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1、晶体管特征频率的测量晶体管特征频率f的测量定义为共射极输出交短路电流放大系数I卩I随频t率增加而下降到 1 小时的工作频率，它反映了晶体管共发射运用具有电流放大作用的频率极限，是晶体管的一个重要频率特性参数。f主要取决于晶体管的合理t 的结构设计，但也与晶体管工作时的偏置条件密切相关。因而，晶体管的特征频 率 f 是指在一定集团偏置条件下的测量值 。其测试原理通常采用“增益带宽” t积的方法。本实验的目的是掌握晶体管特征频率 f 的测试原理及测量方法，熟悉 f tt分别随V 和/变化的规律，加深其与晶体管结构参数各工作偏置条件的理解，CE E为晶体管的频率特性设计，制造和应用奠定基础。一、实验
2、原理共发射交流工作下，晶体管发射结电压周期性变化引起发射结，收集结空间 电荷区的电荷和其区，发射区，收集区的少子，多子也随之不断重新分布，这种 现象可视为势垒电容各扩散电容的充放电作用。势垒电容各扩散电容的充放电使 由发射区通过基区传输的载流子减少，传输的电流幅度值下降，同时产生载流子 传输的延时，加之载流子渡越收集结空间电荷区时间的影响，使输入，输出信号 产生相移，电流放大系数卩变为复数，并且其幅值随频率的升高而下降，相位 移也随频率的升高而增大，因此，晶体管共发射极交流短路放大系数卩的幅值和 相位移是工作频率的函数。理论上晶体管共发射交流短路放大系数可表示为(3)(1)(2)P exp(
3、- jm /)0b1 + j / b其幅值和相位角随频率变化的有关系分别为IPI=P01 + (f / fp)21/2申=- arctg ( / p) + m / 可见，当工作频率f f ， I P I f = P0 f 。根据定义， I P I=1 时的工作频率即为特征频率f，则有f =1 0 I f = 0 0 fTT0 0另外，当晶体管共基极截止频率f v500MHz时近似有ff /(1+m)，微波管中aT af = f。所以关系式(26.4)表明当工作频率满足f f f时共发射极交流短路T a0a电流放大系数与工作频率乘积是一个常数，该常数即特征频率 f ，亦称“增益 T带宽积。上式同
4、时还表明I 0 |与f成反比，f每升高一倍，| 0 |下降一倍，在对数坐标上就是| 0 |f的(-6dB)/倍频关系曲线，图1表示了 | 0 |随频率变化的关 系。直接在| 0 |=1的条件下测量f是比较困难的，而在工作频率满足f f f T0a之关系时测得|0|，尔后再乘以该测试频率，也就是利用图26.1的线段就可以在较低频率下获得特征频率f ,使测试变得简单，这就是通常测量f的基本原理。 TT晶体管原理课中分析了特征频率与晶体管结构等参数的基本关系。在一般情 况下晶体管的收集结势垒电容远小于发射结势垒电容，如果再忽略寄生电容的影 响，那么特征频率可以图1 电流放大系数与频率的关系表示为:f
5、-1 = 2兀(rC + W2/九D +% /2v l + r + C )Te Te bb mc 6 cs Tc=2兀(T +T +T +T )(5)e b d e很明显， f 是发射结电阻，基区宽度，势垒电容各势垒区宽度等的函数。而 T这些参数 虽然主要取决于晶体管的结构，但也与晶体管的工作条件有关，即工作偏置不同 f 也不等。因此。通常所说的某晶体管的特征频率是指在一定偏置 T条件下的测量值。图2 (a)表示了 V等于常数时f随I的变化。图2 (b)表CE T E示I等于常数时，f随V的变化。这种变化是载流子传输时间随工作偏置改变E T CE所致。将关系式tkT/qI代入式(5)，得到eE
6、E图 2 (a)图 2(b)kT1f t = 2兀(一.C +T +T +T )(6)TqITebdeE一般情况下，在收集极工作电压一定，I I时，可近似认为T ,T , T与IE CM b d c E 无关，因而通过测量 f 随 I 的变化，并作出 1/ f 与 1/ I 的关系曲线，由曲线斜T E T E率即可求得C的近似值，同时由曲线的截距求得T + T + T的近似值。Te b d cf 的测试装置如图 26.3 所示。其中信号源提供 f f f 范围内的所需要Tpa的点频信号电流，电流调节器控制输入被测管的基极电流，测试回路和偏置电源 向被测管提供规范偏置条件，宽带放大器则对被测管的
7、输出信号进行放大，显示系统指示 f 值。显然显示系统表头指示的参 T数是经被测管放大了的信号源电流信号，但经测试前后的“校正”各“衰减”处 理可转换成相应的 | p |值。其过程和原理如下，测前“校正”时被测管开路，基 极和收集极插孔短接，旋转电流调节旋扭使 f 指示表头显示一定值，这样就预T 置了基极电流。插入被测管测试时 f 显示系统表头就指示了经被测管放大了的T 输入信号电流。由于测试过程中被测的基极电流仍保持在“校正”时的值，则取 二者的比值就确定了| p |，然后乘以信号频率即可得到晶体管的特征频率 f 。如 果测试时取了一定的衰减倍率，那么计算| p |时将预置的基极电流也缩小同样
8、倍 数其结果不会改变。图 3 特征频率测试系统方框示意图目前， f 的测量多采用晶体管特征频率测试仪，尽管测试仪的型号不同，但 T都是依据增益带宽积的原理而设计的，其结构框图仍可用图 3 表示，测量方法 也基本与上述相同，差别在于测试仪“校正”时要预置基极电流使 f 显示表头T 满偏，这实际上是信号源输出一恒定其极电流。因此，测量时必须进行一定倍频 的衰减，否则表头会因超满度而无法读出，有的测试仪其衰减倍率设置在仪器面 板上，需要预先设定，而的有测试仪则将一定的衰减倍率设定在了仪器内部结构 中，测试时无须考虑，正是由于测试仪信号源输给被测管的基极电流是其极电流 是定值，所以在f显示表头上直接刻
9、划出了| b | f值,f可以直接读出。另TT 外，否则不同测试仪的测量范围不同，信号源频率不等，所含测试点频数量也可 能不一样。如:QG-25型信号源测试频率固定为400MHz，测试范围为 4004000MHz； QG16型信号源可以输出10MHz, 30MHz, 100MHz三个测试 频率，测试范围为1001000MHz等。使用哪种测试仪和选用哪个测试频率则要 视 f 的范围根据 f f f 确定。T b a二，实验内容1在规范V ,I偏置条件下测量所选晶体管的特征频率fCE E T2. V置规范值，改变I测量fI变化关系。CEET E3. I置规范值，改变V测量fV变化头条。ECET C
10、E4. 在被测管的发射结并接数 pF 电容，观察变化。5. 求出被测管的C ,T + T + T的近似值。Te b d c6. 改变测试频率重新进行14的实验。三.实验的步骤1. 了解所用特征频率测试的测试范围，信号源的工作频率，熟悉使用方法，然后 开机预热 。 2.选取被测晶体管样品，从器件手册查出其 f 的规范测试条件。T3. 做好测量准备工作。（1）确定信号源工作频率。（2）校正测试仪，预置基极电流。（3）将仪器置测量状态。4. 在规范偏置条件下测量样管的 f 。T5V .在规范值测量 f I 关系CET E6. I 在规范值测量 f V 关系ET CE7.在被测管发射结并接 pF 电容
11、，重复 4,5,6 项工作。8.将测试仪恢复到“准备”状态。9.改变信号测试频率，重新进行 4,5,6,7 项实验。 四，数据处理和分析1. 将实验步骤4,5,6,7,9的测试及结果数据列表，并计算相应的| |值。2. 依实验数据分别给出 f V , f I 和 1/ f 1/I 关系曲线。T CE T E T E3. 由1/f1/I曲线计算出C ,T + T + T值。T E Te b d c4. 对实验步骤 5,6,7 的相应曲线和测量数据进行简要理论分析。五.思考题1. 特征频率测试原理是什么？在什么条件下成立？2. 影响特征频率的因素有哪些？试从晶体管设计，制造和使用方面分析讨论。3. 如果测试频率分别取f =3 f和f =5 f，理论上fT的相对误差是多少？4. 若晶体管的fT在两个测试频率的测量范围之内，应取哪一个测试频率？为什 么？
