第四章晶体管的频率特性与功率特性

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。

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）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。

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。

功率晶体管功率晶体管是一种高压、高电流、高功率的电子元件。

它是一种半导体器件，能够将小信号控制大电流，被广泛应用于各种电力电子设备中，如变频器、电源、电机驱动器等。

本文将从功率晶体管的原理、结构、工作特性以及应用领域等方面进行介绍。

一、功率晶体管的原理功率晶体管（Power MOSFET）是一种基于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的半导体器件。

与普通MOSFET相比，功率晶体管主要区别在于其耐压、耐电流、导通损耗等方面更为优越。

功率晶体管的核心部件是PN结，其结构如图1所示。

图1：功率晶体管结构示意图PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，它是功率晶体管的主要控制部件。

PN结的导通与截止是通过场效应晶体管的栅电压来控制的。

栅极上的正向偏置电压会使得栅源之间形成一个电场，这个电场会影响PN结的导通与截止。

当栅极电压为零或负电压时，PN结截止，功率晶体管处于关闭状态，不导电；当栅极电压为正电压时，PN结导通，功率晶体管处于导通状态，可以通过电流。

二、功率晶体管的结构功率晶体管的结构主要包括栅极、漏极、源极、衬底等部分。

其中，源极和漏极是功率晶体管的输出端和输入端，栅极则是功率晶体管的控制端。

衬底则是功率晶体管的基底，通常与源极相连，用于固定源极电位。

功率晶体管的结构示意图如图2所示。

图2：功率晶体管结构示意图三、功率晶体管的工作特性功率晶体管的工作特性主要包括导通电阻、开关速度、漏电流等。

其中，导通电阻是功率晶体管的重要指标，它决定了功率晶体管的导通损耗。

开关速度则决定了功率晶体管的开关频率，漏电流则影响功率晶体管的工作温度和可靠性。

1.导通电阻功率晶体管的导通电阻主要由PN结的电阻、漏极电阻和接触电阻等组成。

其中，PN结的电阻和漏极电阻是功率晶体管的主要导通电阻。

为了降低功率晶体管的导通电阻，可以采用优化材料、优化结构和优化工艺等措施。

2.开关速度功率晶体管的开关速度主要由栅电容、栅电阻、栅驱动电路等因素决定。

思考题与习题4.1 按照电流导通角θ来分类，θ=180度的高频功率放大器称为甲类功放，θ>90度的高频功放称为甲乙类功放，θ=90度的高频功率放大器称为乙类功放，θ<90度的高频功放称为丙类功放。

4.2 高频功率放大器一般采用LC谐振回路作为负载，属丙类功率放大器。

其电流导通角θ<90度。

兼顾效率和输出功率，高频功放的最佳导通角θ= 60～70 。

高频功率放大器的两个重要性能指标为电源电压提供的直流功率、交流输出功率。

4.3 高频功率放大器通常工作于丙类状态，因此晶体管为非线性器件，常用图解法进行分析，常用的曲线除晶体管输入特性曲线，还有输出特性曲线和转移特性曲线。

4.4 若高频功率放大器的输入电压为余弦波信号，则功率三极管的集电极、基极、发射极电流均是余弦信号脉冲，放大器输出电压为余弦波信号形式的信号。

4.5 高频功放的动态特性曲线是斜率为1-的一条曲线。

R∑υ对应的静态特性曲线的交点位于放大区就4.6对高频功放而言，如果动态特性曲线和BEmaxυ称为欠压工作状态；交点位于饱和区就称为过压工作状态；动态特性曲线、BEmax 对应的静态特性曲线及临界饱和线交于一点就称为临界工作状态。

V由大到小变化时，4.7在保持其它参数不变的情况下，高频功率放大器的基级电源电压BB功放的工作状态由欠压状态到临界状态到过压状态变化。

高频功放的集电极V（其他参数不变）由小到大变化时，功放的工作状态由过压状态到电源电压CCV（其它参数不变）由小临界状态到欠压状态变化。

高频功放的输入信号幅度bm到大变化，功放的工作状态由欠压状态到临界状态到过压状态变化。

4.8 丙类功放在欠压工作状态相当于一个恒流源；而在过压工作状态相当于一个恒压源。

集电极调幅电路的高频功放应工作在过压工作状态，而基级调幅电路的高频功放应工作在欠压工作状态。

发射机末级通常是高频功放，此功放工作在临界工作状态。

4.9 高频功率放大器在过压工作状态时输出功率最大，在弱过压工作状态时效率最高。

晶体管简介及特性一、BJT的结构简介BJT又常称为晶体管，它的种类很多。

按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同，又可分成NPN型和PNP型等等。

但从它们的外形来看，BJT都有三个电极。

它是由两个 PN结的三层半导体制成的。

中间是一块很薄的P型半导体(几微米~几十微米)，两边各为一块N型半导体。

从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。

虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。

在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的大，这从图3.1也可看到，因此它们并不是对称的。

二、BJT的电流分配与放大作用1、BJT内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。

在外加电压的作用下， BJT内部载流子的传输过程为：（1）发射极注入电子由于发射结外加正向电压VEE，因此发射结的空间电荷区变窄，这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电流IE，其方向与电子流动方向相反。

（2）电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。

因此，电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。

电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。

这样就形成了基极电流IB，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。

也就是说，注基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。

所以为了减小复合，常把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能能到达集电结。

半导体器件物理(1)4-3 BJT 的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. 外延结构晶体管早期的平面晶体管中，衬底材料同时起集电区的作用。

为了保证晶圆的强度，在工艺加工过程中不易破碎，衬底厚300μm 左右，而BJT 核心部分只在表面几μm 范围。

(1) 早期晶体管存在的频率-功率特性矛盾4-3 BJT 的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. 外延结构晶体管要增大BJT 输出功率，则电源电压较高，要求BJT 具有较高的击穿电压，这就要求提高ρc 。

由于采用低掺杂的衬底材料，则集电区串联电阻R C 偏大，导致特征频率f T 必然较低。

因此早期大功率晶体管只能工作于较低频率。

(1) 早期晶体管存在的频率-功率特性矛盾4-3 BJT 的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. 外延结构晶体管为了提高BJT 的f T ，要求减小集电区串联电阻R C ，为此要求降低集电区材料的电阻度ρc ，则BC 结击穿电压必然偏低。

因此早期高频晶体管的输出功率均较低。

很难实现同时具有高频、大功率性能的BJT 。

(1) 早期晶体管存在的频率-功率特性矛盾第4章BJT功率特性4-3 BJT的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通1. 外延结构晶体管(2) 外延晶体管结构如果采用低电阻率材料衬底，在衬底上采用外延技术生长一层电阻率较高的薄外延层，然后在外延层上制作晶体管，这就称为外延晶体管结构。

早期晶体管结构为而外延晶体管结构为半导体器件物理(I)4-3 BJT 的击穿电压与外延层参数的确定四、外延层穿通半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. 外延结构晶体管高阻外延层作为集电区使得集电区掺杂浓度N C 较低，满足了对功率晶体管高击穿电压的要求；(3)外延结构晶体管的优点低电阻率的衬底则使得集电区掺杂浓度N C 较高，降低了集电区串联电阻R C ，满足了高频晶体管提高特征频率的要求。

晶体管的参数晶体管是一种常见的电子元器件，广泛应用于电子设备和电路中。

在电路设计和分析中，了解晶体管的参数是十分重要的。

本文将介绍晶体管的几个重要参数，包括增益、阈值电压、输出电阻和频率响应等。

1. 增益：晶体管的增益是指输入和输出信号之间的放大倍数。

以BJT晶体管为例，常用的增益参数有直流电流增益（hFE）和交流电流增益（hfe）。

直流电流增益表示输入电流与输出电流的比值，在常用的晶体管参数手册中一般给出一个范围值。

交流电流增益则表示在交流条件下输入电流与输出电流的比值。

2. 阈值电压：阈值电压是指在晶体管进行开关动作时所需要的输入电压。

对于MOSFET晶体管，阈值电压是控制沟道开启状态的关键参数。

当输入电压高于阈值电压时，晶体管会被打开，允许电流通过。

当输入电压低于阈值电压时，晶体管处于关闭状态。

3. 输出电阻：输出电阻是指晶体管的输出端对外部电路的阻抗。

输出电阻越大，对外部电路的影响越小。

输出电阻可以描述晶体管输出信号的稳定性和负载能力。

对于BJT晶体管，输出电阻是一个重要的参数，可以影响放大器的性能。

4. 频率响应：频率响应是指晶体管在不同频率下的输出特性。

晶体管作为放大器时，输出信号在不同频率下的增益可能会有所变化。

频率响应参数通常以增益-频率图（Bode图）的形式给出，可以帮助设计工程师了解晶体管在不同频率下的性能表现。

除了以上几个常见参数之外，晶体管的参数还包括输入电阻、输出电容和温度特性等。

输入电阻是指晶体管的输入端对外部电路的阻抗，它可以影响信号的输入效果。

输出电容是指晶体管的输出端与输入端之间存在的电容效应，它可能会影响电路的带宽和相应速度。

需要注意的是，晶体管的参数可能存在一定的变化和尺寸差异。

因此，在实际电路设计中，选型和匹配晶体管时要结合具体使用场景和需求，同时参考厂家提供的参数手册和数据表。

总结起来，晶体管的参数是电路设计与分析过程中不可忽视的一部分。

熟悉晶体管的参数可以帮助工程师更准确地选取合适的晶体管，并优化电路设计。

《半导体物理与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：半导体物理与器件英文名称：Semiconductor Physics and Devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：40学分：2.5四、先修课程《量子力学》、《统计物理》、《固体物理》、《电路原理》五、授课对象本课程面向功能材料专业学生开设六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂半导体物理与器件相关工程问题，获得有效结论。

2、掌握半导体物理与器件相关问题的特征，以及解决复杂工程问题的方法。

3、掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法；具备应用各类文献、信息及资料进行半导体物理与器件领域工程实践的能力。

4、了解半导体物理与器件的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。

5、了解半导体物理与器件领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点课程重点：（1）掌握能带理论以及从能带理论的角度分析半导体的导电机制；熟悉半导体中电子的状态及其运动规律；熟悉实际半导体中的杂质和缺陷的种类、性质及其作用；掌握并且会计算热平衡状态下载流子的浓度问题以及非平衡载流子的概念、产生及其随时间的演化规律（寿命问题）；掌握载流子的几种输运机制。

（2）理解和熟悉PN结及其能带图；掌握PN结的电流-电压特性以及电容-电压特性；熟悉PN结的三种击穿机理；理解和掌握PN结二极管的工作原理。

（3）在对PN结二极管工作原理分析的基础上，学会将此分析进行合理的拓宽，即从单结/两端二极管发展到双结/三端晶体管；掌握双极型晶体管（BJT）的基本概念、符号的定义、工作原理的定性分析以及关键的关系表达式等。

（4）系统地了解和掌握MOSFET的基本工作原理与物理机制；掌握MOSFET器件的主要结构形式、工作特性和有关的物理概念；熟悉MOSFET的电容-电压特性、伏-安特性及其交流效应，并能掌握主要参数和特性的分析与计算方法；了解半导体器件制备的方法、过程及几个器件制备的实例。

《半导体器件物理基础》复习要点授课教师：李洪涛编辑：徐驰第一章PN结载流子：N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

pn结：指半导体中p区和n区的交界面及两侧很薄的过渡区,由p区和n区共格相连而构成。

多子的扩散运动使空间电荷区变宽，少子的漂移运动使空间电荷区变窄，最终达到动态平衡，Ｉ扩＝Ｉ漂，空间电荷区的宽度达到稳定，即形成ＰＮ结。

突变结：由合金法、分子束外延法制得的pn结，在p区和n区内杂质分布均匀，而在交界面处杂质类型突变。

缓变结：由扩散法制得的p－n结，扩散杂质浓度由表面向内部沿扩散方向逐渐减小，交界面处杂质浓度是渐变的。

施主杂质浓度空间电荷区：ＰＮ结的内部由于正负电荷的相互吸引，使过剩电荷分布在交界面两侧一定的区域内。

电离施主与电离受主都固定在晶格结点上，因此称为“空间电荷区”。

空间电荷区电子浓度公式：n=n i exp((E f-E i)/KT)载流子在pn结区附近的分布：空间电荷区载流子浓度分布则如下图所示：用线性轴则如下图：结区电场、电位分布：耗尽区单位体积带电量相同。

势垒区内电场强度正比于Q1Q2/r2, 中心处电场最强。

所以就有了如下的电场强度分布和电位分布。

耗尽近似：空间电荷区只存在未被中和的带点离子，而不存在自由载流子，或者说自由载流子浓度已减小到耗尽程度，因此ＰＮ结又称为“耗尽层”。

耗尽区因无载流子，可忽略扩散和漂移的运动。

pn结能带图：接触电位差V D：pn结的内建电势差，大小等于空间电荷区靠近p区侧边界处电位与靠近n 区处电位之差。

n、p区掺杂浓度越大（或结区杂质浓度梯度越大）、材料禁带宽度越宽，温度越低，接触电势差越大。

PIN结构：在P区与N区中间加入一层本征半导体构造的晶体二极管。

高低结：n+-n或者p+-p结构的结。

同样有扩散和漂移的平衡，结区也有电场，但结区的载流子浓度介于两侧的浓度之间。

没有单向导电性。