第3章 晶体管的频率特性
晶体管特征频率的测量
晶体管特征频率的测量晶体管特征频率t f 的测量定义为共射极输出交短路电流放大系数||β随频率增加而下降到1小时的工作频率，它反映了晶体管共发射运用具有电流放大作用的频率极限，是晶体管的一个重要频率特性参数。
t f 主要取决于晶体管的合理的结构设计，但也与晶体管工作时的偏置条件密切相关。
因而，晶体管的特征频率t f 是指在一定集团偏置条件下的测量值 。
其测试原理通常采用“增益－带宽”积的方法。
本实验的目的是掌握晶体管特征频率t f 的测试原理及测量方法，熟悉t f 分别随CE V 和E I 变化的规律，加深其与晶体管结构参数各工作偏置条件的理解，为晶体管的频率特性设计，制造和应用奠定基础。
一、实验原理共发射交流工作下，晶体管发射结电压周期性变化引起发射结，收集结空间电荷区的电荷和其区，发射区，收集区的少子，多子也随之不断重新分布，这种现象可视为势垒电容各扩散电容的充放电作用。
势垒电容各扩散电容的充放电使由发射区通过基区传输的载流子减少，传输的电流幅度值下降，同时产生载流子传输的延时，加之载流子渡越收集结空间电荷区时间的影响，使输入，输出信号产生相移，电流放大系数β变为复数，并且其幅值随频率的升高 而下降，相位移也随频率的升高而增大，因此，晶体管共发射极交流短路放大系数β的幅值和相位移是工作频率的函数。
理论上晶体管共发射交流短路放大系数可表示为β=b b j jm ωωωωβ/1)/exp(0+- (1)其幅值和相位角随频率变化的有关系分别为||β=2/120])/(1[ββf f + (2)ϕ=]/)/([ββωωωωm arctg +- (3)可见，当工作频率f <<βf 时，0ββ≈，几乎与频率无关；当f =βf 时，||β=0β/2, ||β下降3dB ；当时，f >>βf ，||βf =0ββf 。
根据定义，||β=1时的工作频率即为特征频率T f ，则有T f =||βf =0ββf (4) 另外，当晶体管共基极截止频率a f <500MHz 时近似有T f ≈a f /(1+m)，微波管中T f =a f 。
高频复习题第3章高频信号放大器资料
第3章高频信号放大器3.1自测题3.1-1晶体管的截止频率fß是指当短路电流放大倍数|ß|下降到低频ß 0的时所对应的工作频率。
3.1-2矩形系数是表征放大器好坏的一个物理量。
3.1-3消除晶体管y re的反馈作用的方法有和。
3.1-4.为了提高效率，高频功率放大器应工作在状态。
3.1-5.为了兼顾高的输出功率和高的集电极效率，实际中多选择高频功率放大器工作在状态。
3.1-6.根据在发射机中位置的不同，常将谐振功率放大器的匹配网络分为、、三种。
3.2 思考题3.2-1 影响谐振放大器稳定性的因素是什么？反向传输导纳的物理意义是什么？3.2-2声表面波滤波器、晶体滤波器和陶瓷滤波器各有什么特点,各适用于什么场合?3.2-3说明fβ、f Tβ、fɑ和f max的物理意义。
分析说明它们之间的关系3.2-4为什么晶体管在高频工作时要考虑单向化或中和,而在低频工作时,可以不必考虑?3.2-5. 谐振功率放大器工作于欠压状态。
为了提高输出功率，将放大器调整到临界状态。
可分别改变哪些参量来实现？当改变不同的量时，放大器输出功率是否一样大？3.2-6.为什么高频功率放大器一般要工作于乙类或丙类状态？为什么采用谐振回路作负载？谐振回路为什么要调谐在工作频率？3.2-7.为什么低频功率放大器不能工作于丙类？而高频功率放大器可以工作于丙类？3.2-8.丙类高频功率放大器的动态特性与低频甲类功率放大器的负载线有什么区别？为什么会产生这些区别？动态特性的含意是什么？3.2-9.一谐振功放如图3.2-9所示,试为下列各题选取一正确答案：(1)该功放的通角θ为：(a)θ>90。
；(b)θ=90。
；(c)θ<90o。
(2)放大器的工作状态系：(a) 由E c、E B决定；(b)由U m、U bm决定；(c)由u BE max、u CE min决定。
(3)欲高效率、大功率工作,谐振功放应工作于：(a)欠压状态(b)临界状态(c) 过压状态(4)当把图中的A点往上移动时,放大器的等效阻抗是：(a)增大；(b)不变；(c)减小。
（微电子、电子实验）实验三晶体管特征频率fT的测量
实验三 晶体管特征频率f T 的测量
f T 定义为共射极输出交流短路电流放大糸数β随频率增加而下降到 1时的工作频率, 它反映了晶体管共发射极运用具有电流放大作用的频率极限, 是晶体管的一个重要频率特性参数. f T 的大小主除了与晶体管的结构有关外, 还与晶体管工作点有关, 测量原理通常采用增益-带宽积的方法.
一, 实验原理
晶体管发射结电压周期变化引起发射结,收集结空间电荷区的电荷和基区,发射区, 收集区内的多子,少子也随之重新分布, 这种现象可视为势垒电容和扩散电容的充放电作用, 传输电流幅值下降,载流子传输延时, 使输入, 输出信号产生相移, 使电流放大系数β变为复数, 幅值随频率的升高而下降, 相移随频率升高而增大
β=()[]2120/1ββf f +
当f 》f β βf=β0f β β=1
f T =β0f β
二, 实验方法
1, V CE = 10V, I C = 10mA 测量晶体管的f T
2, V CE= 15V I C=0.5mA～15mA, 每隔0.5mA测一点, 绘制f T～I CE关系曲线
3, I CE= 10mA, V CE=1V～20V, 每隔2V测一点, 绘制
f T～V CE关系曲线
4, 改变测试频率重新进行1～3的实验。
晶体管手册
晶体管手册第一章：引言1.1 概述晶体管是一种非常重要的电子器件，被广泛应用于各种电子设备中。
本手册旨在介绍晶体管的基本原理、结构、特性以及常见的应用领域。
1.2 历史回顾晶体管的发展与研究可以追溯到20世纪40年代，由于其在电子行业的革命性作用，晶体管取代了真空管，成为当时电子技术领域的一个重要突破。
第二章：晶体管的基本原理2.1 PN结晶体管的基本原理是基于PN结的特性。
本节将介绍PN结的构成、特性以及在晶体管中的作用。
2.2 工作原理晶体管的工作原理是通过控制电场来控制电流。
本节将详细介绍晶体管的三个重要区域：发射区、基区和集电区的工作原理。
第三章：晶体管的结构和类型3.1 结构晶体管的结构通常包括基底、集电极、基极和发射极等组成部分。
本节将详细介绍每个部分的结构及其作用。
3.2 类型根据结构和应用的不同，晶体管可以分为多种类型，例如NPN型和PNP型。
本节将对不同类型的晶体管进行详细描述和比较。
第四章：晶体管的特性4.1 放大特性晶体管具有放大作用，可以将微弱的输入信号放大到较大的输出信号。
本节将介绍晶体管的放大特性及其测量方法。
4.2 饱和特性晶体管的饱和特性是指当输入信号过大时，晶体管的输出信号达到最大幅度。
本节将对晶体管的饱和特性进行详细介绍。
4.3 频率特性晶体管的频率特性是指输入信号在不同频率下，晶体管的放大能力。
本节将介绍晶体管的频率特性及其对电子设备的影响。
第五章：晶体管的应用5.1 放大器晶体管的最主要应用之一是作为放大器，可以放大音频和射频信号。
本节将介绍放大器的工作原理以及常见的放大器电路。
5.2 开关晶体管也可以用作开关，可用于数字电路、计算机和通信系统中。
本节将详细介绍晶体管作为开关的工作原理和应用场景。
5.3 震荡器晶体管还可用于制造震荡器，产生高频振荡信号。
本节将介绍晶体管在震荡器中的应用以及常见的震荡电路。
第六章：晶体管的未来发展6.1 小型化随着电子设备的小型化趋势，未来的晶体管将更加微小化，以适应更小尺寸的电子设备。
晶体管原理(3-8)
暂不考虑基区复合损失时，
ier ipc
ipc ipe
式中，
1 1 j CDE re
C DE re
ipc b veb
re
ipc ipc
b b
0 再计入复合损失后得： 1 j b
这与不含超相移因子的 的近似式完全一致。
3、集电结耗尽区延迟时间 当基区少子进入集电结耗尽区后，在其中强电场的作用下 以饱和速度 vmax 作漂移运动，通过宽度为 xdc 的耗尽区所需的 时间为
ipe ie
当不考虑扩散电容与寄生参数时，PN 结的交流小信号等效
dVBE 1 kT 电路是 发射极增量电阻 re 与电容 CTE 的并联。 dI E g D qI E
ie re ier iect CTE b 流过电阻 re 的电流为 电容 CTE 的冲放电电流为 iect C TE 因此 ie ier iect
vcb vcc vcb ic rcs
图中 c’ 为紧靠势垒区的 本征集电极，或称为 内集电极。 vc’b 将对 CTC 进行充放电，充放电电流为
dvcb dic icc CTC CTC rcs j CTC rcsic dt dt
总的高频小信号集电极电流为
ic ipcc icc ipcc j CTC rcsic
的直流偏置。各高频小信号电量之间近似地成 线性关系。
电流、电压和电荷量的符号（以基极电流为例）
总瞬时值： 其中的直流分量：
iB I B ib IB
j t
其中的高频小信号分量： ib I b e 高频小信号的振幅：
Ib
d ib , j I b e j t j ib dt
第三章-双极型晶体管的频率特性
ic
Ic/mA
10
I B 25A
负载线
频率响应
~ VEB
8
ic
~ ic
20
iB
~ iB
iB
n
6
4
工作点
15 10
前面讨论的是晶体管的静态特性 ( 直流 特性 ) ，没有涉及其交流特性，也就是 当一小信号重叠在直流值上的情况。小 信号意指交流电压和电流的峰值小于直 i 流的电压、电流值。 高频等效电路： 图 (a) 是以共射组态晶 p 体管所构成的放大器电路，在固定的 i n 直流输入电压 VEB 下，将会有直流基 p 极电流 IB 和直流集电极电流 IC 流过晶 V~ i 体管，这些电流代表图(b)中的工作点， V V 由供应电压 VCC 以及负载电阻 RL所决 定出的负载线，将以一 1/RL的斜率与 (a)连接成共射组态的双极晶体管 VCE轴相交于VCC。
fT 10
8
f 10
9
1010
频率 / Hz
另外，一截止频率fT(又称特征频率)定义为β的绝对值变为1时的频率， 将前式等号右边的值定为1，可得出
2 f 1 f ( 1 ) f f T 0 0 0 0
因此fT很接近但稍小于 f。
双极型晶体管的频率特性
c
Ic/ A
B
负载线
c
B
B
c
C
B
B
工作点
EB
输出电流
E
EB
CC
EC
CC
(a)连接成共射组态的双极晶体管
（b）晶体管电路的小信号工作状态
B
B
C ~ V
E B
C ~ V
第3章习题解答
第3章习题解答习题来源：严国萍，龙占超，通信电子线路，科学出版社，2006年第一版，2009年第五次印刷，P89～P913-1. 解答晶体管低频放大器主要采用混合参数（H参数）等效模型分析方法；而晶体管高频小信号放大器主要采用形式等效电路（Y参数）以及物理模拟等效电路（混合π参数）分析方法。
分析方法的不同，本质原因在于晶体管在高频运用时，它的等效电路不仅包含着一些和频率基本没有关系的电阻，而且还包含着一些与频率有关的电容，这些电容在频率较高时的作用是不能忽略的。
高频小信号放大器不能用特性曲线来分析，这是因为特性曲线是晶体管低频运用时的工作曲线，是不随工作频率变化的；但晶体管在高频运用时，其结电容不可忽略，从而使得晶体管的特性随频率变化而变化。
因此在分析高频小信号时，不可用特性曲线来分析。
3-2. 解答r bb’含义：从晶体管内部结构可知，从基极外部引线b到内部扩散区中某一抽象点b’之间，是一段较长而又薄的N型（或P型）半导体，因掺入杂质很少，因而电导率不高，所以存在一定体积电阻，故在b-b’之间，用集总电阻r bb’表示。
r b’c含义：晶体管内部扩散区某一抽象点b’到集电极c之间的集电结电阻。
r bb’的影响：r bb’的存在，使得输入交流信号产生损失，所以r bb’的值应尽量减小，一般r bb’为15～50Ω。
r b’c的影响：因为集电结为反偏，所以r b’c较大，r b’c一般为10k～10MΩ，特别是硅管，r b’c很大，和放大器负载相比，它的作用往往可以忽略。
3-3. 解答g m是晶体管的跨导，反映晶体管的放大能力，即输入对输出的控制能力。
它和晶体管集电极静态电流（I E ）大小有关。
3-4. 解答因为高频小信号放大器的负载是一个谐振回路，如果阻抗不匹配，会使输出信号幅度减小，而且会失真，为此，必须考虑阻抗匹配的问题。
3-5. 解答小信号放大器主要质量指标有：增益，通频带，选择性，工作稳定性，噪声系数这5个指标。
三极管特性
晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，在电路中用“V”或“VT”（旧文字符号为“Q”、“GB”等）表示。
晶体管是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。
它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。
一、晶体管的种类晶体管有多种分类方法。
（一）按半导体材料和极性分类按晶体管使用的半导体材料可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管管。
按晶体管的极性可分为锗NPN型晶体管、锗PNP晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。
（二）按结构及制造工艺分类晶体管按其结构及制造工艺可分为扩散型晶体管、合金型晶体管和平面型晶体管。
（三）按电流容量分类晶体管按电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。
（四）按工作频率分类晶体管按工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管等。
（五）按封装结构分类晶体管按封装结构可分为金属封装（简称金封）晶体管、塑料封装（简称塑封）晶体管、玻璃壳封装（简称玻封）晶体管、表面封装（片状）晶体管和陶瓷封装晶体管等。
其封装外形多种多样。
（六）按功能和用途分类晶体管按功能和用途可分为低噪声放大晶体管、中高频放大晶体管、低频放大晶体管、开关晶体管、达林顿晶体管、高反压晶体管、带阻晶体管、带阻尼晶体管、微波晶体管、光敏晶体管和磁敏晶体管等多种类型。
二、晶体管的主要参数晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。
（一）电流放大系数电流放大系数也称电流放大倍数，用来表示晶体管放大能力。
根据晶体管工作状态的不同，电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。
1．直流电流放大系数直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值，一般用hFE或β表示。
2．交流电流放大系数交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数，是指在交流状态下，晶体管集电极电流变化量△IC与基极电流变化量△IB的比值，一般用hfe或β表示。
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流分量和交流小信号电压成正比关系。从而也得到了基 区少子交流分量边界条件 x 0, n1 (0) ne qnEVe qn V ; x WB , n1 (WB ) nc C c (3 35) 17 kT kT
将少子交流分量边界条件带入n1 ( x) Ae x / LnB Be x / LnB (3 29)
(3 27)
解出n1 ( x) Ae
x / L* nB
Be
x / L* nB
其中L* 定义为基区少子交流扩散长度 nB
16
根据肖克莱边界条件，基区边界少子浓度分别为
q pn ( xn ) p p 0 exp[ (VBJ VA )] KT qV pn 0 exp A (X1 - 72) KT q n p ( x p ) nn 0 exp[ (VBJ VA )] KT qV n p 0 exp A KT
7
为利用(3 7)式可以很方便地在低频（超过f ）
三，最高振荡频率 1，因为即便BJT 在电流增益等于1时，仍旧具有电压放大能力，所以功率 增益仍大于1。 2，定义晶体管的功率增益下降为1 （输入功率等于输出功率）时的频率为 最高振荡频率，用f m 表示。该频率也是晶体管工作的极限使用频率， 一旦超过这个频率，晶体管就失去了任何放大作用。 3，当f fT 后，功率增益G p与工作频率f满足如下关系 fG1/ 2 f m p (3 9) f m也称为功率增益 带宽积 4，另外，高频时信号相位也会产生滞后，大小可由式(3 6)得到。
肖克莱边界条件
0 n(0, t ) nB exp[ q (VE Ve e jt ) / kt] 0 n(WB , t ) nB exp[ q (VC Vc e jt ) / kt]
(3 30) (3 31) kT ，则对上两式 q
当交变信号电压幅值满足 | Ve | 、Vc | |
其中inc ( xmC )表示到达集电区边界的电子电流
12
四，集电区传输过程 交变电流在集电区体电阻上产生一个交变电压降，影响集电结空间电 荷区宽度，即对该势垒电容充放电，形成分流电流iCTc。 定义集电区衰减因子 c来描述这一过程, ic inc ( xmC ) iCTc iCTc c 1inc ( xmC ) inc ( xmC ) inc ( xmC ) (3 17)
因此集电区衰减因子为 iCTc 1 ic 1 c (1 ) (3 65) ic ( xmC ) ic 1 j c 其中 c rC CTc 成为集电极延迟时间，代表通过集电 区串联电阻rC 对势垒电容的充放电时间常数。
20
五，总之，共基极电流增益为 * d c 将前述各项代入并化简，忽略二次幂以上项得到
哈尔滨工业大学（威海）微 TEL：5687574-804
微电子器件原理
第3章 晶体管的频率特性
1
第3章 晶体管的频率特性
在实际运用中，晶体管大多数都是在直流偏压下 放大交流信号。随着工作频率的增加，晶体管内部各 个部位的电容效应将起着越来越重要的作用，因而致 使晶体管的特性发生明显的变化。
d 也称为集电结势垒区延迟时间（或称渡越时间），它等于t d的
一半是因为位移电流的存在，当载流子还在穿越势垒区的过程中 就已经在势垒区输出端感应除了愈之等值得传导电流。
19
四，集电区衰减因子和集电区延迟时间 因为忽略rB时rC、CTc 两端交流电压相等，所以有 iCTc rC jrC CTc ic 1 / jCTc (3 64)
8
3.2 电流增益的频率变化关系-截止频率和特征频率
3.2.1 交流小信号电流的传输过程
发射结势垒电容充放电效应、基区电荷存储效应或发射结扩散电容充放电效应、集 电结势垒区渡越过程、集电结势垒电容充放电效应
9
一，发射过程 ie ine i pe iCTe 定义发射效率为 i pe iCTe ine 1 ie ie ie (3 12) (3 11)
* 可见和直流基区输运系数 0 sec h(
0* * (3 39)，其中 b 称为基区渡越时间，它也是注入电流对基区扩散 1 j b
电容充放电而需要的延迟时间。 注意：上面表达式与实际的 *表达式还是有些误差的，需要修正。
18
三，集电结势垒区输运系数和集电结势垒区延迟时间 反偏集电结势垒区电场很强，载流子以极限速度vsl穿过该区域， xmC 所需时间为t d vsl
(3 48)。并且这个过程中还产生了位移电流。
最终得到的势垒区输运系数 jc 1 e j t d d |VBC 常数 (3 62) jnc (0) j t d t d xmC 1 其指数项展开后近似表达式为 d ，其中 d 。 1 j d 2 2vsl
2
3.1 基本概念
3.1.1 BJT 的交流小信号电流增益 1，共基极电流增益（共基极交流短路电流增益） ic dI C h fb |VBC 常数 (3 1) ie dI E 若考虑信号的相位关系，可将其表示为复数形式 ~ ic ~ (3 2) ie 通常说的大小指的是它的模 电流增益也可以用分贝表示为
右端指数项按泰勒级数展开并略去高次项有
直流分量 交流分量
qVe jt n(0, t ) n e (1 e ) nE ne e jt (3 33) kT qV 0 n(WB , t ) nB e qVC / kT (1 c e jt ) nC nc e jt (3 34) kT qnEVe qnCVc 0 qVE / kT 0 qVC / kT 其中nE nB e ，ne ，nC nB e ，nc kT kT 可见少子密度直流分量和直流电压分量成指数关系；交
* *
解出n1 ( x)的表达式并使其对x微分从而得到基区电子电流分布 的交流分量in。 最终得到集电极交流短路（VC 0）时的交流基区输运系数
*
in (WB ) W |VC 0 sec h( B 1 j nB )(3 38) in (0) LnB WB )具有类似形式。它们之间的关系是 LnB
15
相位延迟是i arctan( e )，它也叫作发射极延迟时间。
二，基区输运系数和基区渡越时间 发射极总电压：VBE VE ve (t ) VE Ve e jt (3 22) 集电极总电压：VBC VC vc (t ) VC Vc e jt (3 23) 为推导简单起见认为基区宽度WB是常数。
1 j f f
(3 - 6)
根据上式可知，f 或f 处的大小为
0
2
或
0
2
，因此该频率也叫 3dB频率。
6
二，特征频率 共发射极运用中，定义当共发射极电流增益 下降为1 0dB）时的频率为特征频率fT。因为 （ 共射接法中近似有如下关系 f | | f 0 常数(3 7) 因此有 f | | fT 1 fT 故fT 也称为增益 带宽积。 从图3 1和式(3 6)可知，共射接法中当频率 高于f 后，随频率升高以 20dB / 10倍频程 或者说 6dB / 倍频程下降。fT 不仅可以反映 BJT 使用频率上的限制，而且测量方便，因 得到fT。
0 2 n n nB 1 n 由基区中的少子连续性方程 2 2 (3 24) x LnB DnB t
得到直流分量和交流分量各自满足的方程
0 2 n0 n0 nB 2 0(3 26) x 2 LnB
2 n1 1 j nB n1 0 x 2 L2 nB (3 29)
0 0 0 (3 67) 1 j ec 1 j / 1 jf / f
其中 ec e b d c 发射极到集电极总延迟时间
(dB) 20 lg
4
3.1.2 描述BJT频率特性的参数
5
一，截止频率 一般定义当电流增益下降到其低频值 的1 / 2倍时的频率为BJT 的截止频率。 共基极截止频率用f 表示，共射极截 止频率用f 表示。图3 1表示的关系可 表示为
0
1 j f f
或
0
可见信号频率越高结电容分量iCTe 越大，交流发射效率越小。 另外由于发射结势垒电容充放电需要时间，因此电流传输 过程产生延迟，即信号相位发生变化。
10
二，基区输运过程 ine inc (0) iVR iCDe (3 13) 其中inc (0)表示输运到基区集电结边界的电子电流；iVR 表示基区复合电流； iCDe 表示扩散电容分流电流。 定义交流基区输运系数为
本章讨论在高频信号作用下晶体管的哪些特性参 数发生什么样的变化以及这些这些变化与工作频率的 关系等，以便能更好地认识高频下晶体管特性的变化 规律，更重要的是了解应设计制造什么样的晶体管以 满足高频工作条件的要求。为此，首先介绍晶体管高 频工作下的特殊参数，然后再讨论这些参数与结构、 工作条件的关系等。
其中inc ( xmC )表示到达集电区边界的电子电流, ic为最终集电极流出的电流
13
因此，考虑上述四点后总的交流电流增益可表示为： ic * d c ie (3 18)
低频下，上面四个交流分量很小，图3 2将退化为 和直流电流传输图2 （b）一致。 4
14
3.2.2 共基极电流增益和α 截止频率
*
inc (0) i i 1 VR CDe ine ine ine
(3 14)
可见信号频率越高扩散电容电流分量iCDe 越大，到达集电结的有用电子电 流inc (0)越少，交流基区输运系数越小。同样该扩散电容的充放电会使电 流传输过程产生延迟，即信号相位发生变化。