Частотные свойства биполярного транзистора

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА И ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Рассмотрим поведение п-р-п транзистора, включённого в схеме с ОБ и работающего в режиме класса А, когда на его входе действует переменный ток . Пусть амплитуда тока остаётся постоянной, а его частота w меняется в широких пределах. При этом можно увидеть, что с увеличением частоты входного тока , переменная составляющая выходного тока начинает запаздывать по фазе, а его амплитуда уменьшается. Это говорит о том, что появляется частотная зависимость комплексного коэффициента передачи тока .

Как известно из (3.9), , где – коэффициент инжекции эмиттера, – коэффициент переноса носителей через базу, – коэффициент экстракции носителей тока коллекторным переходом. Отсюда вытекает, что зависимость распадается на зависимости , и .

Частотная зависимость коэффициента инжекции обусловлена наличием барьерной С_Эбар и диффузионной С_Э.диф емкостей эмиттерного перехода, шунтирующих дифференциальное сопротивление r_Э эмиттерного перехода. Эквивалентная схема цепи эмиттера представлена на рис.7.1.

Из эквивалентной схемы следует, что переменный ток эмиттерного перехода определяется суммой токов, протекающих через дифференциальное сопротивление и емкости эмиттерного перехода. При этом часть тока эмиттера, протекающая через дифференциальное сопротивление

(7.1)

Рис.7.1. Эквивалентная схема цепи эмиттера  

и диффузионную емкость

, (7.2)

определяет инжекцию неосновных носителей в базу, а ток через барьерную емкость (7.3)

не связана с инжекцией. В выражениях (7.1)-(7.3) - переменная составляющая напряжения на эмиттерном переходе.

В соответствие с (3.3) и с учетом (7.1)-(7.3) для коэффициента инжекции имеем:

, (7.4)

где - коэффициент инжекции по постоянному току. Для упрощения (7.4) учтем, что на рабочих частотах для биполярного транзистора обычно выполняется <<1 и <<1. В этом случае знаменатель в (7.4) можно представить в виде , так как после раскрытия скобок можно пренебречь произведением двух малых величин. Тогда (7.4) можно записать в виде

, (7.5)

где (7.6)

– называется постоянной времени эмиттерного перехода, определяемая процессами перезарядки C_Э.бар и она характеризует время задержки тока эмиттера на эмиттерном переходе. Выражение (7.5) показывает, что с увеличением частоты из–за шунтирующего действия барьерной ёмкости эмиттера доля инжектированных носителей заряда уменьшается, а также возникает сдвиг фазы между входным током и током инжектированных в базу носителей за счет времени задержки (7.6).

Основной вклад в частотную зависимость вносит зависимость , обусловленная диффузионным переносом неосновных носителей заряда через базу. Влияние частоты на коэффициент переноса возникает на частотах входного сигнала, когда период сигнала становится сравнимой со временем пролета электронов через базу. В этом случае до коллектора за половину периода сигнала, вызывающего инжекцию электронов в базу, успевают дойти только наиболее быстрые электроны. При изменении полярности входного сигнала не дошедшие до коллектора медленные электроны изменяют свое направление и двигаются к эмиттеру. Это приводит к уменьшению тока коллектора, т.е появляется зависимость коэффициента переноса от частоты сигнала.

Решение уравнения диффузии для бездрейфового транзистора при условии, что ширина базы d постоянна и намного меньше длины диффузионного смещения электронов l_Dп (d<<l_Dп,) дает, что зависимость коэффициента переноса от частоты сигнала определяется выражением:

, (7.7)

где (7.8)

– коэффициент переноса на низкой частоте (см.также (3.6)), t_c – время переноса электронов через базу, определяемая формулой

. (7.9)

В (7.9) D_n – коэффициент диффузии электронов.

Из выражения (7.7) следует, что с увеличением частоты сигнала уменьшается и появляется запаздывание сигнала, обусловленное временем t_c.

Частотная зависимость коэффициента экстракции носителей тока коллекторным переходом определяется двумя факторами: временем пролёта t_пр через область объёмного заряда коллекторного перехода и постоянной времени цепи коллектора t_K, обусловленный барьерной емкостью коллекторного перехода. Таким образом, можно представить в виде произведения двух составляющих , определяемые этими факторами.

При движении электронов через объёмный заряд коллекторного перехода в последнем наводится ток. Расчет наведённого тока при воздействии гармонического сигнала показывает, что ток через переход изменяется как по амплитуде, так и по фазе. Для коэффициента переноса через переход можно получить:

, (7.10)

где - ширина коллекторного перехода, – скорость дрейфа электронов в поле объемного заряда коллекторного перехода шириной, которая приблизительно равна средней тепловой скорости и

(7.11)

время пролета электронов в коллекторном переходе.

Коллектор реального транзистора характеризуется некоторым объёмным сопротивлением R_k (см. рис.4.3), поэтому процессы переноса заряда в коллекторе характеризуются постоянной времени цепи коллектора:

, (7.12)

где C_К.бар –барьерная ёмкость цепи коллектора. При воздействии гармонического сигнала за счет возникает, аналогично эмиттерному переходу, зависимость коэффициента переноса тока через коллекторный переход от частоты:

. (7.13)

Выражения (7.10) и (7.13) показывают, что с увеличением частоты коэффициент уменьшается.

Учитывая все рассмотренные факторы, влияющие на частотные свойства транзистора, коэффициент передачи тока можно аппроксимировать выражением

, (7.14)

где a₀ –коэффициент передачи тока на низкой частоте,

, (7.15)

полная постоянная времени транзистора в схеме с ОБ, определяющая временную задержку тока коллектора от тока эмиттера (рис.7.2).

При работе транзистора в схеме с ОЭ частотную зависимость коэффициента передачи тока эмиттера с учетом, что можно представить в виде выражения, аналогичного (7.14):

Рис.7.2. К временной задержке тока коллектора от тока эмиттера в схеме с ОБ

, (7.16)

где b₀ - коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, - постоянная времени транзистора в схеме с ОЭ.

На основе (7.14) и (7.16) определим модули и фазовые угли коэффициентов передачи тока:

и , (7.17)

и . (7.18)

Графики частотных зависимостей, построенные на основе (7.17) приведены на рисунке 7.3.

Рис. 7.3. Частотные зависимости коэффициентов передачи тока.

Из графических зависимостей можно определить основные частотные параметры биполярного транзистора. К таким параметрам относятся:

1. Предельная частота транзистора в схеме с ОБ , определяемая как частота, на которой коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается в раз по сравнению на низкой частоте(см.рис.7.3);

2. Предельная частота транзистора в схеме с ОЭ ,

определяемая как частота, на которой коэффициент передачи тока базы уменьшается в раз по сравнению на низкой частоте (см.рис.7.3);

3. Граничная частота транзистора в схеме с ОЭ , определяемая как частота, на которой коэффициент передачи тока базы уменьшается до единицы, т.е частота, на которой (см.рис.7.3).

4. Максимальная частота , определяемая как частота, на которой коэффициент усиления по мощности становится равной единице. Максимальная частота определяет область частот, в которой транзистор остается активным элементом электрической схемы, так как транзистор можно использовать в усилительных схемах только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_Р > 1. Расчеты показывают, что определяется формулой

, (7.19)

где R_Б – объемное сопротивление базовой области (см. рис.4.3). Произведение называют постоянной времени цепи обратной связи, которая характеризует обратную связь на высокой частоте и является также параметром транзистора.

Из (7.17) вытекает, что и (7.20)

С учетом(7.20) (7.17) примет вид

и (7.21)

Как видно из рисунка 7.3, . Учитывая (7.16), можно получить, что . Физически это неравенство связано с влиянием фазового сдвига j между токами эмиттера и коллектора, определяемого как . Действительно, с увеличением частоты фазовый сдвиг между током коллектора и током базы растёт, что приводит уменьшению тока коллектора и росту тока базы (рис.7.4). Отсюда вытекает, что если даже токи

Рис.7.4. Векторные диаграммы токов транзистора на разных частотах

эмиттера и коллектора остаются неизменными по абсолютной величине, т.е практически не меняется, но уменьшается значительно за счет роста тока базы. С физической точки зрения рост тока базы вызывается тем, что с ростом частоты инжектированные из эмиттера электроны, не успевают дойти до коллекторного перехода и рекомбинируют с дырками в области базы, увеличивая рекомбинационную составляющую тока базы.

Дата добавления: 2015-05-06