Анализ и моделирование биполярных транзисторов

8. Работа биполярного транзистора на высоких частотах.

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода . Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 8-1.

Рис. 8-1. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов

На низких частотах сопротивление емкости очень большое, также очень велико (обычно ) и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор, т. е. . Но на некоторой высокой частоте со­противление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через соответствен­но уменьшается. Следовательно, уменьшаются , , , выходное напряжение и выходная мощность.

Если представить себе, что частота стремится к бесконечности, то сопро­тивление емкости стремится к нулю, т. е. создает короткое замыкание для генератора и весь его ток пойдет через , а в нагрузке тока вообще не будет. К подобному же результату можно прийти, если рассмотреть эквивалентную схему с генератором ЭДС.

Емкость эмиттерного перехода С_э также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, на которых значение получается одного порядка с .

Сущность влияния емкости С_э состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивление . Следовательно, уменьшается переменное напряжение на эмиттерном переходе, а ведь именно оно управляет током коллектора. Соответственно уменьша­ется эффект от усиления. Если частота стремится к бесконечности, то со­противление стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость , которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода . Уже настолько сильно влияет, что работа транзистора на более высоких частотах, на которых могла бы влиять емкость С_э становится нецелесооб­разной. Поэтому влияние емкости С_э в большинстве случаев можно не рассматривать.

Итак, вследствие влияния емкости С_к на высоких частотах уменьшаются коэффициенты усиления и .

Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является
отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера.
Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторном), а также инерционностью процессов накоп­ления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзи­сторе типа --. совершают в базе диффузионное движение, и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах 10^-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень не­ большое, но на частотах в единицы, десятки мегагерц и выше оно соизмеримо с периодом колебаний и вызывает заметный фазовый сдвиг между токами коллектора и эмиттера. За счет сдвига на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току .

Рис. 8-2 Рис. 8-3.

Рис. 8-2 Векторные диаграммы дай токов транзистора при различных частотах.

Рис. 8-3 Уменьшение коэффициентов и при повышении частоты.

Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм, изображенных на рис. 8-2. Первая из них соответствует низкой частоте, например 1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах имеет свое наибольшее значение . При более высокой частоте, например 1 МГц, запазды­вание тока на время относительно тока вызывает заметный фазовый сдвиг между этими токами. Теперь ток базы равен не алгебраической, а геометрической разности токов и и вследствие этого он значительно увеличился. Поэтому, даже если ток еще не уменьшился за счет влияния емкости С_к, то коэффициент все же станет заметно меньше На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастет, ток еще больше увеличится, а коэффициент уменьшится.

Таким образом, при повышении частоты коэффициент уменьшается зна­чительно сильнее, нежели Коэффициент а снижается от влияния емкости С_ка на значение влияет еще и фазовый сдвиг между и за счет времени пробега носителей через базу. Отсюда ясно, что схема ОЭ по срав­нению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принято считать предельным допустимым уменьшение значений и на 30% по сравнению с их значениями и на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых и , называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно и . Поскольку уменьшается гораздо сильнее, нежели , то значительно ниже . Можно считать, что

На рис. 8-3 изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов и с повышением частоты, отло­женной на графике в логарифмическом масштабе. Для удобства по верти­кальной оси отложены не сами и , а относительные величины и

Помимо предельных частот усиления и транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации , при которой коэффициент усиления по мощности снижается до 1. Очевидно, что при , когда , возможно применение данного транзистора в генераторе с самовозбуждением Но если , то генерации колебаний уже не будет.

Иногда в расчетных формулах встречается также граничная частота усиле­ния тока . которая соответствует , т. е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.

Следует отметить, что на высоких частотах происходит не только изме­нение значений и , Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания заряда в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах из­меняются и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления и , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода С_к и времени пробега носителей через базу . К сожалению, сни­жение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока. т. е. к снижению предельной мощности.

Некоторое снижение емкости С_к достигается уменьшением концентрации примеси в коллекторе. Тогда коллекторный переход становится толще, что рав­ноценно увеличению расстояния между обкладками конденсатора. Емкость умень­шается, и, кроме того, при большей толщине перехода увеличивается напря­жение пробоя и это дает возможность повысить мощность. Но зато возрастает сопротивление области коллектора и в ней потери мощности будут больше, что особенно нежелательно для мощных транзисторов. Для уменьшения стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение , чтобы при увеличении толщины коллекторного перехода не произошел «прокол базы». Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы типа -- при прочих равных условиях являются более высокочастотными, нежели транзисторы типа --. Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также в тех транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.