途徑的分流電流隨著信號頻率的增加而增大，同時使信號產(chǎn)生的附加相移也增加。因此，造成電流增益隨頻率升高而下降。 2．共基極交流放大系數(shù)及其截止頻率 （ 1）交流放大系數(shù) ? 共基極交流電流放大系數(shù) ? 定義為：在共基極運用時，將集電極交流短路（ C 和 B之間交流短路），此時的集電極輸出交流電流 ic 與發(fā)射極輸入交流電流 ie 之比，即 )0( CBec ?? Vii? 設 發(fā)射極到集電極總延遲時間為 ????? CDBEEC ???? ， 則交流小信號共基極接法 電流放大系數(shù)可表示為 ff ?? ???????? /j1/j1j1 00EC0 ?????? 式中， f?? ??? 21EC ??； ?0 →直流或低頻共基極電流放大系數(shù)； f →信號頻率。 第二章 雙極結型晶體管 21 （ 2）截止頻率 f? 上面分析表明，電流放大系數(shù)的幅值隨頻率升高而下降，相位滯后則隨頻率升高而增大。當頻率上升到 ff ?? 時， ? 降到其低頻值的 2/1 （即 ?? 02/1? ），此時的頻率 f? 稱為共基極截止頻率（或 ? 截止頻率），其值為 )(2 12 1 CDBEEC ???????? ?????f 對于一般的高頻晶體管，由于基區(qū)寬度較寬， ?B 往往比 ?E 、 ?D 、 ?C 大得多，所以通常在 MHz500?f ? 時，四個時間常數(shù)中， ?B 往往起主要作用。 3．共發(fā)射極交流放大系數(shù)及其截止頻率 （ 1）交流放大系數(shù) ? 共發(fā)射極交流電流放大系數(shù) ? 定義為： 在共發(fā)射極運用時，集電極交流短路（ C 和E 間交流短路），集電極輸出交流電流 ic 與基極輸入交流電流 ib 之比，即 )0( CEbc ?? Vii? 由 關系式 iii bce ?? 可得 ??? eeec ecce cbc 1/1 / ??????? ii iiii iii 其中， )0(CEece ?? Vii?，它與共基極小信號電流增益 ? 不同，其差別在于： ? 要求 C、B 間交流短路， ?e 為 C、 E 間交流短路。對于一般的晶體管有 ???e ，因此 ?e 可以認為就是共基極小信號電流增 益，從而可得 )/(j1 111 00ee ff ???????? ? ?????? 其中用到 ff ??? /j1 0??，?? 00 1 1?? )/(j1 0 0 ff ????? ff ??/j1 0?? 其中 ??? 0ff ? 可見，共射極小信號電流增益也是復數(shù)，與 ? 一樣，其幅值隨頻率升高而下降，相位滯后隨頻率升高而增大。 第二章 雙極結型晶體管 22 （ 2）截止頻率 f? 當頻率升高到 ff??時， ? 下降到低頻或直流值 ?0 的 2/1 ，這時的頻率 f?稱為共發(fā)射極截止頻率，其值近似為 )(2 1 CDBE00 ??????? ?? ????? ff 一般晶體管的 ?0 是比較大的，可見，共射極電流增益截止頻率比共基極電流增益截止頻率低得多，即 ff????，這也說明共基極晶體管放大器的帶寬（即截止頻率）比共射極晶體管放大器的帶寬大得多。 4．晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數(shù) （ 1）頻率特性曲線 通常在晶體管手冊中給出的電流放大系數(shù)是在低頻（一般為 1000Hz）的情況下測定的。對于共發(fā)射極接法通常用 ?0 表示；對于共基極接法通常用 ?0 表示。 慢慢升高測量頻率，測出不同頻率下的電流放大系數(shù)，以電流放大系數(shù)的分貝數(shù)作為縱坐標，以頻率作為橫坐標作圖，可得到 如圖所示的晶體管頻率特性曲線。 電流放大系數(shù)的分貝（ dB）值定義為 ?? lg20)( ?分貝 ?? lg20)( ?分貝 從圖可以看出，在低頻范圍內(nèi)，電流放大系數(shù)等于低頻時的 ?0 （或 ?0 ），而當頻率進一步升高時，它們就開始下降。 ① f? （也稱 ? 截止頻率）：是當共基極電流放大系數(shù) ? 下降到 ?0 的 2/1 （ ）倍時所對應的頻率。此時 ? 的分貝值下降 3dB。 ② f? （也稱 ? 截止頻率）：是當共發(fā)射極電流放大系數(shù) ? 下降到低頻 ?0 的 2/1（ ）倍時所對應 的頻率。此時 ? 的分貝值下降 3dB。 第二章 雙極結型晶體管 23 （ 2）特征頻率 fT 從 f?的定義可知，當 ff??時， ? 將下降到 ? 以下，但電流放大系數(shù)仍有相當高的數(shù)值。例如，設晶體管的 1000?? ，當 ff??時， 20 ?? ??，所以 f?并不能反映實際晶體管的使用頻率極限。 為了表示晶體管具有電流放大作用的最高頻率極限，引入特征頻率 fT ， 定義為 ：隨著頻率的增加，晶體管的共射電流放大系數(shù) ? 降到 1 時所對于的頻率。顯然，當 ff T