книги из ГПНТБ / Власов В.Ф. Электронные и ионные приборы Учеб.пособие для радиотехн.вузов и фак

ды имеют герметизированный металлический корпус, обеспе­ чивающий высокую климатическую устойчивость приборов. Механическая конструкция триодов обеспечивает неизменность параметров при длительной вибрации и устойчивость к воздей­ ствию постоянных и ударных ускорений. Предельная темпера­ тура коллекторного перехода германиевых триодов +85°С. кремниевых до + 150°С.

§ 23.6. Частотные свойства полупроводниковых триодов

Усилительные свойства полупроводниковых триодов с рос­ том частоты ухудшаются, что проявляется прежде всего в уменьшении усиления и появлении фазовых искажений. Пара­ метры полупроводниковых триодов в диапазоне высоких частот становятся комплексными величинами, зависящими от частоты. В полупроводниковых триодах ухудшение усилительных свойств наступает на значительно более низких частотах, чем в элек­ тронных лампах; в отдельных типах плоскостных триодов этот эффект появляется уже на частотах порядка десятков килогерц.

Частотная зависимость свойств полупроводниковых триодов обусловлена главным образом влиянием времени пролёта носи­ телей от эмиттера к коллектору и влиянием ёмкостей перехо­ дов п распределённого сопротивления базы.

С ростом частоты, в первую очередь, наблюдается уменьше­ ние величины коэффициента усиления по току а и появление сдвига по фазе между токами коллектора и эмиттера. Теоре­ тическое выражение зависимости коэффициента усиления по току а от частоты для плоскостных триодов может быть полу­ чено путём решения одномерного уравнения диффузии, которое имеет следующий вид:

вана следующим образом: изменение концентрации неосновных носителей за единицу времени определяется количеством не­ основных носителей, исчезающих вследствие рекомбинации (1-й член уравнения) и количеством носителей, уходящих из рас­ сматриваемого элементарного объёма в виде диффузионного тока (2-й член уравнения).

661

Из ур-ния (23.43) в режиме малых амплитуд может быть получено следующее выражение для коэффициента усиления по току:

сителей в базе уже не будет монотонно-убывающей функцией, а в некоторые моменты может иметь максимум где-то в середине базы. Из-за этого диффузионный ток неосновных носителей бу­ дет иметь место не только в направлении к коллектору, но и в обратном направлении — к эмиттеру. В результате увеличивается

между токами коллектора и эмиттера также объясняется влия­ нием большого времени пролёта носителей в базе.

Для оценки частотных свойств полупроводниковых триодов вводится специальный параметр — предельная частота усиления по току. Предельной частотой усиления по току называют такую

Это хорошо подтверждаемое экспериментально выражение имеет значение для конструирования высокочастотных триодов. Из него вытекает ряд выводов, определяющих пути повышения предельной частоты полупроводникового триода.

Из (23.45) следует, что предельная частота обратно про* порциональна квадрату толщины базы W. Расчёт по ф-ле

662

(23.45) показывает, что для получения высоких значений пре­ дельной частоты fa толщина базы W должна быть весьма ма­ лой. Так, например, для германия с электронной проводимостью, имеющего коэффициент диффузии Dp =49 см21сек, для получе­ ния предельной частоты 'fa больше 100 Мгц необходимо иметь толщину базы менее 4 мк. При толщине базы 20 мк предельная частота имеет величину порядка 3 -г-4 Мгц. Заметим, что полу­ чение триодов с малой толщиной базы является очень трудной технологической задачей. Чем тоньше база, тем больше брак и разброс параметров. В некоторых типах триодов уменьшение толщины базы приводит к снижению механической прочности конструкции.

В табл. 23.6 показана наименьшая толщина базы, получен­ ная различными методами изготовления переходов в лабора­ торных условиях и при серийном производстве.

Как видно из таблицы, способ сплавления, наиболее рас­ пространённый в серийном производстве, не может обеспечить толщину базы меньше 10 мк и, следовательно, предельную час­ тоту выше 20 Мгц. Лучшие результаты дают поверхностно­ барьерные триоды, при изготовлении которых используется спо­ соб электролитического травления (см. § 23.1). Триоды этого типа изготавливаются на предельные частоты до 70-5-100 Мгц. Однако . вследствие малых размеров электродов допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, получается небольшой, порядка 5—10 мет.

Наиболее перспективным методом получения высокочастот­ ных триодов является метод диффузии. Германиевые триоды, полученные этим методом, имеют предельную частоту, дохо­ дящую до 400-1*600 Мгц при мощности, рассеиваемой коллек­ тором порядка 100—150 мет.

Из (23.45) следует, что предельная частота, помимо толщи­ ны базы, зависит также от величины коэффициента диффузии А от подвижности носителей. Отсюда следует, что наиболее высокой предельной частотой при прочих равных условиях бу-

663

дут обладать полупроводниковые триоды, изготовленные из ма­

му кремний, будучи весьма перспек­ тивным материалом для получения высокотемпературных термически ста­

бильных триодов, оказывается менее пригодным, чем германий для изготовления высокочастотных триодов.

Предельная частота полупроводникового триода зависит от схемы включения триода. Выражение (23.45) справедливо лишь для схемы- с общей базой. В схеме с общим эмиттером коэффи­ циент усиления по току (табл. 23.3)

и предельная частота в этом случае получается равной

т. е. она обратно пропорциональна времени жизни неосновных носителей в базе.

6 6 4

Из (23.45) и (23.46) можно получить выражение, связываю­

эмиттером всегда значительно ниже, чем в схеме с общей базой.

Причина этого заключается в появлении сдвига фазы меж­ ду токами коллектора и эмиттера на высоких частотах. В этомслучае величина тока базы может быть определена из вектор­ ной диаграммы, показанной на рис. 23.456.

Из этой диаграммы следует, что с ростом частоты, когда возрастает сдвиг фазы ® между токами коллектора и эмитте­ ра, ток базы должен сильно возрастать, даже при относитель­ но малом уменьшении модуля а. Именно это обстоятельство- и является причиной того, что в схеме с общим эмиттером коэф­

фициент усиления по току Р = -г- падает с ростом частоты

Iб

значительно быстрее, чем в схеме с общей базой, и, следова­ тельно, предельная частота fp получается значительно меньше, чем fa •

' На частотные свойства полупроводниковых триодов, поми­ мо времени пролёта носителей в базе, могут оказывать суще­ ственное влияние ёмкости эмиттерного и коллекторного пере­ ходов. Влияние ёмкостей на свойства триода становится за­ метным на частотах, при которых ёмкостные токи через пере­ ходы становятся сравнимыми с токами проводимости, т. е. ём­

терного .перехода.

665

Ёмкость эмиттерного перехода, шунтируя его активное сопро­ тивление, приводит к перераспределению входного сигнала с ростом частоты. Увеличивается доля сигнала, падающая на соп­ ротивлении базы, и уменьшается полезная доля сигнала на эмиттерном переходе, определяющая инъекцию носителей в базу. Отсюда следует, что для высоких частот желательно иметь низ­

тора и повышения предельной частоты триода является введение

этом ёмкость коллекторного перехода снижается до величины порядка I пф, что улучшает частотные свойства триода. В та­ кой конструкции улучшение частотных свойств может быть достигнуто также за счёт применения более низкоомного ма­ териала базы, т. е. за счёт снижения сопротивления базы ’ гб. Пробивное напряжение коллекторного перехода, а следователь­ но, и мощность триода при этом не снижаются, а даже повы­ шаются за счёт наличия слоя i с высоким удельным сопротив­ лением. Большая толщина дополнительного слоя обеспечивает хорошую механическую прочность переходов.

На рис. 23.47 показано устройство полупроводнико­ вого триода типа p-n-i-p.

На пластинке германия типа I, имеющей толщину 40—50 мк и 'удельное сопро­ тивление р «40 ом-см, соз­

В триодах типа p-n-t-p дырки, инъектированные в базу, пере­ мещаются в слое с л-проводимостью путём диффузии, а в слое

666

с/-проводимостью дрейфуют в электрическом поле коллектора.

Всвязи с этим триоды типа p-n-i-p носят название дрейфовых триодов. Дрейфовые триоды могут обеспечить предельные час­ тоты примерно такого же порядка, как поверхностно-барьерные,

но при большем уровне мощности.

Повышение предельной частоты достигнуто в приборах, по­ лучивших название полупроводниковых тетродов. В этих при­ борах к базе подключён ещё один дополнительный вывод — б2, на который подаётся напряжение того же знака, что и на эмит­

появлением новых, более со­ вершенных типов триодов, таких, как поверхностно-барьерные,

диффузионные и др.

В заключение рассмотрим кратко частотные свойства точеч­ ных триодов. Они так же, как и у плоскостных триодов, опре­ деляются ёмкостями переходов и временем пролёта носителей в базе. Но так. как ёмкости в точечных триодах имеют неболь­ шую величину, то в данном случае определяющим является влияние времени пролёта в базе, ширина которой довольно ве­ лика.

Существенное влияние на частотные свойства точечных трио­ дов оказывает различие во времени перехода отдельных

скостных триодов, как поверхностно-барьерные, дрейфовые, диф­ фузионные, значительно превосходят точечные триоды в этой области. В связи с этим в отношении частотных свойств то­ чечные триоды не только не обладают преимуществом перед плоскостными триодами, но и значительно уступают им.

В табл. 23.7 приведены данные некоторых типов высокочас­ тотных триодов, выпускаемых нашей промышленностью.

Ь67

§ 23.7. Эквивалентные схемы полупроводникового триода

Для области низких частот и режима малых амплитуд полупроводнико­ вый триод может быть заменён простой эквивалентной схемой, достоинство ко­ торой заключается в том, что её параметры не зависят от способа включения триода и характеризуют триод однозначно.

Эквивалентная схема триода имеет различный вид в зависимости от того, какая система параметров принята для описания свойств триода. Рас­ смотрим эквивалентную схему для случая, когда в качестве независимых пе­

ременных выбраны токи I\ и / 2.

В этом случае:

Исходя из (23.50) и (23.51), полупроводниковый триод можно заменить

•квивалентной схемой, представленной на рис. 23.49а, где рассмотрен случай включения триода с общей базой и введены обозначения:

R y y — R y 2 = гэ — сопротивление эмиттера,

Ryy = Гб— сопротивление базы,

6 6 8

генератором тока 1г = а1э, обладающим бесконечно большим внутренним сопротивлением (рис. 23.496). Величину а можно определить из условия эк­

вивалентности цепей.

При разомкнутых цепях должны быть равны напряжения на их за­ жимах

г > — гка1э‘

Отсюда

чим, изменив в схеме (рис. 23.49) точку заземления. Но требуется ещё одно преобразование, так как входным током в данном случае является ток базы 1е , а в исходной схеме напряжение эквивалентного генератора выражено через ток эмиттера 1В.

По закону Кирхгофа

1э+ 1б+1к = 0.

Тогда напряжение эквивалентного генератора

Uг = гг1э = гг1б гг1к.

Второй член этого равенства целесообразно отнести к выходному со­ противлению гк , на котором падение напряжения имеет место также за счёт тока 1К . Тогда окончательно получаем эквивалентную схему триода для включения с общим эмиттером, изображённую на рис. 23.50.

Эквивалентную схему триода для включения с общим коллектором при входе на базу получим непосредственно из предыдущей путём изменения об­ щей точки. В результате приходим к схеме, показанной на рис. 23.51.

Использовав полученные эквивалентные схемы триода для различных схем включения, нетрудно получить формулы для вычисления параметров эк­ вивалентного четырёхполюсника. В таблице 23.9 дана сводка формул, в ко­

торых параметры эквивалентного четырёхполюсника связаны с первичными параметрами г3, г& гк, гг.

Для диапазона высоких частот рассмотренные схемы непосредственно не пригодны и должны быть дополнены элементами, учитывающими влияние ёмкостен и времени пролёта носителей в базе. Из числа применяемых на вы­ соких частотах эквивалентных схем упомянем две. В одной из них уменьше-

669