Главная | Обратная связь
МегаЛекции

Краткие теоретические сведения





Частотные свойства биполярного транзистора

Цель работы: исследование зависимости коэффициента усиления по току биполярного транзистора от частоты сигнала.

Краткие теоретические сведения

Одним из основных факторов, определяющим пригодность транзистора для использования в той или иной электрической схеме, является зависимость его параметров от частоты. Особенно большое значение имеют зависимости усилительных свойств транзистора от частоты. Известно, что уже на частотах в несколько сот килогерц сплавные триоды заметно теряют свои усилительные свойства. Наряду с этим, с увеличением частоты сигнала растет шунтирующее действие емкостей р-n переходов, особенно емкости коллектора, так как в этом случае шунтируется большое сопротивление коллекторного перехода, включенного в запирающем направлении.

В силу конечного времени пролета носителей через базу происходит фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного. Фазовый сдвиг между током эмиттера и током коллектора обусловлен тем, что изменения коллекторного тока происходят позднее вызвавших их изменений тока эмиттера на среднее время распространения процесса диффузии через базу tD (рис. 1). Пока частота сигнала невелика и tD << T (T – период повторения процесса), можно считать, что изменения тока эмиттера практически мгновенно следуют за изменениями тока эмиттера. С ростом частоты сигнала период T уменьшается и становится соизмеримым со временем диффузии. Чем больше толщина базы, тем больше время диффузии и больше сдвиг фаз между токами, чем в транзисторах с малым расстоянием между переходами.

Рис. 1. Диаграмма фазового сдвига тока коллектора относительно тока эмиттера на среднее время диффузии tD

Кроме того, в силу хаотичности диффузионного движения неосновных носителей зарядов в области базы они приходят на коллектор неодновременно, что вызывает искажение формы выходного сигнала и уменьшение коэффициента усиления по току с повышением частоты. Группа зарядов, одновременно вошедших в область базы, достигнет коллекторного перехода в разное время. Если предположить, что эмиттерный ток имеет вид короткого импульса с идеальным, мгновенно достигающим максимального значения фронтом и идеальным, мгновенно спадающим до нуля срезом, то ток коллектора таких фронтов иметь не будет. Из-за разницы в скорости движения зарядов, как фронт, так и срез импульса коллекторного тока окажутся растянутыми.



Если амплитуду импульсов тока в эмиттере принять за единицу, то из-за рекомбинации неравновесных носителей амплитуда импульсов коллекторного тока будет в α0раз меньше. Временные диаграммы приращений токов эмиттера и коллектора Δiэ и Δiк для этого случая представлены на рис. 2,а. Для большего удобства сравнения диаграмм временная диаграмма тока коллектора сдвинута по оси на время tD, соответствующее среднему времени распространения. Для простоты время нарастания фронта импульса коллекторного тока до максимальной величины t1 считается равным времени спадания среза.

Рис. 2. Временные диаграммы приращений токов эмиттера и коллектора: а) низкая частота, α ≈ α0; б) повышенная частота, α ≈ α0; в) более высокая частота α1 < α0;. Диаграммы токов эмиттера и коллектора сдвинуты на среднее время диффузии tD и совмещены для удобства сравнения.

Если уменьшить длительность импульсов и соответственно интервал между ними до величины, равной 2t1 (рис. 2,б), то в этом случае форма импульса будет искажена более значительно, но величина импульса коллекторного тока останется по-прежнему равной α0.

При дальнейшем уменьшении длительности импульсов и интервалов между ними величина импульсов коллекторного тока уменьшится до величины α1 при неизменной величине импульсов эмиттерного тока, как показано на рис. 2, в.

Аналогичная картина будет наблюдаться и в случае синусоидального сигнала. Следовательно, различие в тепловых скоростях зарядов, распространяющихся диффузионно, с ростом частоты приводит к уменьшению амплитуды тока периодического сигнала в коллекторе. При неизменной амплитуде тока эмиттера это равносильно падению величины коэффициента передачи тока.

Так как коэффициент передачи тока биполярного транзистора α в схеме с общей базой представляет собой отношение тока сигнала в цепи коллектора к току сигнала в цепи эмиттера, то, следовательно, α зависит от частоты и характеризуется модулем |α| и фазой φ:

Частота входного сигнала, при которой модуль коэффициента передачи уменьшается в √2 раз по сравнению со статическим значением α0, называется предельной частотой усиления по току ωα в схеме с общей базой.

Статический коэффициент передачи α0 определяется как

где γ0 - коэффициент инжекции; β0 - коэффициент переноса; , UКБ – напряжение между коллектором и базой; Iк – ток коллектора; Iэ – ток эмиттера; I и I– дырочный и электронный токи коллектора, соответственно; I и I – дырочный и электронный токи эмиттера, соответственно.

При UКБ < Uпробоя, Mк = 1, т.к. при малом уровне инжекции дырок в базу транзистора эмиттерный ток не управляет электронной составляющей тока через коллектор. Если коллекторное напряжение достаточно близко к напряжению лавинного пробоя, то Mк = коэффициенту лавинного умножения.

Таким образом, можно считать, что α = γ×β, тогда основное значение в зависимости α(ω) имеет зависимость β(ω), т.к.γ ≈ 1 и не изменяется с частотой в диапазоне до нескольких МГц. Для определения частотной зависимости β нужно решить уравнение непрерывности при наличии постоянных и переменных составляющих в эмиттерном токе и напряжении, , . Уравнение непрерывности

где p – концентрация дырок, Dp – коэффициент диффузии дырок, τp – время жизни дырок.

Решение уравнения (4) дает

где Lp – длина диффузии дырок, W – ширина базы биполярного транзистора.

В области низких частот (ωτp << 1) . При работе на высокой частоте усиление по току становится комплексной величиной, зависящей от частоты:

Модуль α:

Граничная частота, при которой модуль α уменьшается в √2 раз, находится из условия:

Откуда

где .

Более точное решение дает

где G0) = 2,43 для случая α0 ≈ 1.

Тогда

Модуль коэффициента передачи

Сдвиг по фазе определяется из условия

При значении частоты входного сигнала, равной ωα, |α(ωα)| = 0,71; φα = 60°. Амплитудо-частотная и фазо-частотная характеристики строятся обычно в нормированных координатах (рис. 3). Можно заметить, что они похожи на характеристики RC – цепи. Амплитудная кривая RC – цепи весьма точно воспроизводит ход теоретической амплитудной кривой. Фазовая кривая такой цепи дает существенные отклонения, особенно в области частот выше предельной.

Рис. 3. Зависимость нормированного коэффициента передачи и угла фазового сдвига φα от частоты входного сигнала ω. Сплошная линия – точное решение, пунктир – приближение RC- цепи.

Из выражения (9) следует, что предельную частоту усиления транзистора можно увеличивать за счет уменьшения толщины базы. Также ωα можно повысить за счет создания в базе транзистора встроенного электрического поля, вектор напряженности которого должен быть направлен от эмиттера к коллектору. Предельные частоты дрейфовых транзисторов примерно в 10 раз превосходят значение этого параметра для транзисторов с однородным распределением примесей в базовой области. В настоящее время дрейфовый транзистор является основным типом высокочастотного транзистора.





Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015- 2019 megalektsii.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.