实验三、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fT的物理意义并掌握其测量方法。2、通过实验了解fT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（MC：兆 周：1Mc=1兆赫MHz=1000千赫KHz）；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鄴与信 号频率 f 间的关系为：P卩= f（1）1 + jf f 邛式中卩0为低频是的电流放大系数，q为共射极的截止频率（也就是共射极电流放大系数卩 下降到刍或0.707卩0的频率）。图1画出了晶体管发射极电流放大系数卩随频率的变化曲2线。由图可见，在频率比较低时，卩基本不随频率变化，它的数值被定义为卩0。当频率比较 高时，卩值随频率f升高而下降。如果讯号频率超过发射极截止频率fp,晶体管的共射极卩 电流放大系数卩就比低频时的卩0小的多。但是，fp并不是晶体管所能使用的最高频率，因为 fp下的卩值（即0.707卩0）仍比1大的多，所以晶体管此时还是有电流放大作用的。晶体管的由1式可见，当频率远大于fp（比如f2fp就可以认为叫），时有f卩=f卩0=常数因为fT是卩等于1的f值，因此上式中的常数就是fT。所以fT（3）比较确切地反映了晶体管的频率特性。当频率低于fT时，电流放大系数卩1，晶体管有电流放大作用；当fvfT，卩V1，没有电流放大作用，所以特征频率fT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。fT 作为晶特管的频率参数的另一个优点是测量比较方便。由公式（3）可以看出，我们 并不需要去测量卩=1时的频率来测量fT,而只要在比fp高几倍（如比f卩高两倍以上）任一频 率f时测量卩值，然后求出卩与f的积就可以了。例如某一晶体管的fT为100MC,而卩0=20。 如果我们需要测出该fT时，我们不必直接测出卩=1时的f值，而只需要在高于10MC（从公 式（1）可以求得fp为5MC）的某一频率下测出对应的卩值就可以了。fT也被称为“增益宽带乘积”因为卩反映了晶体管对电流的增益作用，f代表了从低频 起到某一频率f的频带宽度。所以卩和f的乘积就代表了增益带宽乘积。例如某一电路中要 求晶体管的卩大于10，带宽是060MC，则该晶体管的特征频率应大于600MC。晶体管的电流放大系数随讯号频率增高而下降，有如下四种原因：1、发射结势垒电容的充放电引起发射效率的下降。根据晶体管的等效电路，我们知道 P-n结的势垒电容是并联在P-n结电阻上的。如图2所示。显然交流讯号i的一部分流过势 e垒电容CT，它不参加基区输运。因此使注入到基区的电子扩散流在总电流中的比例下降了。 频率越高，CT容抗越小，通过CT的电流越大，电流放大系数就越小。交流电流通过CT就是要对CT充电和放电，充电和放电所用时间越长，CT对电流放大系数的影响就越大。CT充电和放电的时间为发射结的延迟时间，用I表示：T =“c e T2、基区渡越时间使基区输运系数下降。扩散通过基区的少子具有与其有效质量及迁移 率相关联的一定的惯性，如果加到发射结上的电压的频率不断的增加，载流子对外讯号就不 能瞬间响应。其结果造成物理滞后，使复合增加，电流增益下降。这个滞后时间也称基区延 迟时间，用Tb表示:均匀基区）W 22.44 Dn5D （线性缓变基区，如平面管）n其中W是有效基区宽度，Dn是电子在基区中的扩散系数。3、集电极势垒渡越时间使电流放大系数下降。基区中的少子输运到集电结边界后，还 要越过集电结势垒区，才能到达集电区。这是需要时间的。因此在高频讯号下，必将引起势 垒区中电荷积累的迅速变化，所以需要有部分少子电流去提供这一积累，使越过势垒区能到 达集电区的少子数目比由基区输运来的少了。因此使电流放大系数下降了。渡越集电结势垒 区的时间可由下式表示：8T =0d 2Um式中80是集电结势垒厚度，Um是越过集电结势垒区的最大速率。4、集电结势垒电容的影响。和发射结相似，集电结还存在势垒电容CT和集电极体电阻 rce，所以电流越过集电结后还不能全部变成有用的ic，有一部分还要对势垒电容CT充放电， 引起电流放大系数的下降和电流的延迟，延迟时间为：t 二 r Cc ce T考虑到上述四项因素，可以得到特征频率的表达式如下：f =1T 2兀(1 + m)(T +T +T +T )ebdc式中m是超相移因子，对于硅平面管，m=0.4,所以f =(4)T W 2 82兀 X 1.4 X ( C + n + r - C )e T 5 D2Uce Tnm理论(如公式 4)和实验均证明特征频率与晶体管的工作点有密切关系。在使用中我们 可以选择适当的工作点使fT最大。图3示出了特征频率与集电极电流的关系曲线。电流比较小时，fT随Ic的增加而增加， 这是由于Ic的增加使TC变小之故；电流较大时，埠变化减小了；当电流更大时，片随Ic的 增加而下降。这有两种原因，一是大注入效应使管子的下降，从而使fT也降低了；二是基 区扩展效应使基区渡越时间增加，从而引起 fT 的下降。究竟那种原因其主要作用，则视晶 体管的结构而定。如小功率晶体管，往往是前者起主要作用；高反压管往往是后者起主要作 用。图10画出了特征频率与集电极电压的关系曲线。由图可见，随电压升高，fT也升高。这 是由于集电极电压的增加，集电极势垒变宽，使基区有效宽度W减小造成的。三、实验线路（）图5是测量fT的简单装置，其中Ug是标准高频讯号发生器； G是高频微伏表。因讯号 频率较高，所以该电路的交流等效电路如图6所示。在同轴开关KI、K2置于Ue时，高频微伏表可测得R2上的电压，并进而求出ic值, 即i-，此时的基极电流为图5cRib10kQ + h B Rie2可以测得R,上的电压并就而求出ib值,1b当K、K置于“VR1”时，高频微伏表t 即三Vri/叫。iVRV= c-VR1四、操作步骤：接通“标准高频讯号发生器”和“高频微伏表”电源预热待用。然后按图5 接好电路。把“标准高频讯号发生器”和“高频微伏表”的频率指示调到15MC （在此频率下，3DG12 晶体管的卩10，而其卩020； 3DG6晶体管的卩30。所以无论对3D%晶体管还 是对3DG6晶体管，f =15MC都是远大于其的）。6B1、测试fT随偏流Ic的变化规律： 插入被测3DG6晶体管，注意管脚不要插错。6 固定偏压Uco=3V,改变IB （从而也改变了 Ic）读出不同的Ic下的fT值。BT 把偏压Vco再调到6伏，改变Ic读出不同电流下的fT值。 把被测晶体管改为3DG12晶体管，重复、两步。2、测量fT随偏压的变化规律： 把3DG12晶体管的偏流Ic分别固定为：3mA, 5mA，改变偏压Vce，读出不同偏压 下的fT值。 把被测晶体管改为3DG6晶体管，重复的步骤。3、画出3DG12晶体管和3DG6晶体管的fT Ic和fT Vce关系曲线。并解释fTIc和 fT Vce 的规律。问题： 定性说明均匀基区晶体管与平面晶体管的基区渡越时间的差异； 在 fT Ic 关系中，如何用实验方法判断 fT 的下降是由大注入效应还是基 区扩展效应引起的？ 试说明电路图中各电容和电感的作用，请说明电阻 R2 为什么不能选的太 大的原因。