对于元器件而言,特征频率是指其主要功能下降到不好使用时的一种
截止频率。例如,对于用作为放大的
有源器件——
双极型晶体管以及场效应晶体管而言,特征频率就是指其电流
放大系数下降到1时的频率,这是共
发射极组态作为放大使用的截止频率。对于用作为检波、开关等的无源二极管而言,其特征频率就是指其阻抗下降到很小、不能吸收信号功率时的频率,这时的截止频率也就是其特征频率。
BJT的特征频率ft就是其共发射极组态的电流放大系数大小│β│下降到1时的频率,又称为
晶体管的增益-带宽乘积。若βo是低频时的电流放大系数,fβ是所谓β
截止频率,则在 f >> fβ 时可有│β│f = βo fβ = ft。因此,只要在高于fβ的频率下测得│β│,就可以得到ft。
BJT的特征频率ft
可用电子从发射极到
集电极之间的有效
渡越时间τec来表示为:ft = (2 π τec)-1 ,式中τec =τE +τB +τD +τC,τE = (kT/q Ic) CjE 是
发射结的
充电时间,τB ≈τF 是电子渡越中性
基区的时间,τF是移走基区和
发射区中存储电荷所需要的时间(略大于τB),τC = (kT/qIc + rc)CjC是
集电结的充电时间,τD = Xdc / vs是电子以饱和
漂移速度vs渡越集电结耗尽层Xdc的时间;对ft起决定作用的因素一般主要是τB ,其次是
结电容(特别是集电结电容)。ft与晶体管的
工作点有关,故在使用晶体管和测试ft时,都需要合理地选择工作点。
①在ft不很高时往往是τB起主要作用,则要求减小基区宽度 (采用
浅结工艺制作薄基区)、增大基区电场因子η(提高基区中在发射结一侧的
掺杂浓度和提高发射区杂质分布的陡峭度以减小阻滞场,但若掺杂浓度太高反而会使扩散电子系数减小,故η
一般控制在3~6之间);
②在ft较高时,基区宽度必然很小,τB较短,则必须考虑τE、τD和τC 的影响,因此要求减小发射结的
动态电阻 (选用较大的集电极电流) 和
势垒电容(减小发射结面积)、减小集电结的
势垒厚度 (可降低
集电区电阻率,但要兼顾
击穿电压)、减小集电极的
串联电阻rC (降低集电区的电阻率)和势垒电容Cjc (减小集电结面积)。
场效应管(
JFET、
MOSFET、
HEMT)的特征频率ft是指共源、输出端短路、电流放大系数为1(即输入电流=输出电流) 时的频率,也称为共源组态的增益-带宽乘积;它主要由栅极电容Cg来决定。由简化的小信号高频
等效电路可以给出有ft = gm / 2πCg = 1 / 2π τ,即ft决定于栅极下载流子的渡越时间τ。
对于长沟道(μ为常数) 的器件:τ = L /μEy ≈ L2 /μVds,则ft = μ Vds / 2πL ;对于短沟道(
漂移速度饱和为vs) 的器件:τ = L / vsL ,则ft = vs L / 2πL。
若再计入
寄生电容CL,则截止频率为 ft = gm / [2π(Cg+CL)] = (1 / 2 π τ) [1 + (CL / Cg)]-1。
提高
场效应晶体管ft的措施:增大跨导gm、减小栅电容Cg、减短沟长L、增大
迁移率μ或饱和漂移速度vs。
对HEMT(
高电子迁移率晶体管),由于HEMT的控制层厚度可以制作得比较小,则Cgs 比较小(即gm 比较大),从而有较高的截止频率和较快的工作速度。
三极管由于存在节电容,特别是CB节电容,对三级管放大信号的频率影响最大。导致三极管对
高频信号放大能力严重下降。某频率通过三极管放大后,
放大倍数为1,这个
信号频率就是三极管的特征频率。特征频率是个重要参数,三极管生产厂商会告诉这个参数,查手册可以知道。选择三极管时,要选择特征频率高于信号频率的上限值的三极管。比如9018,特征频率为500MHZ,用在电视机预中放38MHZ是可以的