（1）頻率對晶體管電流放大系數的影響§2.5晶體管的頻率特性按工作頻率范圍通常把晶體管分為低頻晶體管（只能在3MHz以下的頻率范圍內使用）；高頻晶體管（可在幾十到幾百MHz的頻率下使用）；超高頻晶體管（能在750MHz以上頻率范圍內使用的晶體管）。1．晶體管交流特性和交流小信號傳輸過程導致這種現象的主要是晶體管中載流子的分布情況隨交流信號而變化引起的。由于要提供再分布的電荷，消耗掉了一部分注入載流子的電流，變為基極電流。交流信號頻率越高，單位時間內用于再分布的電荷也越多，即消耗的電流也越大，輸出電流則越小，導致高頻時電流放大系數下降。與此同時，交流電流在從發射極傳輸到集電極的過程中，要經過4個區：發射結、基區、集電結空間電荷區、集電區。顯然，完成上述的傳輸，必然要消耗掉部分電流，也需要一定的時間。所以，隨著頻率的增高，不僅電流放大系數下降，輸出電流相對于輸入電流也將產生相移。晶體管工作頻率較低時，電流放大系數基本上不因工作頻率而改變。但當工作頻率高到一定程度時，電流放大系數將隨工作頻率的升高而下降，直至失去電流放大作用，并產生相位滯后。對于交流小信號電流，其傳輸過程與直流情況有很大不同，一些被忽略的因素開始起作用了，這些因素主要有4個：①發射結勢壘電容充放電效應；②基區電荷存儲效應（或發射結擴散電容充放電效應）；③集電結勢壘區渡越過程；④集電結勢壘電容充放電效應。（2）交流小信號傳輸過程直流電流在晶體管內部的傳輸過程是：發射極電流由發射結注入到基區，通過基區輸運到集電結，被集電結收集形成集電極輸出電流。在這個電流傳輸過程中主要有2次電流損失（對理想情況）：①與發射結反向注入電流的復合；②基區輸運過程中在基區體內的復合。1）發射過程當發射極輸入一交變信號時，交變信號作用在發射結上，發射結的空間電荷區寬度將隨著信號電壓的變化而改變，因此需要一部分電子電流對發射結勢壘電容進行充放電。發射極電流中的一部分電子通過對勢壘電容的充放電，轉換成基極電流的一部分，造成電子流向集電極傳輸過程中比直流時多出一部分損失，使發射效率降低。由于對發射結勢壘電容充放電需要一定時間，因而使電流發射過程產生延遲。設發射結勢壘電容充放電時間常數為，稱為發射極延遲時間。一般發射極延遲時間為：→零偏壓時發射結勢壘電容值

2）基區輸運過程當發射極輸入交變信號時，除發射結勢壘區寬度隨信號變化外，基區積累電荷量也將隨之變化。例如在信號正半周，交變電壓疊加在發射結直流偏壓上，使結偏壓升高，注入基區的電子增加，使基區電荷積累增加。因此，注入到基區的電子，除一部分消耗于基區復合而形成復合電流外，還有一部分電子用于增加基區電荷積累，即相當于對擴散電容的充電。同時，為了保持基區電中性，基極必須提供等量的空穴消耗于基區積累，即對擴散電容的充放電電流也轉換為了基極電流的一部分。因此，到達集電結的有用電子電流減小，即基區輸運系數下降。設電子在基區的輸運時間為。假設基區中

處，注入少子電子的濃度為，以速度穿越基區，形成的電流為：載流子穿越基區的時間為（注意）又代入上式，可得3）集電結勢壘區渡越過程在直流電流傳輸過程中，由基區輸運到集電結邊界的電子流，被反偏集電結勢壘區內的強電場全部拉向集電區，并且穿過勢壘區的時間很短。因此，電子流在勢壘區渡越過程中，既無幅度也無相位上的變化，可以認為這一過程對電流傳輸沒有影響。但是，對于交流信號，特別是信號頻率較高以致集電結勢壘渡越時間可與信號周期相比擬時，就必須考慮集電結勢壘區的渡越過程了。交流小信號電流在這一過程中，不僅信號幅度將降低，也會產生相位滯后。由于反偏集電結空間電荷區電場一般很強，當空間電荷區電場超過臨界電場強度時，載流子速度就達到飽和，載流子將以極限速度（飽和速度）穿過空間電荷區。對于硅：對于鍺：設集電結空間電荷區寬度為，則載流子渡越集電結空間電荷區的時間為：4）集電區傳輸過程到達集電區邊界的電流并不能全部經集電區輸運而形成集電極電流，這是因為交變電流在通過集電區時，會在體電阻上產生一個交變的電壓降。這個交變信號電壓疊加在集電極直流偏置電壓上，使集電結空間電荷區寬度隨著交變信號的變化而變化。因此，在到達集電區邊界的電流中需要分出一部分電子電流對集電結勢壘電容充放電，形成分電流，同時，基極也提供相應大小的空穴流充電，故分電流形成了基極電流的一部分。對勢壘電容充放電的時間常數設為（也稱為集電極延遲時間）。①發射結發射過程中的勢壘電容充放電電流；②基區輸運過程中擴散電容的充放電電流；③集電結勢壘區渡越過程中的衰減；④集電區輸運過程中對集電結勢壘電容的充放電電流。綜上分析可以看到，與直流電流傳輸情況相比，在交流小信號電流的傳輸過程中，增加了4個信號電流的損失途徑：這4個途徑損失的電流隨著信號頻率的增加而增大，同時使信號產生的附加相移也增加。因此，造成電流增益隨頻率升高而下降。2．共基極交流放大系數及其截止頻率共基極交流電流放大系數定義為：在共基極連接時，集電極輸出交流電流與發射極輸入交流電流之比，即：設發射極到集電極總延遲時間為，則交流小信號共基極接法電流放大系數可表示為：式中：

；→直流或低頻共基極電流放大系數；

→信號頻率。

（1）交流放大系數前面分析表明，電流放大系數的幅值隨頻率升高而下降，相位滯后則隨頻率升高而增大。當頻率上升到時，降到其低頻值的倍（即），此時的頻率稱為共基極截止頻率（或截止頻率），其值為：對于一般高頻晶體管，由于基區寬度較寬，往往比、、大得多，所以通常在時，4個時間常數中，往往起主要作用。

（2）截止頻率3．共發射極交流放大系數及其截止頻率共發射極交流電流放大系數定義為：在共發射極連接時，集電極輸出交流電流與基極輸入交流電流之比，即：由關系式可得：其中：（1）交流放大系數對于一般的晶體管有，因此可近似認為是共基極小信號電流放大系數，從而可得（用到，）（其中）（考慮到）可見，共發射極小信號電流放大系數與一樣，其幅值隨頻率升高而下降，相位滯后隨頻率升高而增大。（2）截止頻率一般晶體管的是比較大的，可見，共射極電流增益截止頻率比共基極電流增益截止頻率低得多，即，這也說明共基極晶體管放大器的帶寬（即截止頻率）比共射極晶體管放大器的帶寬大得多。當頻率升高到時，下降到低頻或直流值的倍（即），這時的頻率稱為共發射極截止頻率，其值近似為：4．晶體管的頻率特性曲線和極限頻率參數（1）頻率特性曲線通常在晶體管手冊中給出的電流放大系數是在低頻（一般為1000Hz）的情況下測定的，對于共發射極接法通常用表示；對于共基極接法通常用表示。慢慢升高測量頻率，測出不同頻率下的電流放大系數，以電流放大系數的分貝數作為縱坐標，以頻率作為橫坐標作圖，可得到如上圖所示的晶體管頻率特性曲線。電流放大系數的分貝（dB）值定義為：從圖可以看出，在低頻范圍內，電流放大系數等于低頻時的（或），而當頻率進一步升高時，它們就開始下降。

（也稱截止頻率）：是當共基極電流放大系數下降到低頻的（或0.707）倍時所對應的頻率。此時的分貝值下降3dB。（也稱截止頻率）：是當共發射極電流放大系數下降到低頻的（或0.707）倍時所對應的頻率。此時的分貝值下降3dB。從的定義可知，當時，將下降到以下，但電流放大系數仍有相當高的數值。例如，設晶體管的，當時，，所以并不能反映實際晶體管的使用頻率極限。為了表示晶體管具有電流放大作用的最高頻率極限，引入特征頻率，定義為：隨著頻率的增加，晶體管的共發射極電流放大系數降到1

時所對于的頻率。當時，，晶體管有電流放大作用；當時，，晶體管就沒有了電流放大作用。特征頻率是是判斷晶體管是否能起到電流放大作用的一個重要依據，也是晶體管電路設計的一個重要參數。（2）特征頻率根據定義，由可得（注意到）（前面結論）當工作頻率比大很多（如）時，可得：所以有：可見，當工作頻率比大得多時，工作頻率與電流放大系數的乘積是一常數，且該常數為。因此只要在比大得多的任何一個頻率

下測出，兩者相乘即可得到。

（3）最高振蕩頻率

反映了晶體管具有電流放大作用的最高頻率，但還不能表示具有功率放大能力的最高頻率。如圖所示，輸入信號電流為，輸出電流為。在頻率較高時，晶體管的輸入阻抗基本上等于基區電阻，故輸入功率為：負載上得到的功率（輸出功率）為：所以功率放大倍數（功率增益）為：可見，盡管在時，，但負載電阻可以比大得多，所以仍可有，即晶體管仍有功率放大能力。但當頻率繼續升高時，的數值不能取得太大了。這是因為要得到最大功率輸出，負載阻抗必須與晶體管的輸出阻抗相等，這稱為阻抗匹配。由于晶體管的集電結電容是并聯在輸出端的，隨著頻率升高，的容抗減小，輸出阻抗也變得越來越小，因此的取值也要減小。同時在高頻率時，也要繼續下降，可能比1

小很多，這樣就使得高頻時下降，頻率足夠高時將小于1。晶體管輸入輸出阻抗各自匹配時，功率增益可達到最佳，表示為：隨著頻率的升高，最佳功率增益將下降。時對應的頻率稱為晶體管的最高振蕩頻率，用表示。·········

①在①式中令，可得為：·········

②可見，晶體管的最高振蕩頻率主要取決于其內部參數，即晶體管的輸入電阻、輸出電容及特征頻率等。表示晶體管真正具有放大能力的極限。由①②式還可得到：

稱為晶體管的高頻優值，這個參數全面反映了晶體管的頻率和功率性能，優值越高，晶體管的頻率和功率性越好，而且高頻優值只取決于晶體管的內部參數，因此它是高頻功率晶體管設計和制造中的重要依據之一。

（4）影響特征頻率的因素和改進措施從前面分析可知，晶體管的特性頻率是晶體管的一個重要高頻參數，而且晶體管的最高振蕩頻率和高頻優值也都與有關。所以，對器件設計者和制造者來說，了解影響的因素和提高的措施具有重要意義。通常基區