5.10. Частотные и импульсные свойства транзисторов

Динамические свойства биполярных транзисторов определяются переходной и частотной характеристиками.

На частотные свойства транзисторов большое влияние оказывают емкости р-п-переходов. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается, и шунтирующее действие емкостей возрастает. Поэтому Т-образная эквивалентная схема транзистора на высоких частотах, кроме чисто активных сопротивлений r_э, r_к, и r_б, содержит емкости С_э и С_к, шунтирующие эмиттерный и коллекторный переходы. Особенно вредное влияние на работу транзистора оказывает емкость С_к, так как на высоких частотах емкостное сопротивление 1/_вС_к оказывается значительно меньше, чем сопротивление r_к и коллекторный переход теряет свои основные свойства. В данном случае влияние емкости С_к; аналогично влиянию емкости, шунтирующей р-п-переход в плоскостном полупроводниковом диоде.

Второй причиной ухудшения работы транзистора на высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Это обусловлено инерционностью процесса прохождения носителей заряда через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания зарядов в базе.

Время пролета носителей через базу _пр у обычных транзисторов составляет приблизительно 0,1 мкс. Конечно, это время очень мало, но на частотах порядка единиц - десятков мегагерц становится заметным некоторый сдвиг фаз между переменными составляющими токов I_э и I_к. Это приводит к увеличению переменного тока базы и, как следствие, к снижению коэффициента усиления по току. Это явление иллюстрируется векторными диаграммами, приведенными на рис. 5.19.

Рис. 5.19. Векторные диаграммы токов транзистора

на разных частотах

Первая из них соответствует относительно низкой частоте, на которой все токи практически совпадают по фазе, а коэффициент  имеет наибольшую величину  = ₀. На более высокой частоте запаздывание тока I_к на время _пр относительно тока I_э ведет к появлению заметного сдвига фаз  между этими токами. Теперь ток базы I_Б равен не алгебраической (как на рис. 5.19, а), а геометрической разности токов I_э и I_к, вследствие чего он заметно увеличивается (рис. 5.19, б). На еще более высокой частоте коэффициент  становится еще меньше вследствие увеличения угла сдвига фаз  и тока I_Б (рис. 5.19, в).

Необходимо отметить, что с увеличением частоты коэффициент  уменьшается значительно сильнее, чем .. Коэффициент  снижается лишь вследствие влияния емкости С_к, а на величину  влияет, кроме этого, еще и сдвиг фаз между I_э и I_к. Следовательно, схема с общей базой имеет лучшие частотные свойства, чем схема с общим эмиттером.

Для определения коэффициентов усиления по току на частоте f могут быть использованы формулы

, . (5.34)

где ₀ и ₀ - коэффициенты усиления по току при частоте f = 0; f_ и f_ - предельные частоты транзистора в схемах с общей базой и общим эмиттером соответственно.

Предельная частота усиления в схеме с ОБ - это частота, на которой модуль коэффициента передача тока эмиттера уменьшается в раз.

Предельная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ – это частота, на которой модуль коэффициента усиления тока базы уменьшается в раз.

Граничная частота в схеме с ОЭ – это частота, на которой коэффициента усиления тока базы уменьшается до единицы.

Максимальная частота генерации – это частота, на которой коэффициент усиления по мощности становится равным единице.

Частотная характеристика определяет прохождение комплексных переменных токов через транзистор.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость коэффициента передача тока от частоты (рис. 5.20).

Для расширения частотного диапазона транзисторов необходимо увеличивать скорость перемещения неосновных носителей зарядов через базу, уменьшать толщину слоя базы и коллекторную емкость. При выполнении этих условий транзисторы (например, дрейфовые, планарные) могут успешно работать на частотах порядка десятков и сотен мегагерц.

Рис. 5.20. Амплитудно-частотная характеристика

В заключение построим эквивалентную схему биполярного транзистора на высоких частотах для схемы с общей базой (рис. 5.21).

Рис. 5.21. Эквивалентная схема биполярного транзистора

на высоких частотах для схемы с общей базой

На приведенной эквивалентной схеме основные параметры элементов в эмиттерной, базовой и коллекторной цепи такие же, как и для эквивалентной схемы при малых частотах. Различие этих двух схем проявляется в коллекторной цепи, где частотная зависимость коэффициента передачи α(ω) изображена в виде фазосдвигающей RC‑цепочки С_ф и R_ф в коллекторной цепи.

Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из эмиттера носители достигнут коллектора не ранее чем за время диффузии носителей через базу, определяемое как . Такое запаздывание приведет к сдвигу фаз между током в эмиттерной и коллекторной цепях.

Переходная характеристика – это реакция системы на ступенчатый сигнал единичной амплитуды.

Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 5.22. При включении транзистора (а) в его базу подается прямоугольный импульс тока с крутым фронтом. Ток коллектора достигает установившегося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задержки t_зад, спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени t_нар достигает установившегося значения I_{к вкл}, таким образом время включения транзистора t_вкл = t_зад + t_нар.

При выключении транзистора (б) на его базу подается обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным I_{б вык}. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания t_рас. После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течении времени t_сп. Таким образом время выключения транзистора равно t_выкл = t_рас + t_сп. Следует отметить, что при выключении транзистора, несмотря на изменение направления ток базы, транзистор в течение времени t_рас остается включенным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начнется одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно.

Рис. 5.22. Процессы при включении транзистора (а) и выключении (б)