3.5 Частотні властивості біполярного транзистора

Частотні властивості визначають діапазон частот синусоїдального сигналу, в межах якого прилад може виконувати характерну для нього функцію перетворення сигналу. Прийнято частотні властивості приладів характеризувати залежністю величин його параметрів від частоти. Для біполярних транзисторів використовується залежність від частоти коефіцієнта передачі вхідного струму в схемах Про і ОЭ Н21Б і Н21Э. Звичайно розглядається нормальний активний режим при малих амплітудах сигналу в схемах включення з Про і ОЭ.

У динамічному режимі замість приросту струмів необхідно брати комплексні амплітуди, тому і коефіцієнти передачі замінюються комплексними (частотно залежними) величинами: Н21Б і Н21Э.

Величини Н21Б і Н21Э можуть бути знайдені двома способами:

-решением диференціальних рівнянь фізичних процесів і визначенням з них струмів;

-анализом Т-подібної еквівалентної схеми по законах теорії електричних ланцюгів.

У другому випадку Н21Б і Н21Э будуть виражені через величини електричних елементів схеми. Ми проведемо аналіз частотних властивостей коефіцієнтів передачі, використовуючи Т-подібну лінійну модель (еквівалентну схему) n-р-n транзистора (малюнки 3.10 і 3.11).

На частотні властивості БТ впливають СЭ, СК і rББ, а також час прольоту носіїв через базу Б.

Немає потреби розглядати вплив на частотні властивості транзистора кожного елементу окремо. Спільно всі ці чинники впливають на коефіцієнт передачі струму емітера Н21Б, який стає комплексним, таким чином:

(3.33 )

де Н21Б0- коефіцієнт передачі струму емітера на низькій частоті, f - поточна частота f_Н21Б- гранична частота.

Модуль коефіцієнта передачі струму емітера рівний:

( 3.34 ).

Не важко відмітити, що модуль коефіцієнта передачі Н21Бна граничній частоті f_Н21Б знижується в раз.

Зрушення по фазі між вхідним і вихідним струмами визначається формулою

. ( 3.35 )

Для схеми з ОЭ відоме співвідношення

( 3.36 ).

Підставляючи (3.33) в (3.36) одержимо

(3.37)

де .

Модуль коефіцієнта передачі струму бази буде рівний

(3.38).

Як видно, частотні властивості БТ в схемі ОЭ значно поступаються транзистору, включеному по схемі з Про.

Гранична частота fГР - це така частота, на якій модуль коефіцієнта передачі Н21Э=1. З (3.38) одержимо, що f_ГРf_Н21ЭН21Э0.

Транзистор можна використовувати як генератор або підсилювач тільки в тому випадку, якщо його коефіцієнт посилення по потужності КP1. Тому узагальнювальним частотним параметром є максимальна частота генерування або максимальна частота посилення по потужності, на якій коефіцієнт посилення по потужності рівний одиниці. Зв'язок цієї частоти з високочастотними параметрами визначається виразом

( 3.39 ).

де f_Н21Б-предельная частота в мегагерцах; r^1ББ-объемное опір в омах; CК-ємність колекторного переходу в пікофарадах; fМАКС-в мегагерцах.

3.6 Способи поліпшення частотних властивостей біполярних транзисторів

Розглянуте вище дозволяє зробити наступні висновки. Для поліпшення частотних властивостей (підвищення граничної частоти ) рекомендується наступне.

1. Зменшувати час прольоту инжектированных носіїв в базовій області, тобто

а) зменшувати ширину базової області WБ;

б) створювати n-р-n транзистори, оскільки рухливість електронів вища, ніж у дірок, приблизно в 2 рази;

в) використовувати германієві БТ, оскільки в германії рухливість носіїв вище. Ще більші можливості відкриває використання арсеніду галію.

2. Створювати прискорююче поле в базовій області для инжектированных з емітера носіїв. Останнє виникає при нерівномірному розподілі домішок в базі по напряму від емітера до колектора (рисунок 3.12). Концентрацію біля емітера роблять приблизно в 100 разів більшою, ніж біля колектора.

Рисунок 3.12 До утворення електричного поля в базі дрейфого БТ.

Поява поля пояснюється просто. Оскільки концентрація основних носіїв в будь-якій точці бази (дірок n-р-n транзистора) приблизно рівна концентрації домішок в цій крапці, той розподіл домішок Na(х) одночасно буде і розподілом дірок p(х). Під впливом градієнта концентрації дірок відбуватиметься їх дифузійний рух до колектора, що приводить до порушення умови електричної нейтральності: біля емітера буде надлишок негативного заряду іонів акцепторів, а біля колектора - надлишок позитивного заряду дірок, які приходять до колекторного переходу, але не проходять через нього.

Порушення електричної нейтральності приводить до появи внутрішнього електричного поля в базовій області (мінус у емітера, плюс у колектора). Поле, що з'являється, у свою чергу, викличе стрічний дрейфовий рух дірок. Наростання поля і дрейфового потоку відбуватиметься до того моменту, коли дрейфовий і дифузійний струми дірок зрівняються. Легко бачити, що стале (рівноважне) значення поля буде прискорюючим для електронів, які входять в робочому режимі з емітера в базу і зменшуватимуть їх час прольоту, тобто підвищувати граничну частоту БТ.

Біполярні транзистори з нерівномірним розподілом домішок в базі, що приводить до появи прискорюючого поля, називаються дрейфовими, а звичайні - бездрейфовыми. Практично всі сучасні високочастотні і надвисокочастотні БТ є дрейфовими.

Зменшення часу прольоту в базовій області n-р-n транзистора при

експоненціальному законі убування концентрації акцепторів від Nа(0) до Nа(WБ) враховується коефіцієнтом неоднорідності бази:

=0,5lnNА(0)/NА(WБ)

Тому [див. (5.93)] можна написати

Для бездрейфовых транзисторов=0, а типові значення для дрейфових транзисторів .

3. Зменшувати бар'єрні ємності емітерного і колекторного переходів шляхом зменшення перетину областей транзистора і збільшення ширини переходів (вибором концентрації домішок і робочої напруги).

4. Зменшувати омічний опір областей бази rББ.

5. Зменшувати час прольоту носіїв у області колекторного переходу.

Слід зазначити, що ряд вимог несумісні і необхідно при створенні транзисторів застосовувати компромісні рішення.