3DM3低频低噪声高β晶体管及其应用

对于用作放大微弱信号的晶体管来说，其噪声特性的好坏，直接影响设备的灵敏度，因此，晶体管的噪声特性一直是人们十分关心的问题。关于高频、微波低噪声晶体管，我国发展的比较快并早已被广泛地应用于各种电子设备中，而对于低频低噪声晶体管，则发展较为迟缓。近年来随着我国立体声音响设备、水声接收、远程导弹以及微弱信号检测技术的发展，逐渐引起了人们的重视。为适应电子技术飞速发展的需要，山东临沂半导体器件厂在多年生产高β和超β器件的基础上，研制并生产了3DM3等低频低噪声高β晶体管。这种新型的器件指标优异、性能稳定、质量可靠并达到了国外某些同类产品的水平。下面就晶体管的低频噪声参数表示法、3DM3和3CM3的主要特点及其应用作一介绍。

晶体管的低频噪声参数是标志晶体管低频噪声特性优劣的尺度。习惯上象高频和微波晶体管一样，晶体管的低频噪声的大小常用以分贝为单位的噪声系数N\(_{F}\)来表示。如果用Si／Ni表示晶体管输入端的信噪（功率）比，用So/No表示其输出端的信噪（功率）比，那么，NF的定义是：

其中，Kp=So/Si是功率增益。N\(_{F}\)越小，则表明晶体管的噪声性能越好。

象晶体管这样具有增益的器件，内部产生的噪声会同信号一起被放大。因此，可将含有噪声的晶体管输出端的噪声换算成接入输入端的噪声源，见图1。在此种情况下，这个有噪声的晶体管可视为无噪声的理想晶体管，接于输入端的噪声源可分为输入换算噪声电压E\(_{n}\)和输入换算噪声电流In。En和In一般采用其相应的谱密度（即单位带宽内的噪声）的单位，通常分别为毫微伏／\(\sqrt{赫兹}\)（nv/Hz）和安/\(\sqrt{赫兹}\)（A／Hz）。E\(_{n}\)表示信号源电阻Rg=0的状态，In则表示Rg=∞的状态。事实上，把一个晶体管放大器的输入端短路，将输出端的噪声除以放大器的增益，就是折合到输入端的噪声电压。E\(_{n}\)和In与N\(_{F}\)之间的关系是：NF=10lg（1+\(\frac{E}{_{h}}\)\(^{2}\)+In2R\(_{g}\)\(^{2}\)4kTRgΔf）（2）式中， K是波尔兹曼常数， T是绝对温度，f是频带宽度。

概括地说，3DM3和3CM3两种低频低噪声晶体管主要有以下四个方面的特点。

1．具有优异的低频噪声特性：任何一个晶体管放大器的噪声都可分为两部分，一部分来自系统的外部，另一部分则是电路本身元器件的固有噪声。而后者是人们研究的主要对象。事实上，晶体管本身的噪声直接关系到系统的灵敏度，这一噪声是晶体管本身所能放大的微弱信号的下限。

依传统的规定，晶体管的低频噪声参数一般是在f＝1KHz下给出的。但实际上，目前一些电声转换和微弱信号检测系统的频率低至几赫兹乃至零点几个赫兹以下。在这样的频率下，更要求晶体管具有低噪声。从工艺上讲，在f≤100Hz下欲实现晶体管的低噪声是相当困难的。而3DM3和3CM3在I\(_{C}\)=100μA、f=100Hz下，使用国际上通用的美产2173C—2181型晶体管噪声特性分析仪测试，NF一般小于0.5dB。即使在f=10Hz下，N\(_{F}\)仍可不大于5dB。同时还测得，En≤2.5nv/\(\sqrt{Hz}\)，I\(_{n}\)≤1×10\(^{-}\)13A/Hz。由此可见，这与日本的2SC1571低频超低噪声晶体管十分相近，并且优于美国2N4124、2N4125（莫特洛拉公司）和2N4250（仙童公司）等同类产品。

这里必须强调的是，使用不同的测试仪器来比较不同厂家晶体管的噪声大小是无意义的。同样使用同一测试仪器而按不同的测试条件来衡量晶体管噪声水平的优劣也是不合理的。正确的途径应是以f为参量，作I\(_{C}\)—Rg曲线及N\(_{F}\)等值线来比较噪声指标才最全面、最确切。电子电路工作者可根据这些曲线，选择出晶体管的最佳工作点和源阻抗，从而获得最满意的结果。图2示出的是3DM3的一组典型的噪声频谱曲线的其中一种，具体表明了当IC和R\(_{g}\)一定时，NF随f变化的相互关系。

2．具有高β而且β的小电流特性优良：理论和实践都证明，晶体管的低频噪声电压随集电极电流I\(_{C}\)的增大而降低，而其低频噪声电流则随晶体管基极电流IB的减小而下降。由此可知，高β晶体管则同时能满足这两个要求。目前，几乎所有的低频低噪声晶体管都是高β晶体管。但是，高β晶体管并非都具有低频低噪声。只有β—I\(_{C}\)曲线优良，即β随IC的减小下降十分缓慢，同时基极电阻地r\(_{bb}\)′较小的高β晶体管，才会具有令人满意的低频噪声特性。在IC=100μA下，3DM3的β＝200—1200，典型值是400—800，（最大值β可达5000以上）；3CM3的β值一般为200—1000，典型值为350—600。即使I\(_{C}\)下降到1μA，β也没有明显下降的趋势。而有些产品虽在毫安级的电流下β也较高，但在微电流下β则急骤下降，期望这样的晶体管具有低噪声特性是不可能的。

3．输出特性曲线平坦、均匀：按传统工艺制作的一般高β或超β晶体管的基区较薄，故随电压V\(_{CE}\)的增加β值明显地增大，这个现象叫作基区调变效应。反映到输出特性曲线上，则表现为明显的向上倾斜。并且由于小电流下β退化十分显著，所以输出特性曲线呈现严重的不均匀现象。由于3DM3和3CM3采用了独特的工艺手段，并非是靠压缩基区获得高β的，所以基区调变效应并不显著，输出特性曲线要比同类产品平坦并均匀。即使β=500的管子，曲线斜率也可不大于0.01mA／V。即VCE电压增加1V，电流I\(_{C}\)增长不超过0.01mA。器件生产厂家是用JB—7701晶体管参数精密测试仪测β的。若用JT—1型晶体管特性曲线图示仪测试其输出特性，为尽可能地反映其小电流下的状况，基极注入电流应选择1微安档，集电极电流置0．lmA或0.2mA档级。3DM3典型的输出特性曲线如图3所示。由于该类器件多工作于低电流状态，人们最关心的则是其小电流特性。通常人们所采用的一些常规的测试条件和测试方法，对这类器件并不是都适用的。

4．反向击穿电压高而且漏电流很小：3DM3和3CM3的反向击穿电压较高且漏电流极小，这也是一个重要特点。一般说来，晶体管的β愈高，BV\(_{CEO}\)就愈低，ICEO也就愈大。由于3DM3和3CM3在制造工艺上有独到之处，BV\(_{CEO}\)全部大于15V，典型值是20—40V。ICEO≤0.01μA，好的低至50微微安（PA）。实际上，反向电流与晶体管的低频噪声是相关的。

由于国内低频低噪声晶体管发展较迟缓，至今没有统一规定的命名方法。3DM3和3CM3是由其生产厂家自己命名的。“3D”与“3C”符合国产半导体器件命名法的规定，即分别表示硅NPN型和硅PNP型三极管。字母“M”在该厂的高β和超β器件中表示“微功耗”。由于3DM3和3CM3是在3DM1、3DM2和3CM1、3CM2的基础上派生发展的，故沿用了M这个字母。其中，仍含有适于在微电流下工作之意。

就外形结构来说，3DM3与3CM3采用了人们熟悉的B—1E型金属壳封装。不久，将全部采用S—2型或T0—92型硅酮塑封。同其它晶体管一样，在使用及测试过程中，应避免其EB结发生雪崩击穿或C和E两电极颠倒。否则，会导致β的小电流退化及低频噪声急剧增大。

由于3DM3和3CM3低频低噪声高β晶体管具有一系列特点，所以目前已获得了广泛的应用。其中，用量最大的则是立体声收录机和助听器。

大家知道，一个多级放大器的噪声水平基本上由第一级所决定。要提高整机的信噪比，必须抑制进入输入信号中的噪声，同时还要限制输入级电路晶体管本身的噪声。象录音机、助听器和窃听器的前置放大器的输入信号都比较微弱，同时，前置放大管的工作点又都比较低，因此，不但要求放大器具有低噪声，同时还要求具有高增益。选用3DM3或3CM3作为输入前置放大元件，显然要比普通晶体管3DX201和3DG201等优越得多。上无三厂的美多CT6920型和南华机械厂的南虹牌等国产数种调频调幅立体声收录两用机大批量使用了3DM3和3CM3，均获得了令人满意的效果。并且事实证明，完全可以将其取代进口管BF9014及IS339C等。国产助听器电路中采用了3DM3和3CM3，整机增益达90dB，信噪比达40dB，性能不劣于日本松下的AN6411和加拿大LTIS公司的WS531G等电路指标。3DM3和3CM3在载波机话路系统和现代化高级会堂多路音频传递系统以及各种电声转换系统中，都是不可缺少的比较理想的器件。

在海水这样的导电介质中，因对声波的吸收远比电磁波微弱，所以，3DM3和3CM3在水声接收、远程导航、海洋资源、海洋地质地貌、鱼群位置的探测与开发等方面以及在水中全息成象等电子系统中，均有广泛的用场。

随着现代科学技术的发展，在微剂量射线、大地磁电、生物电流、重力场、引力波、激光与红外光谱、核磁共振、霍尔效应、超导器件等各种微弱信号检测系统和极谱仪、俄歇谱仪与涡流探伤仪等微弱信号检测工具中，几乎都要用到低频低噪声晶体管。此外，3DM3和3CM3还可用于卫星通讯和导弹控制系统。

总之，3DM3和3CM3的应用范围涉及到医疗、地震预报、环境保护、海洋与资源开发、国防尖端工程及人民的文化生活等各个领域，它所产生的社会效果与经济效益是不可低估的。(毛兴武)