场效应晶体管的特征频率及提高ft的措施-KIA MOS管

特征频率定义

在给定的发射中用于识别和测量频率，例如载波频率可被指定为特征频率。

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。

场效应晶体管（MOS管）

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。

双极型晶体管

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。

提高BJT特征频率的措施是：

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）。

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