Какие факторы влияют на частотные свойства бт

Частотные свойства транзисторов определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты.

Для биполярных транзисторов в основном представляет интерес зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока, а также зависимость входного и выходного сопротивлений. Обычно рассматривается активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме между входными и выходными сигналами появляются фазовые сдвиги и вместо приращений токов и напряжений необходимо брать комплексные величины, поэтому и параметры заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами.

Проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют время пролета носителей через базу tБ, а также ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов СЭ, СК и объёмное сопротивление базы .

При рассмотрении работы транзистора р-п-р в схеме ОБ оказывается, что диффузионный характер распространения неравновесных дырок в базовой области приводит к дисперсии времени их прибытия к коллекторному переходу. С ростом частоты из-за этого уменьшается амплитуда сигнала на выходе транзистора, а, следовательно, и коэффициент передачи тока. Допустим, что в момент поступления на вход транзистора положительного полупериода сигнала через эмиттерный переход инжектируется большое число дырок. Часть из них быстро достигает коллекторного перехода; другая же часть, двигаясь по более длинному пути, задерживается. При высокой частоте сигнала, когда среднее время перемещения дырок в базовой области сравнимо с его периодом, положительный полупериод быстро сменяется отрицательным. В течение действия отрицательного полупериода число инжектированных дырок уменьшится, и часть их дойдет до коллекторного перехода одновременно с запоздавшими дырками от положительного полупериода. В результате этого сигнал на выходе транзистора получится усредненным, а усилительный эффект и коэффициент h21Б уменьшатся.

Чем больше толщина базовой области и, следовательно, чем больше среднее время пролета базы дырками, тем сильнее проявляется запаздывание носителей и тем меньше коэффициент передачи тока. Для транзисторов типа р-п-р время диффузионного перемещения . Это время соответствует примерно периоду колебания напряжения переменной частоты , которое транзистор еще усиливает.

На частотные свойства транзистора влияют сопротивления его переходов и базы. Полное сопротивление эмиттерного перехода представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих. Активное сопротивление является прямым дифференциальным сопротивлением эмиттерного перехода rЭ. Для малого входного сигнала его величина не превышает нескольких десятков Ом. Реактивное сопротивление определяется суммарной емкостью перехода, состоящей из зарядной СЭ0 и диффузионной

СЭ ДИФ емкостей. Последняя определяется как отношение приращения заряда инжектированных носителей к вызвавшему его приращению эмиттерного напряжения .

Из-за малой толщины базы ∆wБ транзистора количество инжектированных в нее носителей будет меньше, чем в диоде, аналогичной конструкции, поэтому СЭ ДИФ в транзисторе также меньше, чем в диоде.

Рис. 3.16. К пояснению изменения заряда в базе транзистора при изменения на его эмиттере

Рисунок 3.16 иллюстрирует образование емкости СЭ ДИФ заштрихованная площадь определяет приращение числа инжектированных носителей, пропорциональное приращению заряда в базе dQ, при изменении dUЭБ. Хотя эмиттерные емкости СЭ0 и СЭ ДИФ значительны (СЭ0 достигает 100-150 пФ,

СЭ ДИФ – 1000 пФ), но, так как они шунтированы малым сопротивлением rЭ, их следует учитывать только на очень высоких частотах (порядка десятков мегагерц). На этих частотах часть эмиттерного тока, ответвляющегося через емкость, становится значительной, в результате чего уменьшается коэффициент инжекции и увеличивается сдвиг фаз φ.

Полное сопротивление коллекторного перехода также представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих: активного дифференциального сопротивления коллекторного перехода rК порядка 1 МОм и суммы емкостей — собственной СК0 (в среднем около 10 пФ) и диффузионной СКДИФ < СК0. Сопротивление rК определяется тем, что изменение напряжения приводит к изменению толщины перехода и, следовательно, толщины базы на ΔwБ. Отсюда изменяется число дырок, которые рекомбинируют в базе, и величина тока IK через коллекторный переход при IЭ = const. Диффузионная емкость коллекторного перехода определяется как приращение заряда неосновных носителей в базе к вызвавшему его приращению напряжения ΔUКБ при IЭ = const. С изменением UКБ меняется толщина базы, а следовательно, и общее число дырок в базовой области и их заряд. Из-за большого сопротивления rK шунтирующее действие емкости, несмотря на ее малую величину, сказывается на частотах порядка звуковых. Если, например, считать СK0 = 10 пФ и rK = 1МОм, то равенство rK =1/2nfCK0 удовлетворяется при f =16 кГц. Таким образом, шунтирующее действие СK0 сказывается на гораздо более низких частотах, чем действие СЭ. Полное сопротивление коллекторного перехода на высоких частотах сильно уменьшается. Поэтому при рассмотрении частотных свойств транзистора приходится обычно считаться с емкостью СК0; при конструировании транзистора эту емкость стремятся по возможности уменьшить либо путем уменьшения рабочей поверхности коллекторного перехода, либо увеличением его толщины. Влияние активного сопротивления базы на частотные свойства транзистора можно пояснить следующим образом. Сопротивление rЭ и емкость эмиттерного перехода совместно с образуют частотнозависимый делитель напряжения (рисунок 3.17). Чем больше , тем меньше управляющее напряжение на эмиттерном переходе UП, С ростом частоты модуль эмиттерного сопротивления из-за наличия емкости СЭ уменьшается и управляющее напряжение UП также падает.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера h21Б, который становится комплексным, следующим образом:

, (3.34)

где h21Б0– коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f – текущая частота, fh21Б – предельная частота.

Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен:

(3.35)

Нетрудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½h21Б½на предельной частоте fh21Б снижается в раз.

Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. (3.36)

Для схемы с ОЭ известно соотношение

. (3.37)

Подставляя (3.37) в (3.34) получим

, (3.38)

где .

Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

. (3.39)

Частотные зависимости коэффициентов передачи тока в схемах ОЭ и ОБ представлены на рисунке 3.18 (логарифмический масштаб).

Рис. 3.18. Зависимости коэффициента передачи тока БТ от частоты

Более быстрое изменение с ростом частоты модуля |h21Э| по сравнению с | h21Б | (рисунок 3.18) объясняется тем, что разность (1- h21Б) в выражении меняется быстрее, чем h21Б и увеличением фазового сдвига с частотой. На низких частотах и IK мало отличается по величине от IЭ; IБ имеет малую величину (рисунок 3.19, а). С ростом частоты ток IК начинает отставать от тока IЭ, а ток IБувеличивается даже при неизменном значении IК (рисунок 3.19, б).

Рис. 3.19. Векторные диаграммы токов транзистора

а) на низких частотах б) на высоких частотах

Граничная частота fГР – это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½h21Э½=1. Из (3.39) получим, что fГР » fh21Э×h21Э0.

Как видно из (3.38), частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности КP> 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, (3.40)

где fh21Б – предельная частота в мегагерцах; – объемное сопротивление в Омах; CК– емкость коллекторного перехода в пикофарадах; fMAX– в мегагерцах.

Следовательно, что для увеличения fMAX транзистора нужно по возможности увеличивать предельную частоту fh21Би уменьшать и СК. Теоретически для транзистора типа р-п-р . Чтобы повысить предельную частоту, следует уменьшить толщину базовой области wБи применять материалы с большой подвижностью носителей μ, так как D = (kT/q)μ. В германиевых транзисторах, например, предельная частота fh21Б больше, чем в кремниевых. Однако нужно отметить, что транзисторы типа

п-р-п не имеют преимуществ перед транзисторами р-п-р в отношении частоты fMAX. Это объясняется тем, что, хотя в первых частотах fh21Бвыше (для германия примерно в два раза), одновременно в том же отношении возрастает и сопротивление базы , зависящее от подвижности в ней основных носителей, т. е. дырок в транзисторе типа п-р-п. Поэтому частота fMAX остается неизменной. Для уменьшения емкости СК нужно уменьшить площадь коллекторного перехода SК, а также увеличить коллекторное напряжение UКБ и удельное сопротивление базы и коллектора.

Однако, если уменьшить толщину базы wБ, то h21Б0 и f h21Б увеличатся, но одновременно увеличится и . Если же для уменьшения rБ уменьшить удельное сопротивление базы ρБ, то это приведет к уменьшению h21Б0 и пробивных напряжений переходов, а также к росту СК. С уменьшением площади перехода SК уменьшаются максимально допустимая мощность, выделяемая на коллекторном переходе, и величина рабочего тока. Увеличение коллекторного напряжения UКБограничивается напряжением пробоя, которое к тому же уменьшается с увеличением концентрации примесей N для уменьшения ρ.

Отсюда видно, насколько взаимосвязаны величины, определяющие fMAX. Это означает, что в транзисторах обычной конструкции максимальная частота усиления по мощности не может быть высокой.

Частотную зависимость входного сопротивления можно объяснить с помощью векторной диаграммы токов и напряжений (рисунок 3.20), построенной для f = f h21Б . Если пренебречь па этой частоте емкостью СЭ,. то ток IЭ создает на сопротивлении rЭпадение IЭ∙rЭ, которое будет совпадать по фазе с током IЭ. Аналогично на сопротивлении rБвозникнет падение напряжения IБ ∙ в фазе с током IБ. Напряжение UBХ = IЭ ∙rЭ+ IБ∙ .

Из диаграммы видно, что входной ток IЭ отстает от напряжения UBХ на угол φ´, следовательно, входное сопротивление ZВХ транзистора в схеме ОБ носит индуктивный характер и растет с частотой. В схеме ОЭ входным будет ток базы IБ, который опережает по фазе UBX.Таким образом, входное сопротивление ZВХ транзистора в схеме ОЭ имеет емкостный характер и с ростом частоты уменьшается (рисунок 3.21, а). Аналогично можно решить вопрос о зависимости выходного сопротивления от частоты. Выходное сопротивление ZВЫХ уменьшается с ростом частоты при включении как в схеме ОБ таки в схеме ОЭ (рис. 3.21, б).

Рис. 3.21. Зависимость сопротивлений транзистора от частоты:

а) входного, б) выходного