Динамические свойства транзистора в схеме оэ

Для перехода к схеме ОЭ, как и ранее, выразим выходной ток   через ток базы  . Из схемы (рис. 3.43) имеем:

, (3.70)

где   - напряжение между коллектором и точкой Б .

Подставляя   в (3.70) получим

, (3.71)

где   ; (3.72)

; r_к* =r_к(1 - H_21Б) . (3.73)

Отметим, что С* _К и r* _К - комплексные частотнозависимые величины. Эквивалентная схема транзистора с учетом (3.71...3.74) приведена на рис.3.43.

  Физический смысл H_21Э следует из (3.72).

При  ,  , поэтому H_21Э называется коэффициентом передачи тока базы на частоте f. Вместо H_21Э и  также используются обозначения _~ и f_ . Для оценки частотных свойств транзистора в схеме с ОЭ найдем частотную зависимость H _21Э. Подставляя (3.64) в (3.72), получим

, (3.74)

где  . (3.75)

Величину f_H21Б называют предельной частотой коэффициента передачи тока базы.

При f=f_H21Б  .

Таким образом частотная зависимость H_21Э аналогична зависимости H_21Б, но предельная частота в десятки и более раз ниже (примерно в h_21Э раз). Физически эта закономерность объясняется с помощью векторной диаграммы токов транзистора (рис.3.44), из которой видно, что небольшой сдвиг фаз между близкими токами   и   вызывает сильное увеличение разностного тока  . Как и в схеме с ОБ, в схеме с ОЭ дополнительную инерционность вносит емкость C*_К, перезаряжающаяся через сопротивление нагрузки R_Н. При использовании упрощенной схемы (с одним частотнозависимым элементом H*_21Э) C*_К - исключают, но принимают:   ;   _ОЭ=h_{21Э  ОЭ} . (3.76)

f*_H21Э и   _ОЭ - характеризуют граничную частоту и постоянную времени уже усилительного каскада ОЭ с конкретным значением сопротивлением нагрузки R_Н . Они отличаются от аналогичных величин для схемы ОБ в десятки и более (в h _21э) раз. Отметим, что в (3.76) используется действительная величина  C*_К - низкочастотное значение модуля комплексной величины C*_К при f  0. Параметр   _оэ часто используется при расчете длительности фронтов в импульсных схемах.

Для описания частотных свойств транзистора также употребляют :

• граничную частоту коэффициента передачи f_ГР , соответствующую условию   (уменьшение коэффициента передачи тока базы до единицы); можно показать, что  ;

• максимальную частоту генерации f_max, соответствующую усилению по мощности K_p=1;

• постоянную времени цепи обратной связи r_Б' C_К..

  

Кроме того, часто используется и П-образная эквивалентная схема (Джаколетто)  рис. 3.45.

Дрейфовый транзистор

Как было показано ранее, для улучшения частотных свойств транзистора необходимо уменьшать:

время перемещения носителей заряда от эмиттера к коллектору,

емкость коллекторного перехода,   сопротивление тела базы.

Однако, эти требования противоречивы. Для уменьшения времени перемещения носителей необходимо уменьшить толщину базы, но при этом возрастает сопротивление базы . Уменьшение удельного сопротивления базы за счет увеличения концентрации примеси приводит к уменьшению ширины коллекторного перехода и к увеличению емкости C_КБ. Удачным решением проблемы является увеличение скорости перемещения носителей с помощью ускоряющего электрического поля в базовой области. Этот принцип положен в основу дрейфовых транзисторов. В дрейфовых транзисторах базовая область легируется неравномерно (вблизи эмиттерного перехода N_A  10 ¹⁶-10¹⁸см ^-3, а вблизи коллекторного перехода N_A  10 ¹⁴см ^-3). Основным технологическим приемом при изготовлении дрейфовых транзисторов является диффузия легирующей примеси в исходный монокристалл. На рис. 3.46 изображен типичный профиль легирования дрейфового транзистора. При изготовлении данного транзистора в однородно легированную донорной примесью пластину (концентрация доноров N_D) через левый торец одновременно осуществляют диффузию донорной и акцепторной примесей. Акцепторная примесь диффундирует быстрее и в результате образуется структура, содержащая два p-n-перехода.

  Из-за наличия градиента концентрации примеси (а, следовательно, и дырок) основные носители в базовой области - дырки начинают диффундировать в направлении коллекторного перехода. Однако, в отличие от диффузии неосновных носителей, смещение основных оставляет нескомпенсированные заряды ионов акцепторной примеси. В результате возникает электрическое поле и устанавливается динамичексое равновесие: действие градиента концентрации уравновешивается действием электрического поля. Направление электрического поля в базе является ускоряющим для электронов, движущихся от эмиттера к коллектору. Кроме того, при наличии сильно легированного базового слоя вблизи эмиттерного перехода, сопротивление тела базы r' _Б получается малым даже при тонкой базе. Одновременно малая концентрация примеси вблизи коллекторного перехода приводит к значительному уменьшению емкости последнего. В результате, дрейфовые транзисторы могут работать даже в СВЧ - диапазоне (граничные частоты достигают 10 ГГц).