場效應晶體管的特征頻率及提高ft的措施-KIA MOS管

特征頻率定義

在給定的發(fā)射中用于識別和測量頻率，例如載波頻率可被指定為特征頻率。

對于元器件而言，特征頻率是指其主要功能下降到不好使用時的一種截止頻率。例如，對于用作為放大的有源器件——雙極型晶體管以及場效應晶體管而言，特征頻率就是指其電流放大系數(shù)下降到1時的頻率，這是共發(fā)射極組態(tài)作為放大使用的截止頻率。

對于用作為檢波、開關等的無源二極管而言，其特征頻率就是指其阻抗下降到很小、不能吸收信號功率時的頻率，這時的截止頻率也就是其特征頻率。

場效應晶體管（MOS管）

場效應管（JFET、MOSFET、HEMT）的特征頻率ft是指共源、輸出端短路、電流放大系數(shù)為1（即輸入電流=輸出電流） 時的頻率，也稱為共源組態(tài)的增益-帶寬乘積；它主要由柵極電容Cg來決定。

由簡化的小信號高頻等效電路可以給出有ft = gm / 2πCg = 1 / 2π τ，即ft決定于柵極下載流子的渡越時間τ。

對于長溝道（μ為常數(shù)） 的器件：τ = L /μEy ≈ L2 /μVds，則ft = μ Vds / 2πL ；對于短溝道（漂移速度飽和為vs) 的器件：τ = L / vsL ，則ft = vs L / 2πL。

若再計入寄生電容CL，則截止頻率為 ft = gm / [2π（Cg+CL)] = （1 / 2 π τ） [1 + (CL / Cg)]-1。

提高場效應晶體管ft的措施：增大跨導gm、減小柵電容Cg、減短溝長L、增大遷移率μ或飽和漂移速度vs。

對HEMT（高電子遷移率晶體管），由于HEMT的控制層厚度可以制作得比較小，則Cgs 比較?。磄m 比較大），從而有較高的截止頻率和較快的工作速度。

雙極型晶體管

BJT的特征頻率ft就是其共發(fā)射極組態(tài)的電流放大系數(shù)大小│β│下降到1時的頻率，又稱為晶體管的增益-帶寬乘積。

若βo是低頻時的電流放大系數(shù)，fβ是所謂β截止頻率，則在 f >> fβ 時可有│β│f = βo fβ = ft。因此，只要在高于fβ的頻率下測得│β│，就可以得到ft。

BJT的特征頻率ft可用電子從發(fā)射極到集電極之間的有效渡越時間τec來表示為：

ft = （2 π τec)-1 ，式中τec =τE +τB +τD +τC，τE = (kT/q Ic) CjE 是發(fā)射結的充電時間，τB ≈τF 是電子渡越中性基區(qū)的時間，

τF是移走基區(qū)和發(fā)射區(qū)中存儲電荷所需要的時間 (略大于τB），τC = (kT/qIc + rc)CjC是集電結的充電時間，τD = Xdc / vs是電子以飽和漂移速度vs渡越集電結耗盡層Xdc的時間；

對ft起決定作用的因素一般主要是τB ，其次是結電容（特別是集電結電容）。ft與晶體管的工作點有關，故在使用晶體管和測試ft時，都需要合理地選擇工作點。

提高BJT特征頻率的措施是：

①在ft不很高時往往是τB起主要作用，則要求減小基區(qū)寬度 （采用淺結工藝制作薄基區(qū)）、增大基區(qū)電場因子η（提高基區(qū)中在發(fā)射結一側的摻雜濃度和提高發(fā)射區(qū)雜質分布的陡峭度以減小阻滯場，但若摻雜濃度太高反而會使擴散電子系數(shù)減小，故η一般控制在3~6之間）；

②在ft較高時，基區(qū)寬度必然很小，τB較短，則必須考慮τE、τD和τC 的影響，因此要求減小發(fā)射結的動態(tài)電阻 （選用較大的集電極電流） 和勢壘電容（減小發(fā)射結面積）、減小集電結的勢壘厚度 （可降低集電區(qū)電阻率，但要兼顧擊穿電壓）、減小集電極的串聯(lián)電阻rC （降低集電區(qū)的電阻率）和勢壘電容Cjc （減小集電結面積）。

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