2838

хода Т. При полном использовании транзистора по мощности температура перехода близка к максимально допустимой (t = 120... 150 °С). В этом случае Т (33...35) мВ и можно приближенно принять

В статическом режиме ток коллектора iк равен току гене-

ратора iкг,а напряжение uбэ = uп + iбrб.

Из этого равенства и из (3.11), (3.13) следует, что аппроксимированные характеристики определяются соотношениями:

где S = KnSп; Sб = Кп/rβ; Кп — средний для активной области коэффициент деления напряжения во входной цепи транзистора на низких частотах

Кп (Uп /Uбэ ) 0 r /(r rб ). (3.16)

3.4. Работа активных элементов на высоких частотах

На рис. 3.2 для активного состояния приведена модель мощного (генераторного) высокочастотного БТ, которая технологические особенности реализации генераторних БТ ( параллельное включение).

61

В качестве воздействующего сигнала в этой схеме является напряжение на идеальном переходе база-эмиттер Uп, откликом является выходной ток iк. Диффузионная Cдиф емкости эмиттерного перехода, сопротивление рекомбинации rβ, генератор тока iкг, выделенные на схеме пунктирной линией, образуют так называемую теоретическую модель транзистора.

Рис. 3.2. Зарядовая модель генераторного БТ

Физический смысл ее отдельных элементов состоит в следующем. Резистор rβ учитывает ток рекомбинации неосновных носителей в области базы и ток основных носителей через эмиттерный переход. Емкость Cдиф отображает накопление заряда в области базы при открывании эмиттерного перехода.

62

Генератор тока iКГ ( S П - крутизна транзистора

по эмиттерному переходу) отображает основной физический процесс - усиление входного сигнала.

Остальные элементы являются “внешними” элементами модели: Lб , Lк и LЭ - индуктивности базового, кол-

лекторного и эмиттерного выводов транзистора; СКА , СКП - емкости активной и пассивной частей коллекторного перехода;

стабилизирующее сопротивление, образованное сопротивлением материала эмиттера и дополнительно включенным омическим сопротивлением. Ключи K1 и K 2 на рис. 3.2 характери-

зуют состояние транзистора. Если K1 и K 2 замкнуты - активное состояние, K1 , K 2 разомкнуты – состояние отсечки.

внутреннюю обратную связь, которая влияет на устойчивость работы каскада и эквивалентные параметры транзистора.

Малосигнальная низкочастотная крутизна S П с достаточной для практики точностью определяется соотношением

на. После подстановки физических констант для Т = 300 К получаем T

63

Экспериментально измеряют параметры транзистора при подаче на его вход напряжения Uб (рис. 3.2) . При расчетах за

основу также удобнее брать входное напряжение. Поэтому крутизну S П целесообразно пересчитать ко входу. В первом

приближении (без учета сопротивления r ) статическая мало-

Э

сигнальная крутизна проходной характеристики транзистора

где r h21Э / SП .

Величина 1/ S П является сопротивлением открытого эмиттерного перехода.

Таким образом, с помощью элементов модели БТ можно определить малосигнальные параметры транзистора в зависи-

мости от выбранного режима (потребляемого тока I КО ). Модель транзистора позволяет определить и ряд других

параметров, используемых при расчете схем, в частности, граничную частоту транзистора по крутизне

которая определяет значение частоты, на которой крутизна за

счёт инерционности входной цепи уменьшается в 2 по сравнению со значением на низких частотах.

Связь параметров модели с справочными параметрами транзисторов

В справочнике [7] приводится не только параметры элементов схемы электрической модели, а также величины, которые характеризуют усилительные и частотные свойства тран-

64

зистора, измеренные экспериментально на частоте f (оптимальной рабочей частоте транзистора), а также h21Э - статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ; ос rбска -

усиления по мощности на частоте f ; h21 модуль коэффициента передачи тока, измеренный на частоте f ; Cэ - барьерная

емкость эмиттерного перехода (обычно приводится для напряжения U Б 0 ) и ряд других параметров, которые могут использоваться для определения остальных элементов модели. С учётом экспериментальных параметров fT h21 f .

Основным режимом работы мощных БТ является режим большого сигнала (с отсечкой выходного тока), когда U П >>

T .В этом случае можно рассматривать два состояния транзи-

стора: активное и отсечки. В результате модель несколько изменяется [1,2]. Нелинейность режима работы учитывается ключами К1 и К2 (рис. 3.2).

При включении в схему транзистор заменяется трехполюсником, для характеристики которого чаще всего используются Y -параметры, справедливые при любом включении транзистора.

Наиболее просто усредненные Y-параметры определяются

равны нулю. Аналитические выражения параметров транзистора, полученные с использованием зарядовой модели, являются громоздкими и поэтому неудобными при практическом применении. Поскольку параметры БТ имеют большой разброс, сильно зависят от температуры, то точность расчетов, достигнутая с использованием этих расчётных соотношений, оказывается невысокой.

На практике удобнее использовать более простые расчет-

65

3.5. Модель генераторных полевых транзисторов

В области высоких частот используются различные электрические модели ПТ, ПТШ-транзисторов в диапазоне частот от нескольких ГГц до 30-60 ГГц с барьером Шотки. ПТ включается по схеме с общим истоком, что позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности. ПТШ изготавливают чаще всего из арсенида галлия, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда по сравнению с кремниевыми и позволяет уменьшить пролетное время и повысить рабочую частоту. Недостатком этих транзисторов является меньшая теплопроводность, что затрудняет создание транзисторов с большой мощностью. ПТШ изготавливаются также из фосфида индия.

На рис. 3.3 приведена физическая схема, справедливая для всей области рабочих частот МДП-транзисторов [5,8,9].

Элементы схемы (рис. 3.3) имеют следующий физический смысл: CK - емкость обедненного слоя под затвором со сторо-

ны истока; rK - сопротивление управляющей части канала и

переходного слоя между каналом и обедненной областью со стороны истока (эта цепь учитывает накопление заряда в канале); ic S U у - генератор тока, управляемый напряжением на

емкости СК ; S - малосигнальная крутизна активной области транзистора; Rвых - выходное (внутреннее) сопротивление; СЗС ,ССИ - междуэлектродные емкости; rЗ , rС , rИ -омические сопротивления областей электродов; LЗ , LС , LИ - индуктивности выводов. Положение ключа K1 определяется

67

состоянием транзистора: K1 замкнут – активное состояние, K1 разомкнут – состояние отсечки.

Рис. 3.3. Физическая модель мощного ПТ

При включении в схему ПТ удобнее представить четырехполюсником, параметры которого определяются через параметры модели. Однако не все элементы в представленной на рис. 3.3 схеме играют одинаковую роль (элементы, играющие основную роль, выделены штриховой линией). Остальные элементы модели в первом приближении можно опустить. Такой подход существенно упрощает расчетные соотношения, обеспечивая при этом приемлемую точность. Выделенная часть схемы позволяет определить постоянную времени входной цепи открытого транзистора вх rк (Ск Сзс ) . Величина, обрат-

ная этой постоянной времени,

68

является граничной частотой транзистора по крутизне. Количественно безынерционная область работы ПТ определяется из неравенства 0,5s .

Входное и входное сопротивления ПТ просто определяются из этой упрощенной схемы.

Однако ПТ эффективно работает в области высоких частот, на которых необходимо учитывать и другие элементы модели. Это, в первую очередь, элементы общего электрода Lu и ru (в схеме с ОИ). В режиме большого сигнала целесооб-

разно использовать кусочно-линейную аппроксимацию физической модели.

В этом случае, по аналогии с БТ, усредненные параметры МДП - транзисторов на высоких частотах определяются выражениями

Учет Lu в модели ПТ позволяет более точно определить

постоянную времени входной цепи и, соответственно, граничную частоту транзистора по крутизне, которая, с учетом (3.30) и (3.32), определяются из соотношения

69

SL 1/([rз rк ru T Lu 1 ( )](ССu CЗС )). (3.35)

Полученные выражения позволяют с достаточной для инженерных расчетов точностью определить параметры МДПтранзисторов и дать оценочные результаты для ПТШтранзисторов.

Известны также мощные металооксидные полевые транзисторы с изолированным затвором MOSFET, которые имеют следующие преимущества по сравнению с генераторными БТ

[10].

Поскольку у ПТ нет неосновных носителей, то у них меньше инерционность и это обеспечивает их работоспособность на более высоких частотах посравнению с БТ.

ПТ имеют повышенную теплоустойчивость, поскольку с ростом температуры происходит увеличение сопротивление открытого транзистора и соответственно уменьшение тока, что позволяет параллельно включать большее число элементов.

У ПТ отсутствует явление вторичного пробоя, что позволяет более эффективно их спользовать при работе в диапазоне частот.

Поскольку ПТ управляется напряжением (полем), то это упрощает и схему управления и потребляемую ею мощность.

Справочные параметры MOSFET транзисторов приведены в приложении 1.

Кроме этого используются и гибридные биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT, которые соединяют особенности полевых и биполярных транзисторов. Технологически транзисторы IGBT получен из транзистора MOSFET путем введения в него еще одного биполярного транзистора структуры n-p-n. В результате его крутизна значительно превышает крутизну транзистора MOSFET, а сопротивление насыщения транзистора становится малым. Это снижает тепловые потери в открытом состоянии. Быстродействие IGBT выше чем БТ, но ниже чем MOSFET.

70