2. Робота бiполярних транзисторiв на високих частотах

Х арактерною рисою бiполярних транзисторiв є значна залежнiсть їх параметрiв вiд частоти. З ростом частоти зменшується коефiцiєнт пiдсилення, вiдбувається спотворення форми пiдсилюваного сигнала. Iснують двi головнi причини цих явищ. По-перше, на високих частотах шкiдливо впливає ємнiсть колекторного переходу С_к. Простiше всього розглянути цей вплив на еквiвалентнiй схемi із генератором струму, яка показана на рис. На низьких частотах опiр ємностi С_к дуже великий, також дуже великий (звичайно ) i можна вважати, що весь струм тече через навантаження R_к, тобто . Але на деякiй високiй частотi опiр ємностi С_к стає порiвняно малим i через неї вiдгалужується значна частина струму, який утворюється генератором, а струм через R_к вiдповiдно зменшується. Отже, зменшуються К_і, К_u, К_р, вихiдна напруга i вихiдна потужнiсть.

Якщо уявити собi, що частота збiльшується до безконечностi, то опiр ємностi прагне досягти нуля, тобто С_к створює коротке замикання для генератора i весь його струм буде текти через С_к, а в навантаженнi R_к струм взагалi не буде. Такий же результат можна одержати, якщо розглянути еквiвалентну схему з генератором ЕРС.

Ємнiсть емiтерного переходу С_е також зменшує свiй опiр з пiдвищенням частоти, але вона завжди шунтована малим опором емiтерного перехода , i тому її шкiдливий вплив може проявитися лише на дуже високих частотах, на яких значення буде того самого роду, що i .

Суть впливу ємностi С_е заключається в тому, що чим вища частота, тим менший опiр цієї ємностi, тим сильнiше вона шунтує опiр . Внаслiдок цього зменшується перемiнна напруга на емiтерному переходi, яка управляє струмом колектора. Вiдповiдно зменшується ефект вiд пiдсилення. Якщо частота прагне досягти безконечностi, то опiр прагне досягти нуля i напруга на емiтерному переходi також зменшиться до нуля. На практицi на менш високих частотах ємнiсть С_к, яка шунтується дуже великим опором колекторного переходу , вже настiльки сильно впливає, що робота транзистора на бiльш високих частотах, на яких може впливати ємнiсть С_е, стає недоцiльною. Саме тому вплив ємностi С_е в бiльшостi випадкiв можна не розглядати.

Отже, внаслiдок впливу ємностi С_к на високих частотах зменшуються коефiцiєнти передачi струмiв i .

Другою причиною зменшення пiдсилення на бiльш високих частотах є вiдставання по фазi перемiнного струму колектора вiд перемiнного струму емiтера. Це вiдставання визвано iнерцiйностю процеса перемiщення носіїв через базу вiд емiтерного переходу до колекторного, а також iнерцiйностю процесiв накопичення i розсмоктування зарядiв в базi. Носiї, наприклад, електрони в транзисторi типу n-р-n, здiйснюють в базi дифузiйний рух, i тому швидкiсть їх не дуже велика. Час пробiгу носіїв через базу в звичайних транзисторах 10 с, тобто 0,1 мкс i менше.

Хоча цей час дуже невеликий, проте на частотах в одиницi-десятки мегагерц i вище вiн збiгається з перiодом коливань i викликає помiтний фазовий зсув мiж струмами колектора i емiтера. Внаслiдок зсуву на високих частотах зростає перемiнний струм бази, що приводить до зниження коефiцiєнта пiдсилення по струму .

Зручнiше всього прослiджувати це явище за допомогою векторних дiаграм, якi зображенi на рис. Перша з них вiдповiдає низькiй частотi, наприклад, 1 кГц, на якiй всi струми практично збiгаються по фазi, тому що час пробiгу складає мiзерну частину перiода коливань.

Н а низьких частотах має своє найбiльше значення. На бiльш високiй частотi, наприклад, 1 МГц, запiзнення струму I_к на час вiдносно струму I_е викликає помiтний фазовий зсув мiж цими струмами. Тепер струм бази I_б дорiвнює не алгебраєчнiй, а геометричнiй рiзницi струмiв I_е i I_к, i внаслiдок цього вiн значно збiльшується. Саме тому, навiть якщо струм I_к ще не зменшився внаслiдок впливу ємностi С_к, коефiцiєнт все ж стане помiтно меншим . На ще бiльш високiй частотi, наприклад, 10 МГц, фазовий зсув зростає, струм I_б ще бiльше збiльшиться, а коефiцiєнт зменшиться.

Таким чином, при пiдвищеннi частоти, коефiцiєнт зменшується значно сильнiше, нiж . Коефiцiєнт  зменшується вiд впливу ємностi С_к, а на значення  впливає ще i фазовий зсув мiж I_к i I_е за рахунок часу пробiгу носiїв через базу. Це означає, що частотнi властивостi схеми з СЕ значно гiршi, нiж схеми з СБ.

На практицi вважають максимально допустимими зменшення значень  i  на 30% порiвняно до їх значень _о i _о на низьких частотах. Тi частоти, на яких вiдбувається таке зменшення пiдсилення, тобто на яких  = 0,707_о i  = 0,707_о, називають граничними частотами пiдсилення для схем з СБ i СЕ. Цi частоти позначають вiдповiдно i. Оскiльки зменшується значно сильнiше, нiж  то значно нижче . Можна вважати, що

. (3.37)

На рис. 3.21 представлений приблизний графiк, який показує для деякого транзистора зменшення коефiцiєнтiв  i  при пiдвищеннi частоти, яка вiдкладена на графiку в логарифмiчному масштабi.

Крiм граничних частот пiдсилення i транзистор характеризується максимальною частотою генерацiї , на якiй коефiцiєнт пiдсилення по потужностi К_р знижується до 1. Очевидно, що при < , коли К_р > 1, даний транзистор можна використати в генераторi з самозбудженням. Проте, якщо К_р < 1, то генерацiї коливань вже не буде.

Iнодi в формулах для розрахункiв зустрiчається також межева частота пiдсилення , яка вiдповiдає  = 1, тобто на цiй частотi транзистор в схемi з СЕ перестає пiдсилювати струм.

Необхiдно мати на увазi, що на високих частотах вiдбувається не лише змiна значень  i . Внаслiдок впливу ємностей-переходiв i часу пробiгу носiїв через базу, а також процесiв накопичення i розсмоктування зарядiв в базi фiзичнi параметри транзистора на високих частотах змiнюються i вже не являються чисто активними опорами. Змiнюються також i iншi параметри.

Покращення частотних властивостей транзисторiв, тобто збiльшення їх граничних частот пiдсилення i , можна досягнути зменшенням ємностi колекторного перехода С_к i часу пробiгу носiїв через базу . На жаль, зниження ємностi шляхом зменшення площi колекторного переходу приводить до зменшення максимального струму, тобто до зниження максимальної потужностi.

Деяке зниження ємностi С_к забезпечується зменшенням концентрацiї домiшок в колекторнiй областi. В цьому випадку колекторний перехiд розширюється, що рiвноцiнно збiльшенню вiдстанi мiж обкладками конденсатора. Ємнiсть С_к зменшується, i, крiм того, при бiльшiй ширинi переходу збiльшується напруга пробою, а це дає можливiсть пiдвищити потужнiсть. Проте опiр областi колектора зростає i втрати потужностi в нiй збiльшуються, що особливо небажано для потужних транзисторiв. Для зменшення базу виготовляють дуже тонкою i збiльшують в нiй швидкiсть руху носiїв. Але при тонкiй базi необхiдно знизити напругу U_кб, щоб при збiльшеннi ширини колекторного перехода не вiдбувся так званий "прокол" бази. Рухомiсть електронiв при дифузiї значно бiльша, нiж дiрок. Саме тому транзистори типу n-p-n при iнших рiвних умовах являються бiльш високочастотними, нiж транзистори типу p-n-p. Бiльш високi граничнi частоти можуть бути одержанi при використаннi напiвпровiдникiв, в яких рухомiсть носiїв висока. Збiльшення швидкостi пробiгу носiїв через базу досягається також в тих транзисторах, в яких в базi створено електричне поле, яке прискорює рух носiїв.