第四章晶体管频率特性与功率特性
晶体管小结
微电子技术专业
《半导体器件》
单元三 双极型晶体管 小结 讲授教师：马 颖
•发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多
一、晶体管的概述
• 晶体管具有放大能力需具备哪些条件？
（1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，即NE远 大于NB，以保证发射效率γ≈1； （2）基区宽度WB远小于LnB，保证基区输运系数β*≈1； （3）发射结必须正偏，使re很小；集电结反偏，使rc 很大，rc远大于re。
六、功率晶体管的二次击穿和安全工作区
• 二次击穿的概念
器件承受的电压突然降低，电流继续增大，器件由 高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。
• 两种二次击穿的机理
●热型又称热不稳定型，是局部温度升高和电流集中往复 循环的结果。热型二次击穿的触发时间较长属于慢速型。 ●电流型又称雪崩注入型由雪崩注入引起，是快速型的二 次击穿。
–说明：共射短路电流放大系数β比共基短路电流放大 系数α下降更快。
–因此，共基电路比共射电路频带更宽。
一、晶体管的频率特性
• 晶体管的特征频率fT= 0 f 2 e0 。
• 提高特征频率的途径有哪些？
减小基区宽度 Wb ； 缩小结面积A ； 适当降低集电区电阻率ρc ； 适当减小集电区厚度Wc ； 尽量减小延伸电极面积。
• 有效基区宽度扩展效应[kirk（克而克）效应]
• 发射极电流集边效应又称为基区电阻自偏压效应
电力电子半导体器件(GTR)
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
③快速保护功能： GTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTR。 如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、 智能化自保护能力。
二、基极驱动电路基本形式
（一）恒流驱动电路：
基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。 IB > ICmax / β 问题:空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。 改进：1．抗饱和电路（贝克嵌位电路）
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
VD1引入，加速V2、V1的同时关断 ，引出B2极可另外控制。
半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
半导体器件与工艺(4)
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
发射结空间电荷区复合对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
发射区重掺杂对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
基区宽变效应对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
温度对电流放大系数的影响
晶体管的直流伏安特性曲线（共基极）
电流放大系数如何变化并计算厄尔利电压。
晶体管的直流电流放大系数
4.某厂在试制晶体管时，由于不注意清洁卫生，在高温扩散 时引入了金、镍等杂质，结果得到如图所示的晶体管输出特 性曲线。你能否说明这个输出特性曲线与标准输出特性曲线 的差别在哪里，原因是什么？
晶体管的直流电流放大系数
5.某厂在试制NPN平面管时，发现所得到的输出特性曲线为 “靠背椅”式，如图所示。你能否用基区表面形成反省层 （即所谓“沟道” ）来解释这种输出特性曲线？
晶体管的直流伏安特性曲线（共射极）
两种组态输出特性曲线比较
(1) 电流放大系数的差别 (2) UCE 增大对电流放大系数的影响 (3) UCE 减小对输出电流的影响
晶体管的穿通电压 （基区穿通）
晶体管的穿通电压 （外延层穿通）
外延层穿通所决定的击穿电压
BUCBO
UB
Wc X mc
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
jB (x) jB (0) (e 1) jB (0)
x
Seff
jB (x)
(e 1) jB (0) Seff
x
jB (0)
aax (mmbta42)晶体管 技术参数
AAX (MMBTA42) 晶体管技术参数摘要：AAX (MMBTA42) 是一种常用的 NPN 型晶体管，它具有优良的性能和稳定性，广泛应用于各种电子设备中。
本文将对 AAX (MMBTA42) 晶体管的技术参数进行详细介绍，包括其主要特性、电气参数、尺寸和封装形式等方面的内容。
通过对这些技术参数的了解，可以更好地应用和选用 AAX (MMBTA42) 晶体管，为电子设备的设计和制造提供可靠的技术支持。
一、主要特性AAX (MMBTA42) 晶体管具有以下主要特性：1. 高频率响应：AAX (MMBTA42) 晶体管具有出色的高频率响应特性，适用于高频放大和振荡电路。
2. 低噪声系数：AAX (MMBTA42) 晶体管的噪声系数较低，可以有效减小信号的干扰和失真。
3. 高电流增益：AAX (MMBTA42) 晶体管具有较高的电流增益，适用于需要较大信号放大的电路设计。
4. 低饱和电压：AAX (MMBTA42) 晶体管的饱和电压较低，可以减小功耗和提高电路效率。
二、电气参数AAX (MMBTA42) 晶体管的典型电气参数如下：1. 最大耐压：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大耐压为 75V，可以满足大多数电子设备的工作电压要求。
2. 最大电流：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大连续电流为 500mA，最大脉冲电流为 1A，能够满足电路的大电流要求。
3. 最大功率：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大功率为 625mW，在一定的散热条件下可以实现可靠的工作。
4. 管脚电阻：AAX (MMBTA42) 晶体管的管脚电阻较小，有利于降低传输线的损耗和提高电路的稳定性。
三、尺寸和封装形式AAX (MMBTA42) 晶体管的尺寸和封装形式如下：1. 封装类型：AAX (MMBTA42) 晶体管常见的封装类型为 SOT-23，便于在电路板上进行焊接和安装。
2. 外形尺寸：AAX (MMBTA42) 晶体管的外形尺寸为 2.9mm x1.3mm x 1.1mm，适合于紧凑型电子设备的设计和布局。
功率晶体管(GTR)的特性
功率晶体管（GTR)的特性功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。
但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展.—、结构特性1、结构原理功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管,简称GTR。
它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。
但是,由于它主要用在电力电子技术领域,电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处.对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。
由于GTR电流大、功耗大,因此其工作状况出现了新特点、新问题。
比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响,必须在结构上采取适当的措施。
目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。
三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示.这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低,一般约为10～20g。
图1、功率晶体管结构及符号图2、达林顿GTR结构（a）NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式.达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成,可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管,可饱和,而V2为输出管，不会饱和。
达林顿GTR的电流增益β大大提高,但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。
不难推得IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块.它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。
为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。
GTR模块结构紧凑、功能强,因而性能价格比大大提高。
双极型晶体管
4.2.2 双极晶体管的电流关系
（1）三种接法
共发射极接法，发射极作为公共电极，用CE表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用CC表示; 共基极接法，基极作为公共电极，用CB表示。
半导体器件物理
© Dr. B. Li
(2)三极管的电流放大系数 共基极直流电流放大系数：α = IC/IE
半导体器件物理
© Dr. B. Li
三个极：发射极E(Emitter) ，集电极C(Collector)，基 极B(Base) 三个区：发射区，集电区，基区
半导体器件物理 两个结：发射结，集电结 © Dr. B. Li
intrinsic base (内基区) extrinsic base (外基区)
共发射极直流输出曲线
当VCE增加到使集电结反偏电压较大时(如VCE ≥1 V,VBE ≥0.7 V),运动到集电结的电子基本上都可以被集电区收集，此后 VCE 再增加，电流也没有明显的增加，特性曲线进入与VCE轴基本平 行的区域 。
输出特性曲线可以分为三个区域: 饱和区——IC受VCE显著控制的区域，该区域内VCE的数值较
半导体器件物理 © Dr. B. Li
共发射极电流放大系数
β= IC/IB
= IC/IE-IC = α/1-α 因 α≈1, 所以 β >>1
β表示集电极无负载时，集电极电流与基极电流之比。 有时也用符号hFE表示。
基极电流具有非常重要的控制作用。在共基极电路中 是通过IE控制IC，而在共发射极电路中却是通过IB控制 IC 。为使β足够大，这两种电路都希望在同样的IE时， IB越小越好，但IB不能为零。
半导体器件物理 © Dr. B. Li
晶体管的特征频率
晶体管特征频率的测量一、 目的1、通过实验进一步了解特征频率f T 的物理意义并掌握其测量方法。
2、通过实验了解f T 随偏流、偏压的变化情况。
二、 原理晶体管有高频管和低频管之分，一般来说低频管只能用在3MC 以下的频率范围；而高频管则可以用到几十或者几百MC 的高频范围，有时称超过75MC 的管子为超高频晶体管。
如果使用频率超过了晶体管的频率范围，则晶体管的放大特性就显著地变坏，甚至无法使用。
晶体管放大特性的变坏，是由于讯号频率超过某一值以后，晶体管的电流放大系数开始下降而造成的。
晶体管的共射极电流放大系数β与信号频率f 间的关系为：βββf f j +=10（10-1）式中β0为低频是的电流放大系数，f β为共射极的截止频率（也就是共射极电流放大系数β下降到21β0或0.707β0的频率）。
图10-1画出了晶体管发射极电流放大系数β随频率的变化曲线。
由图可见，在频率比较低时，β基本不随频率变化，它的数值被定义为β0。
当频率比较高时，β值随频率f 升高而下降。
如果讯号频率超过发射极截止频率f β，晶体管的共射极β电流放大系数β就比低频时的β0小的多。
但是，f β并不是晶体管所能使用的最高频率，因为f β下的β值（即0.707β0）仍比1大的多，所以晶体管此时还是有电流放大作用的。
晶体管的实际使用频率可以比f β高。
由10-1式可见，当频率远大于f β(比如f>2f β就可以认为f>>f β)，时有f •β=f •β0=常数 (10-2)因为f T 是β等于1的f 值，因此上式中的常数就是f T 。
所以β•f=f T (10-3)比较确切地反映了晶体管的频率特性。
当频率低于f T 时，电流放大系数β>1，晶体管有电流放大作用；当f<f T ，β<1，没有电流放大作用，所以特征频率f T 是晶体管可以起电流放大作用的最高频率的限度，是共射极电路设计的一个重要依据。
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第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
● —— 本章重点
晶体管的频率特性 晶体管的功率增益和最高振荡频率 晶体管的大电流特性 晶体管的二次击穿 晶体管的安全工作区
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
在交流工作状态下，P-N结的电容效应 将对晶体管的工作特性产生影响。
当频率升高时，晶体管的放大特性要 发生变化，使晶体管的放大能力下降。
当晶体管的放大能力下降到一定程度 时，就无法使用，这就表明晶体管的使用 频率有一个极限。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
主要的高频参数
• 截止频率 • 特征频率 • 高频功率增益 • 最高振荡频率
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
4.1 晶体管的频率特性
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
f α截止频率 （共基极截止频率）
f 表示共基极短路电流放大系数的幅
值|α|下降到低频值α0的1/ 时2 的频率。
f 反映了电流放大系数β的幅值
|β|随频率上升而下降的快慢， 但并不是晶体管电流放大的频率极限。 晶体管电流放大的频率极限是后面将要 讲到的特征频率。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
特征频率 fT
f T 表示共射短路电流放大系数的幅值
下降到|β|=1时的频率。
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第四章 晶体管的频率特性和功率特性
集电结空间电荷区输运系数
到达集电结边界的电子电流inc(0)，通过集电 结空间电荷区时需要一定的传输时间；耗尽层中
产生位移电流用于维持空间电荷区边界的变化，
使到达集电区边界的电子电流减少到inc(xm) 。
d
inc (xm ) inc (0)
频率越高，位移电流越大，使βd随着频率增
高而下降。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
集电结势垒电容分流电流iCTc
到达集电区的交变电子电流，在通 过集电区时 ，还需要用一部分电子电流 对集电结势垒电容充放电，形成势垒电 容的分流电流iCTc ，真正到达集电极的 电子电流只有incc
它是晶体管在共射运用中具有电流放大 作用的频率极限。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
从图可以看出，上述几个频率参数间有如下关系
f fT f
且 f T 很接近 f 当工作频率满足 f f f 关系时，
|β|随频率的增加，按-6dB/倍频的速度下降。
第四章晶体管频率特性与功率特性
所以，交流发射效率γ随频率的升高而
下降。
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
扩散电容分流电流iCDe
在交流状态下，注入基区的少子浓度和基 区积累电荷将随着结压降的变化而变化。因此， 注入基区的少数载流子，一部分消耗于基区复 合，形成复合电流iVR外，还有一部分将消耗于 对扩散电容充放电，产生扩散电容分流电流 iCDe，真正到达基区集电结边界的电子电流只 有inc(0)。
ine iCD ie V Rin(c 0 )
第四章晶体管频率特性与功率特性
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第四章 晶体管的频率特性和功率特性
交流基区输运系数
* inc(0)1iVRiCDe
ine
ine
频率越高，分流电流iCDe越大，到达 集电结的电子电流inc(0)越小
所以，基区输运系数β*也随着频率的
升高而下降。
2. 共基极交流短路电流放大系数的 定量分析（略）
3. 共基极交流短路电流放大系数α
和截止频率 f
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
定性分析
共基极交流短路电流放大系数定义为输出
交流短路时，集电极输出交流电流ic与发射极 输入交流电流ie之比，并用α表示。（交流信号 用小写字母表示。）
所以高频时发射极电流为
ie ineipeiCTe
ine 发射结注入基区交流电子电流 ipe 发射结反注入空穴电流（基区注入发射结的空穴电流）
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
交流发射效率
ine 1ipeiCT e
ie
ie
频率增高，结电容分流电流iCTe增大， 导致交流发射效率γ下降。
即 f = f 时，|α|=α0/ 。2
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
β截止频率 f
f 表示共发射极短路电流放大系数的
幅值|β|下降到低频值β0的1/ 时2 的频率。
即
=
fห้องสมุดไป่ตู้
f
时，|β|=β0/
2
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
最高振荡频率 f m
f m 表示最佳功率增益等于1时的频率。
晶体管具有功率增益的频率极限。
当 f fm 时，晶体管停止振荡。
第四章晶体管频率特性与功率特性
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第四章 晶体管的频率特性和功率特性
共基极短路电流放大系数与频率的关系
1. 共基极交流短路电流放大系数的 定性分析
ic
i e v BC0 0
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第四章 晶体管的频率特性和功率特性
发射结势垒电容分流电流iCTe
当发射极输入一交变信号时，发射结空间电荷区宽度 将随着交变信号变化，因而需要一部分电子电流对发射结 势垒电容进行充放电。（有一部分电子电流被势垒电容分 流，形成分流电流iCTe）
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
第4 章
晶体管的频率特性与功率特性
4.1 晶体管的频率特性 4.2 高频等效电路 4.3 高频功率增益和最高振荡频率 4.4 晶体管的大电流特性 4.5 晶体管的最大耗散功率PCmT 4.6 功率晶体管的二次击穿和安全工作区 4.7 高频大功率晶体管的图形结构
inc(xm)=incc+iCTc
第四章晶体管频率特性与功率特性
半导体器件物理