晶体管的频率特性与功率特性
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
微电子器件第四章功率特性
J ne
nb (0) 2qDnb Wb
图4-2 大注入下缓变基区晶体管基区电子浓度分布[33]
结论：大注入对缓变基区晶体管基区电子及其电流密度的影 响与对均匀基区晶体管的相似。
这是因为在大注入条件下的缓变基区中，大注入自建电场对基区多
子浓度梯度的要求与基区杂质电离以后形成的多子浓度梯度方向是一致 的，这时杂质电离生成的多子不再象小注入时那样向集电结方向扩散并
注入载流子以及为维持电中性而增加的多子使 得基区电阻率显著下降，并且电阻（导）率随 注入水平变化，称为基区电导调制效应
可见，非平衡少子浓度的变化引起基区电阻率的变化（调制） 实际上，引起电阻率变化的因素包括高浓度的非平衡少子，但 作为基区电导调制效应影响电流放大系数（发射效率）的是基 区多子——空穴
dx dn J n q n pE qDn dx
对多子空穴,动态平衡时,扩散流等于漂移流, J p 0 dp( x) kT 1 dp( x) p ( x) p E D p E dx q p( x) dx
p( x) N B ( x) nb ( x) E dnb kT 1 d kT NB 1 dNB 1 ( N B nb ) ( ) q N B nb dx q N B nb N B dx N B nb dx
建立缓变基区自建电场，而是按照基区大注入自建电场的要求去重新分
布。 因此，不同电场因子的缓变基区在大注入下有相同的电子浓度分布。 可以说，在大注入情况下，大注入自建电场取代（掩盖）了由于杂质分 布不均匀所形成的电场（缓变基区自建电场）。
在(大注入、缓变基区)自建电场E作用下 dp J p q p pE qDp
eWb I neWb Wb2 SASWb (1 ) 2 b b Lpe 2 Ae qDnb N b 4 Lnb 2 Ae Dnb
不同类型晶体管的区别和特点
不同类型晶体管的区别和特点晶体管是一种电子器件，用于控制电流通过的开关。
根据其结构和材料特性的不同，晶体管可以分为多种类型，每种类型都具有不同的特点和应用领域。
一、晶体管的分类根据材料类型的不同，晶体管可以分为两大类：硅基晶体管和化合物半导体晶体管。
1. 硅基晶体管硅基晶体管是最常见的晶体管类型，其主要由硅材料制成。
硅材料具有丰富的资源、制造工艺成熟、价格低廉等优点，因此硅基晶体管是最广泛应用的晶体管类型。
硅基晶体管又可分为三类：NPN型、PNP型和MOS型。
（1）NPN型晶体管：NPN型晶体管是最常见的硅基晶体管类型。
其结构由两个N型半导体夹一个P型半导体构成，中间的P型半导体称为基区。
NPN型晶体管通常用于放大电路和开关电路，其特点是集电极和发射极之间的电流放大倍数高，适用于高频和高速的电路。
（2）PNP型晶体管：PNP型晶体管与NPN型晶体管结构相反，由两个P型半导体夹一个N型半导体构成。
PNP型晶体管与NPN型晶体管的工作原理及应用领域相似，但由于电流流动的方向相反，其极性也相反。
（3）MOS型晶体管：MOS型晶体管（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种基于金属-绝缘体-半导体结构的晶体管。
它的主要特点是电流消耗小，输入电阻高，适用于低功耗和高速的电路。
MOS型晶体管广泛应用于数字电路和微处理器等领域。
2. 化合物半导体晶体管化合物半导体晶体管由多种化合物材料构成，如砷化镓（GaAs）、碲化镉（CdTe）等。
与硅基晶体管相比，化合物半导体晶体管具有更高的载流子迁移率和更好的高频特性，因此在高频和高速电路中具有广泛的应用。
化合物半导体晶体管主要有以下几种类型：HBT、HEMT和MESFET。
（1）HBT（异质结双极型晶体管）：HBT是由不同的材料构成的异质结构，常见的是砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）的组合。
HBT具有高迁移率和高频特性，适用于高速数字电路和射频放大器等领域。
（2）HEMT（高电子迁移率晶体管）：HEMT是一种基于异质结构的晶体管，其材料组合主要是砷化镓（GaAs）和铝镓砷（AlGaAs）。
晶体管的主要参数有电流放大系数
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。
※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。
hFE或β既有区别又关系密切，两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异。
※耗散功率耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM，是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。
耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。
晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过PCM值，否则会造成晶体管因过载而损坏。
通常将耗散功率PCM小于1W的晶体管称为小功率晶体管，PCM等于或大于1W、小于5W的晶体管被称为中功率晶体管，将PCM等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。
※频率特性晶体管的电流放大系数与工作频率有关。
若晶体管超过了其工作频率范围，则会出现放大能力减弱甚至失去放大作用。
晶体管的频率特性参数主要包括特征频率fT和最高振荡频率fM等。
1．特征频率fT 晶体管的工作频率超过截止频率fβ或fα时，其电流放大系数β值将随着频率的升高而下降。
特征频率是指β值降为1时晶体管的工作频率。
通常将特征频率fT小于或等于3MHZ的晶体管称为低频管，将fT大于或等于30MHZ的晶体管称为高频管，将fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶体管称为中频管。
2．最高振荡频率fM 最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1时所对应的频率。
通常，高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率fα，而特征频率fT则高于共基极截止频率fα、低于共集电极截止频率fβ。
晶体管图示仪的测试原理
晶体管图示仪的测试原理晶体管图示仪是一种用于测试和分析晶体管性能的仪器。
它通过对晶体管进行电流-电压（I-V）特性曲线的测量，来评估晶体管的工作状态和性能。
晶体管图示仪的测试原理主要包括以下几个方面：1. 电流-电压特性测量：晶体管图示仪通过在晶体管的基极、发射极和集电极之间施加不同的电压，测量晶体管的电流-电压特性曲线。
这些特性曲线可以显示晶体管的工作区域、饱和区、截止区等工作状态，以及晶体管的放大倍数、输入电阻、输出电阻等性能参数。
2. 输入输出特性测量：晶体管图示仪还可以测量晶体管的输入输出特性。
输入特性是指在给定的集电极电压下，测量晶体管的基极电流与基极电压之间的关系；输出特性是指在给定的基极电流下，测量晶体管的集电极电压与集电极电流之间的关系。
通过测量输入输出特性，可以评估晶体管的放大倍数、输入电阻、输出电阻等性能参数。
3. 频率响应测量：晶体管图示仪还可以测量晶体管的频率响应特性。
频率响应是指晶体管在不同频率下的放大倍数和相位差。
通过测量频率响应，可以评估晶体管的截止频率、增益带宽等性能参数。
4. 功率测量：晶体管图示仪还可以测量晶体管的功率特性。
功率特性是指晶体管在不同电压和电流下的功率输出。
通过测量功率特性，可以评估晶体管的最大功率输出、效率等性能参数。
晶体管图示仪的测试原理基于电子学和半导体物理学的基本原理。
晶体管是一种半导体器件，其工作原理基于PN结和场效应晶体管的原理。
晶体管图示仪通过施加不同的电压和电流，可以改变晶体管的工作状态，从而测量和分析晶体管的性能。
总之，晶体管图示仪通过测量晶体管的电流-电压特性、输入输出特性、频率响应特性和功率特性，来评估晶体管的工作状态和性能。
它是一种重要的测试仪器，用于研究和开发半导体器件、电子电路和通信系统等领域。
射频功率mosfet
射频功率mosfet射频功率MOSFET是一种广泛应用于无线通信、广播、雷达等领域的高功率放大器元件。
它具有高频特性好、功率密度高、可靠性高等优点，因此在现代通信系统中得到了广泛应用。
本文将从MOSFET 的基本原理、射频功率MOSFET的结构和特点、射频功率MOSFET的应用等方面进行讨论。
一、MOSFET的基本原理MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种半导体器件，由源极、漏极和栅极三个电极组成。
其工作原理是利用栅极电场控制源漏电流的大小。
当栅极电压为零时，MOSFET处于截止状态，没有漏电流通过。
当栅极电压增加时，栅极与漏极之间的电场强度增加，使得漏极电流增加。
当栅极电压达到一定值时，MOSFET将进入饱和状态，此时漏极电流已经达到最大值。
二、射频功率MOSFET的结构和特点射频功率MOSFET与普通MOSFET相比，其主要区别在于结构和工艺上的改进。
首先，射频功率MOSFET的漏极和栅极之间采用了多层金属结构，以降低电阻和电感，提高高频特性。
其次，射频功率MOSFET 的源极和漏极采用了大面积的金属接触，以降低接触电阻和热阻，提高功率密度。
最后，射频功率MOSFET的封装和散热结构也得到了改进，以提高可靠性和耐受能力。
射频功率MOSFET的特点主要有以下几点：1、高频特性好：射频功率MOSFET的多层金属结构和大面积金属接触能够降低电阻和电感，提高高频特性，使其在高频段具有良好的放大和调制特性。
2、功率密度高：射频功率MOSFET的大面积金属接触和优化的散热结构能够提高功率密度，使其在相同体积和重量下能够输出更高的功率。
3、可靠性高：射频功率MOSFET的结构和工艺经过了严格的优化和测试，能够保证其长期稳定工作，具有较高的可靠性和寿命。
三、射频功率MOSFET的应用射频功率MOSFET在无线通信、广播、雷达等领域得到了广泛应用。
其主要应用包括以下几个方面：1、无线通信：射频功率MOSFET能够在高频段实现高效的放大和调制，使其在无线通信系统中得到广泛应用。
2sc4110晶体管典型应用
2SC4110晶体管是一种高频功率放大器，广泛应用于无线通信设备、雷达系统、医疗设备等领域。
它的特性和应用非常值得我们深入了解。
一、2SC4110晶体管的特性1. 高频特性：2SC4110晶体管具有高频特性，频率范围广，响应速度快，适用于需要高频放大的场合。
2. 高功率特性：2SC4110晶体管能够承受较大的功率，具有较高的输入输出功率。
3. 低噪声系数：噪声系数是衡量放大器性能优劣的重要指标之一，2SC4110晶体管具有较低的噪声系数，能够保证信号的清晰度和准确性。
4. 高稳定性：2SC4110晶体管具有高稳定性，能够在各种环境条件下保持良好的工作状态。
5. 宽工作温度范围：2SC4110晶体管的工作温度范围较宽，适用于各种工作环境。
二、2SC4110晶体管的典型应用1. 通讯设备：2SC4110晶体管广泛用于无线通讯设备中，如基站、移动通信设备等。
其高频特性和高功率特性能够满足通讯设备对信号放大和传输的要求，保证通讯质量。
2. 雷达系统：2SC4110晶体管在雷达系统中起着重要作用，能够放大雷达接收到的微弱信号，并将其转化为可靠的输出信号，用于探测目标。
3. 医疗设备：在医疗设备中，如医用超声仪、医用电子显微镜等，也可以看到2SC4110晶体管的身影。
它在医用设备中能够提供稳定、高质量的信号放大功能，保证了医疗设备的正常运行和准确性。
4. 工业控制：2SC4110晶体管还广泛应用于工业控制领域，如自动化生产线、机器人系统等。
其高频特性和高功率特性能够满足工业控制对信号放大和精准控制的需求。
三、2SC4110晶体管的发展趋势1. 多功能化：未来，2SC4110晶体管有望实现多功能化，能够在更多的领域得到应用，如无线充电设备、智能家居系统等。
2. 小型化：2SC4110晶体管可能会朝着小型化方向发展，以适应设备小型化的趋势，满足设备对硬件尺寸的要求。
3. 高效化：未来2SC4110晶体管有望实现更高的功率效率和更低的功耗，以满足对能源利用效率要求日益增加的应用场景。
晶体管 频率
晶体管频率晶体管是一种半导体元件，成型后可用于放大、开关、稳压等不同的应用中。
晶体管的主要优点是尺寸小、重量轻、易于制造和集成电路，它的性能已经得到了不断的提高和改进。
晶体管内部结构复杂，但是可简单地描述成一个三层结构，它有一个n型半导体、一个p型半导体和一个n型半导体组成。
中间的p型半导体称为基区，它的宽度和掺杂浓度是决定晶体管电流放大因子的关键因素。
晶体管的基本工作原理是通过控制基区内的电场来控制晶体管的电流。
在一个npn晶体管中，当基极施加电压，电子从发射区射出，经由基区进入集电区，同时由基极吸收并流回给控制区的离子，将整个晶体管置于放大模式。
晶体管数量庞大，但它们都具有基本的工作特性。
其中最重要的特性之一是频率响应。
频率响应可以定义为晶体管的高频限制，也就是其最大工作频率。
如果晶体管的频率响应不足，则其传输功率将会降低，因此，低频率的信号会被过滤掉。
但是，如果正好能够使用高于中断频率的信号，则会观察到晶体管的非常不同的行为。
例如，晶体管可以被用作功率放大器。
在高频率操作条件下，频率响应是一个非常重要的性能参数。
晶体管频率响应的高低限在一定程度上取决于晶体管的内部结构、集电区的宽度、掺杂浓度、温度等因素。
在高频率操作条件下，晶体管的频率响应可以通过调整基区宽度和收集结电容来提高。
造成高频噪音和减少开关速度的一个重要因素是晶体管收集结电容。
在高频驱动条件下，收集结电容为晶体管钳位的负载，阻碍了收集器的响应，并让晶体管的放大变得更加困难。
为了尽量减少这种影响，通常会选择高功率噪声低、静态电流大、电容小且时间常数短的晶体管。
掺杂过度会导致与内部电路之间的隔离耦合，进而影响到高频特性。
总之，晶体管是现代电子器件最重要的元件之一。
晶体管的现状和未来发展仍然是研究和探索的主题。
频率响应对晶体管的性能有很大影响，因此在应用中需要根据所需的功能和操作频率选择适当的晶体管。
随着技术的不断发展，越来越多的高性能晶体管将涌现出来，推动电子器件的发展和进步。
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即 f = f 时，|β|=β0/
2
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
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。
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
ic ine inc (0)
ie ie ine
*
在各个传输过程中，由于结电容对传输电 流的分流作用，使传输电流的幅值减小，对电 容充放电所产生的延迟时间，使输出信号同输 入信号间存在相位差（延迟或不同步）。
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 f m 时，晶体管停止振荡。
半导体器件物理
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
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
集电区衰减因子αc
c
i ncc i nc (x m )
集电极输出电流ic应该等于从发射极传输过 来的电子电流incc和集电结反向电流ipc之和。
i c i ncc i pc
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
共基极交流短路电流放大系数α
ic
i e vBC00
半导体器件物理
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）
所以高频时发射极电流为
所以，交流发射效率γ随频率的升高而 下降。
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)。
i e i ne i pe i CTe
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）
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 1 ipe iCTe
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。
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
i nc (x m ) i nc (0)
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
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。）
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/ 2时的频率。
即 f = f 时，|α|=α0/ 。2
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。
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。
它是晶体管在共射运用中具有电流放大 作用的频率极限。
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。
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PCm和热阻RT 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
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。
频率越高，位移电流越大，使βd随着频率增
高而下降。
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
inc(xm)=incc+iCTc
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。
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
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
半导体器件物理
i ne i CDe i VR i nc (0)
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
交流基区输运系数
* i nc (0) 1 i VR iCDe
i ne
i ne
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。