BJT 的主要电学性能参数 (小结) BJT 的电学性能参数大体上可分为四类:(1)直流性能参数:①直流电流放大系数 αo 和 βo:BJT 的直流电流放大系数就是输出直流电流与输入直流电流之比,其数值大小表征着直流放大的性能电流放大系数与 BJT 的应用组态有关:共基极BJT 的直流电流放大系数为 αo≈Ic/Ie;共发射极 BJT 的直流电流放大系数为βo(或者 hfe)≈Ic/Ib 注意,在计算电流放大系数时都未考虑集电结的反向电流电流放大系数与工作点有关,当偏置的电流或者电压超过某一定 数值时即将下降(这是由于 Kirk 效应和 Early 效应等影响的结果);并且也与温度有关(因为 BJT 的电流具有正的温度系数的关系),将随着温度的升高而增大βo 的数值一般为 50~200较大电流放大系数的晶体管不仅可以获得较大的电压增益;而且也将有利于在小电流下使用,以获得较高的输入交流电阻和较低的噪声,这是低噪声晶体管所要求的②反向电流:Icbo~发射极开路的集电结反向电流在发射极开路时,因集电结的抽出作用将造成发射结上有一定的浮空电势,但无电流从发射极流入(发射结边缘处的少数载流子浓度梯度为 0),然而却有电流从集电极流出——这就是Icbo,实际上就是共基极组态的集电结反向饱和电流。
ICBo 要大于晶体管处于截止状态时的集电结反向饱和电流Iceo~基极开路的 C-E 之间的反向电流,又称为穿透电流在基极开路时,因为发射结正偏、集电结反偏,所以这是共发射极组态 BJT 的一种特殊放大状态(即为共发射极放大组态中的输入开路情况);虽然这时的基极电流为 0,但是却有很小的集电结反向饱和电流 Icbo 通过晶体管,并被放大 b 倍后再从集电极流出——这就是 Iceo:晶体管的穿透电流 Iceo 要比 Icbo 大得多并且当集电结有倍增效应(倍增因子为 M)时,该穿透电流将更大:穿透电流 Iceo 不但大于 Icbo,而且也大于发射结短路时 C-E 之间的反向电流——Ices ,这是由于这时通过发射结的电流只是集电结反向饱和电流 Icbo的一部分(有一部分被短路掉了),所以输出电流 Ices 要小于 β Icbo=IceoIebo~集电极开路的发射结反向电流该反向电流与 Icbo 一样,数值很小,但要比晶体管处于截止状态时的漏电流大③饱和压降:Vbes~发射极饱和压降是共发射极晶体管在饱和状态工作时、B-E 电极之间的电压降;该电压实际上也就是使晶体管产生饱和导通所需要的最小输入电压,一般近似为发射结的正向导通电压(Si-BJT 约为 0.7V)。
Vces~集电极饱和压降是共发射极晶体管在饱和状态工作时、其 C-E 电极之间的电压降;该电压反映了晶体管开启状态的性能,实际上也反映了晶体管饱和导通时的功耗大小(饱和电流 Ics 与 Vces 的乘积就等于饱和时的功耗),应该越低越好晶体管的 Vces 主要来自于串联电阻对于合金晶体管,则来自于输入端的串联电阻(可能是基极电阻);对于双扩散外延平面晶体管,则来自于集电极串联电阻(集电区材料电阻以及电极接触电阻)④发射结电压 Vbe:电压 Vbe 即是指晶体管处于导通状态时的发射结电压,主要决定于发射结的势垒高度,与半导体掺杂浓度和温度有关对于 Si-BJT,一般VBE=0.6V~0.7V 当环境温度升高时,发射结势垒高度降低,则 VBE 减小(即发射结电压具有负温度系数)发射结电压的温度系数与一般 p-n 结正向电压的温度系数相同,即 Si-BJT 发射结的约为–2mV/K,Ge-BJT 发射结的约为–1mV/K此外,Vbe 也将随着集电极电流的增加而有所下降,这是由于电流会引起晶体管发热的缘故(这种作用容易导致 BJT 电流增大而发生热击穿,需要在应用电路设计中加以防止)2)极限性能参数:①击穿电压:BVcbo~发射极开路时的集电结击穿电压。
这是共基极 BJT 所能够承受的最高集电结反向电压该击穿电压对应于反向电流 Icbo 的急剧增加,与临界击穿电场 EC 和半导体掺杂浓度 N 的关系为:半导体的掺杂浓度越低,势垒区中的电场分布越均匀,该击穿电压就越高BVceo~共发射极 BJT 在基极开路时的集电结反向击穿电压这是共发射极 BJT 的集电结所能够承受的最大反向工作电压 Vceo 要低于 Vcbo该击穿电压对应于反向电流 Iceo 的急剧增加因为 Iceo 要比 Icbo 约大 βo 倍,因此击穿电压 BVceo 相应地要比 BVcbo 低得多:为了提高 BVceo,就必须提高 BVcbo;并且为了获得较高的 BVceo,晶体管的 bo 不可选取得过大BJT 发生电击穿的主要机理是雪崩击穿—— 一次击穿、以及一次击穿之后的二次击穿两种机理对于大功率晶体管,二次击穿往往起着限制 BJT 安全工作区的重要作用②最大集电极工作电流 Icm:BJT 由于存在 Kirk 效应或者 Webster 效应、以及发射极电流集边效应,则它的直流电流放大系数将会随着集电极电流的增大而下降BJT 的最大集电极电流 ICM 就是共发射极直流电流放大系数 bo 由最大值下降到一半时的集电极电流;Icm 也就是晶体管具有显著电流增益的最大容许工作电流。
对于 Si 外延平面晶体管,最大集电极电流密度主要决定于集电区掺杂浓度和外延集电区的厚度由于发射极电流集边效应,则最大集电极电流与发射结面积并不存在正比关系;增大发射极的周长/面积比和减小基极电阻等,可以提高最大集电极电流至于发射极周边线电流密度 Jcml 的选取,按照经验,对于线性放大晶体管的取值较为严格(Jcml=0.012~0.04 mA/mm),对于开关晶体管的取值较为宽松(Jcml= 0.12 ~ 0.5 mA/mm),而对于功率晶体的取值居于其间(Jcml= 0.04~0.16 mA/mm)③最大耗散功率 Pcm:BJT 工作时,就有一定的功耗(耗散功率)Pc,即要消耗功率而发热,而消耗的功率主要是在集电结上(Pc≈IcVbc),则集电结温度将要上升;但对于一定半导体的 p-n 结都存在一个最高结温 Tjm(对于 Si/p-n 结为 150~200oC,对于 Ge/p-n 结为 85~125oC),因此晶体管也就相应地存在一个最大耗散功率Pcm,即集电结的结温升高到到 Tjm 时的耗散功率最大耗散功率就限制了BJT 的最高工作电压和工作电流,从而也就限制了晶体管的最大输出有用功率(因为输出功率与耗散功率成正比)。
BJT 的最大耗散功率与环境温度 Ta 和热阻 Rt 有关(环境温度越低、热阻越小,则 Pcm 越大);并且最大耗散功率还与工作状态有关,在瞬态工作时,最大耗散功率 Pcms 将有所增大(Pcms≥Pcm)提高 BJT 的最大耗散功率的主要措施就是减小热阻(主要是管芯的内热阻)和降低环境温度;特别,对于大功率晶体管,必须要散热良好3)交流性能参数:①截止频率:因为 BJT 具有势垒电容等效应,则它的输入阻抗、因而放大性能将会随着工作频率的升高而下降,从而 BJT 就存在有一定的截止频率根据 BJT 的应用组态和要求的不同,BJT 的截止频率则有几种不同的形式截止频率与 BJT 的工作点有关,在适当的工作电流和工作电压时具有较大的数值,高于或者低于一定的电流和电压时即将下降a)共发射极组态截止频率 fβ :是共发射极 BJT 的小信号电流放大系数的模|β| 由低频值 βo 下降 3dB 时的频率在低于此 fβ 工作时,BJT 具有很好的电流放大性能,否则放大性能较差b)特征频率 ft :是共发射极 BJT 的|β|=1 时的工作频率,也就是共发射极BJT 具有电流放大作用的最高工作频率,又称为电流增益 -带宽乘积。
ft 高于 fβ,并且可以通过在较低频率下的测量来确定 ft:fT≈ βofβ = |β|f .ft 可以采用 4 个时间常数来表示: ft = 1/[2π(te+tb+tc+td)] .其中 te 是发射结势垒电容的充电时间,tb 是基区渡越时间,tc 是集电结势垒电容的充电时间,td 是载流子漂移通过集电结势垒区的渡越时间对于一般的高频 BJT,往往是基区渡越时间 tb 起主要限制作用;对于 ft 很高的 BJT,主要是考虑其他 3 个时间常数( te、td 和 tc)的影响此外,电极欧姆接触和各种寄生电容的影响也是限制 ft 的重要因素c)共基极组态截止频率 fα :是共基极 BJT 的小信号电流放大系数的模 |a|由低频值 αo 下降 3dB 时的频率fα 要远高于 fβ,而且 fα 很接近、但又略高于ft:fα = (βo+1) fβ ≈ ft+fβ , fβ fβ 时,Gpm 随着工作频率 f 的平方成反比地下降导致功率增益下降的根本原因就在于晶体管电流放大系数的下降、输出阻抗的降低和输入阻抗的升高为了提高晶体管的最佳高频功率增益,就应当设法提高 ft、降低 rb、减小电容和电感等寄生参量。
②噪声系数 Nf:噪声系数就是单位信号功率增益下、晶体管对噪声功率的放大倍数(PNo/PNi)为了表征晶体管本身所产生的噪声大小,引入所谓噪声系数F:晶体管噪声的来源,与 p-n 结二极管的噪声类似,主要有三种:热噪声(Johnson 噪声)、散粒噪声和闪变噪声(1/f 噪声)热噪声和散粒噪声都是与频率无关的白噪声晶体管的热噪声主要来自于基极电阻③开关时间:BJT 的开关时间包括开通时间和关断时间这两个时间,实际上往往是关断时间起着决定的作用开通时间又分为延迟时间和上升时间;关断时间又分为存储时间和下降时间开关时间主要由发射结和集电结的势垒电容以及基区中少数载流子存储的数量来决定这四个开关时间中往往是存储时间较长,起着限制 BJT 开关速度的作用;存储时间主要是基区和集电区中过量存储电荷的消逝时间采用Schottky 二极管来箝住 BJT 的集电结电位,使 BJT 不进入过深的饱和状态,则可减小过量存储电荷的数量,从而能够缩短存储时间此外,晶体管的管壳电容、布线电容等所引起的附加电容也对开关时间有着很大的影响,这些附加电容的不良作用主要是将导致下降时间有所延长。