Особенности работы биполярного транзистора на высоких частотах

При работе транзистора с сигналами высокой частоты время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. В результате способность транзистора усиливать электрические сигналы с ростом частоты ухудшается. Для анализа работы транзистора с высокочастотными сигналами используются динамические модели как нелинейные, так и линейные, отличающиеся от статических учетом влияния емкостей переходов. При этом барьерные емкости переходов описывают процессы, аналогичные перезаряду обычных конденсаторов, а диффузионные емкости, характеризующие накопление и рассасывание неравновесных носителей, одновременно учитывают и конечную скорость их перемещения.

Для анализа воспользуемся малосигнальной схемой транзистора. Как и схемы замещения, малосигнальные физические (моделирующие) эквивалентные схемы предназначены для расчета малых переменных составляющих токов и напряжений, но элементы этих схем соответствуют структуре и физическим процессам реального транзистора. Наиболее распространенные физические эквивалентные схемы получают путем линеаризации уравнений моделей Эберса – Мола.

Схема для включения транзистора ОБ

Т-образная малосигнальная эквивалентная схема приведена на рис. 3.37. Она включает: дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

сопротивление базы;

дифференциальное выходное сопротивление транзистора;

дифференциальный коэффициент передачи тока в схеме с общей базой.

  Схема получена путем линеаризации классической модели Эберса-Молла для активного режима. Для данного режима генератор тока _Ii₂ в схеме на рис. 3.37 отсутствует и i_Э = i₁. При линеаризации вместо эмиттерного перехода с нелинейной характеристикой появляется его дифференциальное сопротивление r_Э. Сопротивление r_К, учитывающее эффект Эрли определяется по выходным характеристикам транзистора в схеме с ОБ величина r _к составляет десятки - сотни килоом и часто не учитывается. h_21Б   - параметр, аналогичный статическому коэффициенту передачи тока , но для малых приращений. В практических расчетах h_21Б часто принимают равным единице.

Динамические свойства транзистора при включении с общей базой

  Рассмотрим высокочастотную малосигнальную физическую эквивалентную схему транзистора при включении с ОБ (рис 3.41). По сравнению с аналогичной низкочастотной схемой (рис. 3.37) в нее добавлена емкость эммитерного перехода C_Э, состоящая из диффузионной C_ЭД и барьерной C_ЭБ емкостей. В общем случае C_Э=C_ЭД+C_ЭБ. Но для прямо с мещенного перехода C_Э C_ЭДд. Кроме того, параллельно обратно смещенному коллекторному переходу включена емкость C_К =C_КБ + С_КД  C_КБ. Генератор тока может быть представлен двумя способами: в первом случае он управляется током с комплексной амплитудой , протекающим через r_э, что сответствует базовым моделям Эберса - Молла. Отметим, что при появлении емкости C_Э ток , поскольку эмиттерный ток суммируется из тока через переход и тока через емкость. При этом ток генератора равен , где h_21Б - низкочастотное значение параметра. Во втором случае генератор управляется током эмиттера с комплексной амплитудой . Для него необходимо ввести частотнозависимый параметр H_21Б так, чтобы ток генератора не изменился, тогда

, причем

(3.63)

Обозначим:

, где f_H21Б - предельная частота коэффициента передачи тока эмиттера.

Тогда: . (3.64)

Найдем из (3.64) модуль и фазовый угол коэффициента передачи тока эмиттера

. ; (3.65)

(3.66)

З ависимость коэффициента передачи тока эмиттера от частоты приведена на рис. 3.42.

 Таким образом, с ростом частоты коэффициент убывает. На частоте f=f_H21Б модуль .

Отсюда следует физическое определение предельной частоты коэффициента передачи тока эмиттера: представляет частоту, на которой  H_21Б уменьшается в раз по сравнению с низкочастотным значением h_21Б. Из формулы (3.66) также следует, что с ростом частоты увеличивается запаздывание по фазе тока коллектора относительно тока эмиттера . На частоте f_21Б сдвиг составляет 45  . Максимальный сдвиг (при f   составляет 90  . Из выражения (3.63) следует, что предельная частота f _H21Б определяется постоянной времени  _ОБ заряда полной емкости C_Э эмиттерного перехода. Можно показать, что

(3.67)

и включает в себя :

С_ЭБr_Э - постоянную времени заряда барьерной емкости эмиттерного перехода;

t_прБ - время диффузии носителей через базу;

t_КП - время пролета через коллекторный переход.

Для увеличения следует уменьшать время пролета носителей через структуру транзистора (в первую очередь, через базу и обедненную область коллекторного перехода). Дополнительную инерционность вносит барьерная емкость коллекторного перехода, Ее влияние существенно, если C_КR_Н соизмеримо с  _ОБ.