10.1.1 Вплив ємностей переходів і розподільного опору бази на частотні властивості транзистора

Фізична еквівалентна схема БТ в ССБ на високих частотах показана на рисунку 10.5. На ній враховано вплив бар’єрної ємності КП на роботу транзистора. Дифузійна ємність увімкненого в прямому напрямі ЕП не враховується, тому що малий опір , як правило, в десятки тисяч разів менший за опір КП , і тому опір шунтує ємність ЕП до дуже високих частот.

Рисунок 10.5 – Фізична еквівалентна схема БТ зі спільною базою на високих частотах

Змінна складова струму, створеного джерелом , розгалужується на три гілки: через опір КП , через бар’єрну ємність КП і через опори та . Оскільки великий, то струм через нього незначний. На низьких частотах реактивний опір ємності також великий, і струм через ємність майже не проходить. Але при збільшенні частоти опір ємності зменшується, і все більша частка струму від джерела проходить через ємність. Для зменшення шунтуючої ємності треба зменшувати опір робочого кола + , щоб виконувалась умова

+ .

У граничному випадку, якщо =0, і тоді

або . (10.13)

З формули (10.13) бачимо, що чим менший добуток , тим на більш високих частотах може працювати БТ . Тому величина є важливим частотним параметром транзистора і подається в довідниках.

10.2 Робота біполярного транзистора у ключовому режимі

Дуже поширеними в електроніці є імпульсні схеми, в яких транзистор працює в ключовому (імпульсному) режимі. В цьому режимі на вхідний електрод БТ діє імпульсна напруга (струм) великої амплітуди, і тоді транзистор працює як комутатор, що має два граничні положення – замкнуте (режим насичення) і розімкнуте (режим відсічення).

Рисунок 10.6 – Нормально розімкнений ключ на транзисторі

Розглянемо нормально розімкнений електронний ключ на БТ, схему якого показано на рисунку 10.6. Цей ключ призначено для замикання і розмикання кола навантаження за допомогою імпульсів, що надходять від генератора сигналів керування.

Опір вибирають з розрахунку, щоб вихідна навантажувальна пряма перетинала круту дільницю вихідних статичних характеристик (точка В на рисунку 10.7). Опір в базовому колі керування звичайно більший за вхідний опір транзистора.

Унаслідок цього струм у базовому колі практично не залежить від величини вхідного опору транзистора (опору ЕП і розподільного опору бази ), і з великою точністю можна вважати, що управління роботою ключа здійснюється за допомогою струму бази.

При відсутності імпульсу керування під дією джерела транзистор перебуває у РВ, тобто у закритому стані, і робоча точка знаходиться на динамічній характеристиці (рисунок 10.7) у положенні А. При цьому струм бази , струм колектора , напруга на колекторі . Коло навантаження розірване, тому в такому стані довільний вхідний сигнал може без спотворення і послаблення пройти на вихід схеми, тобто транзистор не шунтує (не закорочує) цей сигнал на корпус. Розподіл концентрації дірок у базі БТ в цьому режимі показано на рисунку 10.8, а кривою – для моменту . Концентрація неосновних носіїв у базі мала, опір бази і всього БТ великий.

Рисунок 10.7 – Переміщення робочої точки в ключовому (імпульсному) режимі транзистора

Рисунок 10.8 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ в ключовому

режимі а), б)

У момент до бази БТ подається негативний імпульс струму (рисунок 10.9), ЕП вмикається в прямому напрямі, дірки з емітера інжектують до бази. ЕП переходить до активного режиму роботи, робоча точка рухається вздовж навантажувальної прямої від т.А до т.В, наближаючись до області режиму насичення (РН). Струм бази в момент різко зростає до значення , і концентрація дірок у базі біля ЕП збільшується. Але струм колектора починає змінюватися лише через деякий час затримки, який потрібно затратити діркам, щоб подолати відстань між емітером і колектором. Через певний час дифундуючі до колектора дірки заповнюють базу, градієнт їх концентрації біля КП збільшується, і струм колектора зростає (крива на рисунку 10.8, а). В момент транзистор наближається до РН, розподіл концентрації дірок у базі стає лінійним, наростання струму колектора сповільнюється (рисунок 10.8, а, крива , рис. 10.9). Робоча точка транзистора переходить до точки В на навантажувальній прямій. Ця точка відповідає напрузі

і струму .

Напруга на КП , і КП вмикається в прямому напрямі. Починається інжекція дірок з колектора до бази, і їх концентрація біля КП зростає, стає більшою, ніж рівноважна (рисунок 10.8, крива ). Градієнт дірок у базі в РН залишається постійним, і струм колектора більш не наростає (рисунок 10.9).

У момент імпульс керування в базі БТ закінчується, і прилад поступово повертається до свого початкового стану. Починається процес розсмоктування дірок у базі за рахунок їх екстракції до областей емітера і колектора. Зміна знака градієнта концентрації біля ЕП (крива на рисунку 10.8) і перехід дірок до області емітера спричиняють зміну напряму струму бази, який досягає значення (рисунок 10.9). За час розсмоктування неосновних носіїв (від моменту до моменту ) концентрація дірок у базі біля ЕП та КП зменшується таким чином, що градієнт їх концентрації залишається постійним (крива і на рисунку 10.8, б), і тому струми та не змінюються. Після того як концентрація дірок у базі біля КП і ЕП досягає рівноважного значення ( ), градієнти їх концентрації починають зменшуватись, і це викликає зменшення струмів бази і колектора до початкових значень = та = , характерних для РВ.

Рисунок 10.9 – Часові діаграми струмів БТ в ключовому режимі

На тривалість переднього і заднього фронтів вихідного імпульсу струму (рисунок 10.9) суттєво впливають частотні властивості БТ. Чим вища гранична частота транзистора, тим вища його швидкодія в ключовому режимі.

Крім того, швидкодія БТ в режимі перемикання збільшується при збільшенні коефіцієнта передачі струму (або збільшенні амплітуди імпульсу струму бази – імпульсу керування).

З метою підвищення граничної частоти транзистори виготовляють з малими ємностями переходів, а також, оскільки на швидкість розсмоктування впливає не лише екстракція, а й рекомбінація, зменшують середню тривалість життя неосновних носіїв шляхом введення до бази домішок, що прискорюють рекомбінацію (наприклад, золото у кремнієвих БТ).