半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理晶体管的频率特性与功率特性晶体管的频率特性与功率特性 第第 4 章章4.1 4.1 晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管的频率特性4.2 4.2 高频等效电路高频等效电路高频等效电路高频等效电路4.3 4.3 高频功率增益和最高振荡频率高频功率增益和最高振荡频率高频功率增益和最高振荡频率高频功率增益和最高振荡频率4.4 4.4 晶体管的大电流特性晶体管的大电流特性晶体管的大电流特性晶体管的大电流特性4.5 4.5 晶体管的最大耗散功率晶体管的最大耗散功率晶体管的最大耗散功率晶体管的最大耗散功率P PCmT CmT 4.6 4.6 功率晶体管的二次击穿和安全工作区功率晶体管的二次击穿和安全工作区功率晶体管的二次击穿和安全工作区功率晶体管的二次击穿和安全工作区 4.7 4.7 高频大功率晶体管的图形结构高频大功率晶体管的图形结构高频大功率晶体管的图形结构高频大功率晶体管的图形结构 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 本章重点本章重点本章重点本章重点 晶体管的频率特性晶体管的频率特性 晶体管的功率增益和最高振荡频率晶体管的功率增益和最高振荡频率 晶体管的大电流特性晶体管的大电流特性 晶体管的二次击穿晶体管的二次击穿 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 在交流工作状态下，在交流工作状态下，P-N结的电容效应结的电容效应将对晶体管的工作特性产生影响。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。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时，就无法使用，这就表明晶体管的使用频率有一个极限。频率有一个极限。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理主要的高频参数主要的高频参数 截止频率截止频率 特征频率特征频率 高频功率增益高频功率增益 最高振荡频率最高振荡频率 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理4.1 晶体管的频率特性晶体管的频率特性晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理截止频率截止频率 （共基极截止频率）（共基极截止频率） 表示共基极短路电流放大系数的幅表示共基极短路电流放大系数的幅值值|下降到低频值下降到低频值0的的1/ 时的频率。时的频率。 即即 = 时，时，|=0/ 。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理截止频率截止频率 表示共发射极短路电流放大系数的表示共发射极短路电流放大系数的 幅值幅值|下降到低频值下降到低频值0的的1/ 时的频率。时的频率。 即即 = 时，时，|=0/ 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 反映了电流放大系数反映了电流放大系数的幅值的幅值 |随频率上升而下降的快慢，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。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晶体管电流放大的频率极限是后面将要讲到的特征频率。讲到的特征频率。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理特征频率特征频率 表示共射短路电流放大系数的幅值表示共射短路电流放大系数的幅值 下降到下降到|=1时的频率。时的频率。 它是晶体管在共射运用中具有电流放大它是晶体管在共射运用中具有电流放大作用的频率极限。作用的频率极限。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 从图可以看出，上述几个频率参数间有如下关系从图可以看出，上述几个频率参数间有如下关系 且且 很接近很接近 当工作频率满足当工作频率满足 关系时，关系时，|随频率的增加，按随频率的增加，按-6dB/倍频的速度下降。倍频的速度下降。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理最高振荡频率最高振荡频率 表示最佳功率增益等于表示最佳功率增益等于1时的频率。时的频率。晶体管具有功率增益的频率极限。晶体管具有功率增益的频率极限。当当 时，晶体管停止振荡。时，晶体管停止振荡。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理共基极短路电流放大系数与频率的关系共基极短路电流放大系数与频率的关系1.共共基基极极交交流流短短路路电电流流放放大大系系数数的的定性分析定性分析2.共共基基极极交交流流短短路路电电流流放放大大系系数数的的定量分析（略）定量分析（略）3.共共基基极极交交流流短短路路电电流流放放大大系系数数和和截止频率截止频率 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理定性分析定性分析 共基极交流短路电流放大系数定义为输出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交流短路时，集电极输出交流电流ic与发射极与发射极输入交流电流输入交流电流ie之比，并用之比，并用表示。（交流信号表示。（交流信号用小写字母表示。）用小写字母表示。）晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理发射结势垒电容分流电流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，形成分流电流流，形成分流电流iCTe） 所以高频时发射极电流为所以高频时发射极电流为 ine 发射结注入基区交流电子电流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）发射结反注入空穴电流（基区注入发射结的空穴电流）晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理交流发射效率交流发射效率 频率增高，结电容分流电流频率增高，结电容分流电流iCTe增大，增大，导致交流发射效率导致交流发射效率下降。下降。 所以，交流发射效率所以，交流发射效率随频率的升高而随频率的升高而下降。下降。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理扩散电容分流电流扩散电容分流电流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，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，形成复合电流合，形成复合电流iVR外，还有一部分将消耗于外，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，真正到达基区集电结边界的电子电流只有有inc(0)。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理交流基区输运系数交流基区输运系数 频率越高，分流电流频率越高，分流电流iCDe越大，到达越大，到达集电结的电子电流集电结的电子电流inc(0)越小越小 所以，基区输运系数所以，基区输运系数*也随着频率的也随着频率的升高而下降。升高而下降。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理集电结空间电荷区输运系数集电结空间电荷区输运系数 到达集电结边界的电子电流到达集电结边界的电子电流inc(0)，通过集电，通过集电结空间电荷区时需要一定的传输时间；耗尽层中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，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使到达集电区边界的电子电流减少到inc(xm) 。 频率越高，位移电流越大，使频率越高，位移电流越大，使d随着频率增随着频率增高而下降高而下降。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理集电结势垒电容分流电流集电结势垒电容分流电流iCTc 到达集电区的交变电子电流，在通到达集电区的交变电子电流，在通过集电区时过集电区时 ，还需要用一部分电子电流，还需要用一部分电子电流对集电结势垒电容充放电，形成势垒电对集电结势垒电容充放电，形成势垒电容的分流电流容的分流电流iCTc ，真正到达集电极的，真正到达集电极的电子电流只有电子电流只有incc inc(xm)=incc+iCTc 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理集电区衰减因子集电区衰减因子c 集电极输出电流集电极输出电流ic应该等于从发射极传输过应该等于从发射极传输过来的电子电流来的电子电流incc和集电结反向电流和集电结反向电流ipc之和。之和。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理共基极交流短路电流放大系数共基极交流短路电流放大系数 在各个传输过程中，由于结电容对传输电在各个传输过程中，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）。入信号间存在相位差（延迟或不同步）。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 交流放大系数交流放大系数是复数，其幅值随着是复数，其幅值随着频率的升高而下降，相位差随着频率的升频率的升高而下降，相位差随着频率的升高而增大。高而增大。0 共基极短路电流放大系数的低频值共基极短路电流放大系数的低频值 截止频率截止频率 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理共发射极短路电流放大系数及其截止频率共发射极短路电流放大系数及其截止频率 共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数：工作在共射状：工作在共射状态下的晶体管在输出端交流短路态下的晶体管在输出端交流短路VCE0=0时，集时，集电极交流电流电极交流电流ic与基极输入电流与基极输入电流ib之比。之比。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理共发射极短路电流放大系数共发射极短路电流放大系数共射交流放大系数共射交流放大系数也是复数也是复数幅值随着频率升高而下降幅值随着频率升高而下降相位滞后随着频率升高而增大相位滞后随着频率升高而增大 （与（与 类似）类似）晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 与与 的关系的关系说明说明 共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数比共基短路电流比共基短路电流放大系数放大系数下降更快。下降更快。 因此，共基电路比共射电路频带更宽。因此，共基电路比共射电路频带更宽。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理4.3 高频功率增益和最高振荡频率高频功率增益和最高振荡频率 功率增益表示晶体管对功率的放大功率增益表示晶体管对功率的放大能力。能力。 本节从等效电路入手，用简化方法本节从等效电路入手，用简化方法求出功率增益表达式，用求出功率增益表达式，用h h参数导出功参数导出功率增益的一般表达式和最佳功率增益表率增益的一般表达式和最佳功率增益表示式。示式。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理功率增益功率增益输出功率和输入功率的比值。输出功率和输入功率的比值。 最佳功率增益最佳功率增益 信号源所供给的最大功率与晶体管向负载输出的信号源所供给的最大功率与晶体管向负载输出的最大功率之比，即是输入输出阻抗各自匹配时的功率增益。最大功率之比，即是输入输出阻抗各自匹配时的功率增益。GPm 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理共射等效电路共射等效电路晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理共射晶体管的最佳功率增益表达式共射晶体管的最佳功率增益表达式晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 实际晶体管中，集电极的输出阻抗除集电结实际晶体管中，集电极的输出阻抗除集电结势垒电容外，还存在延伸电极电容和管壳寄生电势垒电容外，还存在延伸电极电容和管壳寄生电容等，用容等，用Cc表示集电极的总输出电容。表示集电极的总输出电容。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理最佳功率增益最佳功率增益GPm=1时的频率，时的频率，它是晶体管真正具有功率放大能力的频率限制。它是晶体管真正具有功率放大能力的频率限制。最高振荡频率最高振荡频率最高振荡频率表达式最高振荡频率表达式晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理频带宽度频带宽度 高频优值（增益高频优值（增益-带宽乘积）表达式带宽乘积）表达式 高频优值全面地反映了晶体管的功率和频高频优值全面地反映了晶体管的功率和频率性能，而且只与晶体管本身的参数有关，因率性能，而且只与晶体管本身的参数有关，因此高频优值是设计和制造高频功率晶体管的重此高频优值是设计和制造高频功率晶体管的重要依据之一。要依据之一。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理4.4 晶体管的大电流特性晶体管的大电流特性 较大功率的晶体管需要工作在高耐压和大较大功率的晶体管需要工作在高耐压和大电流条件下。而在大电流区域，晶体管的直电流条件下。而在大电流区域，晶体管的直流和交流特性都会发生明显变化，电流增益流和交流特性都会发生明显变化，电流增益和特征频率等参数都会随着集电极电流增大和特征频率等参数都会随着集电极电流增大而迅速下降，从而使集电极最大工作电流受而迅速下降，从而使集电极最大工作电流受到了限制。到了限制。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理集电极最大电流集电极最大电流IcM 共发射极共发射极直流短路电流直流短路电流放大系数放大系数下降下降到其最大值到其最大值M的一半时所对的一半时所对应的集电极电应的集电极电流流 。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 以共发射极运用为例，如何根据电源电压以共发射极运用为例，如何根据电源电压以共发射极运用为例，如何根据电源电压以共发射极运用为例，如何根据电源电压V Vcccc和和和和输出功率输出功率输出功率输出功率P POO的要求来确定的要求来确定的要求来确定的要求来确定I IcMcM。 IcM的数值由输出功率的数值由输出功率PO和电源电压和电源电压Vcc决定。要提高晶体管的输出功率就必决定。要提高晶体管的输出功率就必须提高须提高IcM。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理大电流工作时产生的三个效应大电流工作时产生的三个效应 通过晶体管的电流是电流密度和结面积的乘积，通过晶体管的电流是电流密度和结面积的乘积，可见要增大电流有两种方法：增大结面积和增加电可见要增大电流有两种方法：增大结面积和增加电流密度。流密度。 增大结面积的方法并不可取，（结面积的增大增大结面积的方法并不可取，（结面积的增大会导致成品率的降低，并会增大结电容而使晶体管会导致成品率的降低，并会增大结电容而使晶体管的高频性能变差）。的高频性能变差）。 然而，电流密度的增加会导致电流放大系数、特然而，电流密度的增加会导致电流放大系数、特征频率和基极电阻的下降。征频率和基极电阻的下降。 以下定性分析大电流密度时产生的三个效应。以下定性分析大电流密度时产生的三个效应。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理小注入：为维持电中性所增加的多子可忽略小注入：为维持电中性所增加的多子可忽略大注入：为维持电中性所增加的多子不可忽略大注入：为维持电中性所增加的多子不可忽略基区电导调制效应基区电导调制效应 小注入小注入 大注入大注入 基区多子浓度增大导基区多子浓度增大导致基区电导率增大致基区电导率增大 “基区电导调制效应基区电导调制效应”（基区电导率受注入电流（基区电导率受注入电流调制）调制）晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理发射极电流集边效应发射极电流集边效应（基区电阻自偏压效应（基区电阻自偏压效应 ） 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此产生发射极电流集边效应。产生发射极电流集边效应。 由基区电阻的不均匀所导致由基区电阻的不均匀所导致晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理梳状电极平面晶体管的结构示意图梳状电极平面晶体管的结构示意图 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 横向压降随着基区薄层电阻的增大而增大，横向压降随着基区薄层电阻的增大而增大，随着随着y的增加而上升。的增加而上升。 即发射极条宽越宽，距离发射极中心越远，即发射极条宽越宽，距离发射极中心越远，则基区横向压降越大，发射极电流集边效则基区横向压降越大，发射极电流集边效应就越明显。应就越明显。 此外，工作电流越大，基区横向压降也此外，工作电流越大，基区横向压降也越大，发射极电流集边效应也就越明显。越大，发射极电流集边效应也就越明显。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理防止发射极电流集边效应防止发射极电流集边效应 为了减小基区横向压降，防止发射极电流集为了减小基区横向压降，防止发射极电流集边效应，应尽量缩小发射极宽度。边效应，应尽量缩小发射极宽度。 但实际晶体管中，最小条宽的选择往往受光但实际晶体管中，最小条宽的选择往往受光刻和制版工艺水平的限制。刻和制版工艺水平的限制。 因此，在选择条宽时，既要防止电流集边，因此，在选择条宽时，既要防止电流集边，使发射结面积得到充分利用，而尽量选用较小使发射结面积得到充分利用，而尽量选用较小的条宽；但又不能选取过小的条宽，使工艺难的条宽；但又不能选取过小的条宽，使工艺难度增大。度增大。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理4.5 4.5 晶体管的最大耗散功率晶体管的最大耗散功率晶体管的最大耗散功率晶体管的最大耗散功率P PCmCm和热阻和热阻和热阻和热阻R RT T 最大耗散功率就是晶体管的主要热限制参数。最大耗散功率就是晶体管的主要热限制参数。 因为晶体管在受到电学特性限制的同时，还要受因为晶体管在受到电学特性限制的同时，还要受到热学特性的限制。到热学特性的限制。总耗散功率总耗散功率 PC 晶体管工作时，电流通过发射结、集电结和晶体管工作时，电流通过发射结、集电结和体串联电阻都会发生功率耗散体串联电阻都会发生功率耗散 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 在正常工作状态下，发射结正向偏置电压在正常工作状态下，发射结正向偏置电压VBE远小于集电极反向偏置电压远小于集电极反向偏置电压VCB，体串联电阻，体串联电阻rcs也也很小。很小。 因此，晶体管的功率主要耗散在集电结上。因此，晶体管的功率主要耗散在集电结上。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 耗散功率转换为热量，使集电结变成晶体管的发耗散功率转换为热量，使集电结变成晶体管的发热中心，集电结温度升高。热中心，集电结温度升高。 当结温当结温Tj高于环境温度高于环境温度Ta时，热量就靠温差由管时，热量就靠温差由管芯通过管壳向外散发。芯通过管壳向外散发。 散发出的热量随着温差（散发出的热量随着温差（Tj-Ta）的增大而增大。）的增大而增大。 在散热条件一定的情况下，耗散功率在散热条件一定的情况下，耗散功率PC越大，结越大，结温就越高。温就越高。 最高结温最高结温Tjm：晶体管能正常地、长期可靠工作的：晶体管能正常地、长期可靠工作的P-N结温度。结温度。 与材料的电阻率和器件的可靠性有关。与材料的电阻率和器件的可靠性有关。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理热阻热阻热阻热阻表示晶体管散热能力的大小表示晶体管散热能力的大小 任意两点间的温差与其热流之比任意两点间的温差与其热流之比 稳态热阻：直流工作状态下的热阻稳态热阻：直流工作状态下的热阻 RT瞬态热阻：在开关和脉冲电路中，随时间变化瞬态热阻：在开关和脉冲电路中，随时间变化的晶体管的热阻的晶体管的热阻 RTs 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理稳态 瞬态 最大耗散功率表达式最大耗散功率表达式晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理尽量降低晶体管的热阻尽量降低晶体管的热阻RT；选用最高结温选用最高结温Tjm高的材料；高的材料； 尽量降低使用时的环境温度尽量降低使用时的环境温度Ta。 提高晶体管最大耗散功率的主要措施提高晶体管最大耗散功率的主要措施 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理4.6 功率晶功率晶体管的二次击穿和安全工作区体管的二次击穿和安全工作区 二次击穿是功率晶体管早期失效二次击穿是功率晶体管早期失效或损坏的重要原因，它已成为影响功或损坏的重要原因，它已成为影响功率晶体管安全可靠使用的重要因素。率晶体管安全可靠使用的重要因素。 自从自从1957年发现二次击穿现象以年发现二次击穿现象以来，二次击穿一直受到极大的重视。来，二次击穿一直受到极大的重视。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理晶体管二次击穿的实验曲线晶体管二次击穿的实验曲线 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 击穿曲线上可用击穿曲线上可用A、B、C、D四点将其分为四四点将其分为四个区域。个区域。 当电压当电压VCE增加到集电结的雪崩击穿电压时，增加到集电结的雪崩击穿电压时，首先在首先在A点发生雪崩击穿；点发生雪崩击穿； 雪崩击穿后，集电极电流雪崩击穿后，集电极电流IC随电压增加很快随电压增加很快上升。当电流增加到上升。当电流增加到B点，并在点，并在B点经过短暂的点经过短暂的停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电流流C点，若电路无限流措施，电流将继续增加，点，若电路无限流措施，电流将继续增加，进入低压大电流区域进入低压大电流区域CD段，直至最后烧毁。段，直至最后烧毁。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 二次击穿二次击穿 器件承受的电压突然降低，电流继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。低压大电流状态的一种现象。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。 在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器件特性恶化或失效。件特性恶化或失效。 若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二次击穿特性，利用此特性可以制成二次击穿振荡次击穿特性，利用此特性可以制成二次击穿振荡器。器。 二次击穿耐量低的晶体管，经多次二次击穿二次击穿耐量低的晶体管，经多次二次击穿后必然失效。后必然失效。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理二次击穿的机理二次击穿的机理 热型（热不稳定型）：二次击穿是局部温度升高和热型（热不稳定型）：二次击穿是局部温度升高和电流集中往复循环的结果。电流集中往复循环的结果。 而循环和温度升高都需要一定的时间，因此热而循环和温度升高都需要一定的时间，因此热型二次击穿的触发时间较长。（慢速型）型二次击穿的触发时间较长。（慢速型） 电流型（雪崩注入型）：由雪崩注入引起电流型（雪崩注入型）：由雪崩注入引起 雪崩击穿即刻发生，所以此种击穿的特点是器雪崩击穿即刻发生，所以此种击穿的特点是器件由高压小电流状态向低压大电流状态过渡十分件由高压小电流状态向低压大电流状态过渡十分迅速，所需延迟时间很短，因此电流型二次击穿迅速，所需延迟时间很短，因此电流型二次击穿是快速型的二次击穿。是快速型的二次击穿。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理晶体管的安全工作区（晶体管的安全工作区（SOA） 晶体管能安全可靠地工作，并具有较长寿晶体管能安全可靠地工作，并具有较长寿命的工作范围。命的工作范围。 由最大集电极电流由最大集电极电流ICM，极限电压，极限电压BVCE0，最大功耗线和二次击穿临界线，最大功耗线和二次击穿临界线PsB所限定所限定的区域。的区域。晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理功功率率晶晶体体管管直直流流安安全全工工作作区区 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 最大功耗线（图中实线）最大功耗线（图中实线） 由最大耗散功率由最大耗散功率PCm、热阻、最高结温和环境、热阻、最高结温和环境温度决定。温度决定。 功耗线右边（功耗线右边（区）为功率耗散过荷区。功率区）为功率耗散过荷区。功率过大，将产生大量热量，造成引线熔断和镍铬过大，将产生大量热量，造成引线熔断和镍铬电阻烧毁等。电阻烧毁等。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 二次击穿临界线（图中虚线）二次击穿临界线（图中虚线） 由实验测定，它随改善二次击穿特性措施的由实验测定，它随改善二次击穿特性措施的实施而逐渐靠近最大功耗线。实施而逐渐靠近最大功耗线。 区域区域为热型二次击穿区。工作在此区内，为热型二次击穿区。工作在此区内，晶体管将产生过热点，最终导致材料局部熔化，晶体管将产生过热点，最终导致材料局部熔化，结间产生熔融孔而永久失效。结间产生熔融孔而永久失效。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 区为雪崩注入二次击穿区，若外电区为雪崩注入二次击穿区，若外电路无限流措施，同样会造成晶体管永久失路无限流措施，同样会造成晶体管永久失效。效。 区为雪崩击穿区。在区为雪崩击穿区。在、两区两区内，若采取限流措施，均不会造成晶体管内，若采取限流措施，均不会造成晶体管永久失效，永久失效， 区为电流过荷区，电流过荷区将会区为电流过荷区，电流过荷区将会使使、特征频率等参数严重下降，晶体管、特征频率等参数严重下降，晶体管性能恶化。性能恶化。 晶体管频率特性与功率特性半导体器件物理半导体器件物理第四章第四章第四章第四章 晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性晶体管的频率特性和功率特性半导体器件物理半导体器件物理 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区（图中阴影部分）（图中阴影部分） 安全工作区的大小与电路工作状态有安全工作区的大小与电路工作状态有关。关。 从设计和制造的角度考虑，尽量扩大从设计和制造的角度考虑，尽量扩大晶体管的安全工作区仍是高频功率管晶体管的安全工作区仍是高频功率管的重要任务。的重要任务。晶体管频率特性与功率特性