tОБ» 
+ tпрБ+ (3.67)
и включает в себя :
СЭБrЭ - постоянную времени заряда барьерной емкости эмиттерного перехода;
tпрБ - время диффузии носителей через базу;
tКП - время пролета через коллекторный переход.
На практике величина 
измеряется (в режиме короткого замыкания выходной цепи по переменной составляющей RН® 0 ) и по ней с помощью (3.63) (иногда по более точным формулам) рассчитывается CЭ. По величине 
можно судить об усилительных свойствах транзистора на высоких частотах в схеме с ОБ ( строго говоря, при малом сопротивлении нагрузки). 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, не влияющая на величину . В реальных схемах она перезаряжается через сопротивление нагрузки RН. Ее влияние существенно, если CКRН соизмеримо с t ОБ. Отметим, что влияние CК усиливается при возрастании сопротивления нагрузки RН. Во многих случаях высокочастотную схему упрощают, исключая CК.
При этом вводят
t *ОБ=t ОБ+CКR (3.68) и
; 
. (3.69)
используют для описания частотной зависимости генератора тока. В эквивалентной схеме при этом остается один частотнозависимый элемент H*21Б. Такой подход вносит дополнительную погрешность, но широко используется для оценки границ частотного диапазона усилительных каскадов и при анализе длительности фронтов в импульсных схемах.
Динамические свойства транзистора в схеме ОЭ
Для перехода к схеме ОЭ, как и ранее, выразим выходной ток 
через ток базы 
. Из схемы (рис. 3.43) имеем:
, (3.70)
где 
- напряжение между коллектором и точкой Б¢ .
Подставляя 
в (3.70) получим
, (3.71)
где 
; (3.72)
; rк* =rк(1 - H21Б) . (3.73)
Отметим, что С* К и r* К - комплексные частотнозависимые величины. Эквивалентная схема транзистора с учетом (3.71...3.74) приведена на рис.3.43.
Физический смысл H21Э следует из (3.72).
При 
,
, поэтому H21Э называется коэффициентом передачи тока базы на частоте f. Вместо H21Э и 
также используются обозначения b~ и fb . Для оценки частотных свойств транзистора в схеме с ОЭ найдем частотную зависимость H 21Э. Подставляя (3.64) в (3.72), получим
, (3.74)
где 
. (3.75)
Величину fH21Б называют предельной частотой коэффициента передачи тока базы.
При f=fH21Б 
.
Таким образом частотная зависимость H21Э аналогична зависимости H21Б, но предельная частота в десятки и более раз ниже (примерно в h21Э раз). Физически эта закономерность объясняется с помощью векторной диаграммы токов транзистора (рис.3.44), из которой видно, что небольшой сдвиг фаз между близкими токами 
и 
вызывает сильное увеличение разностного тока 
. Как и в схеме с ОБ, в схеме с ОЭ дополнительную инерционность вносит емкость C*К, перезаряжающаяся через сопротивление нагрузки RН. При использовании упрощенной схемы (с одним частотнозависимым элементом H*21Э) C*К - исключают, но принимают: 
; t * ОЭ=h21Э t ОЭ . (3.76)
f*H21Э и t * ОЭ - характеризуют граничную частоту и постоянную времени уже усилительного каскада ОЭ с конкретным значением сопротивлением нагрузки RН . Они отличаются от аналогичных величин для схемы ОБ в десятки и более (в h 21э) раз. Отметим, что в (3.76) используется действительная величина ½ C*К½ - низкочастотное значение модуля комплексной величины C*К при f ® 0. Параметр t * оэ часто используется при расчете длительности фронтов в импульсных схемах.
Для описания частотных свойств транзистора также употребляют :
- граничную частоту коэффициента передачи fГР , соответствующую условию
(уменьшение коэффициента передачи тока базы до единицы); можно показать, что ; максимальную частоту генерации fmax, соответствующую усилению по мощности Kp=1; постоянную времени цепи обратной связи rБ' CК.. 
Кроме того, часто используется и П-образная эквивалентная схема (Джаколетто) - рис. 3.45.
Дрейфовый транзистор
Как было показано ранее, для улучшения частотных свойств транзистора необходимо уменьшать:
время перемещения носителей заряда от эмиттера к коллектору,
емкость коллекторного перехода, сопротивление тела базы.
Однако, эти требования противоречивы. Для уменьшения времени перемещения носителей необходимо уменьшить толщину базы, но при этом возрастает сопротивление базы. Уменьшение удельного сопротивления базы за счет увеличения концентрации примеси приводит к уменьшению ширины коллекторного перехода и к увеличению емкости CКБ. Удачным решением проблемы является увеличение скорости перемещения носителей с помощью ускоряющего электрического поля в базовой области. Этот принцип положен в основу дрейфовых транзисторов. В дрейфовых транзисторах базовая область легируется неравномерно (вблизи эмиттерного перехода NA » 10 16-10 18см -3, а вблизи коллекторного перехода NA » 10 14см -3). Основным технологическим приемом при изготовлении дрейфовых транзисторов является диффузия легирующей примеси в исходный монокристалл. На рис. 3.46 изображен типичный профиль легирования дрейфового транзистора. При изготовлении данного транзистора в однородно легированную донорной примесью пластину (концентрация доноров ND) через левый торец одновременно осуществляют диффузию донорной и акцепторной примесей. Акцепторная примесь диффундирует быстрее и в результате образуется структура, содержащая два p-n-перехода.
Из-за наличия градиента концентрации примеси (а, следовательно, и дырок) основные носители в базовой области - дырки начинают диффундировать в направлении коллекторного перехода. Однако, в отличие от диффузии неосновных носителей, смещение основных оставляет нескомпенсированные заряды ионов акцепторной примеси. В результате возникает электрическое поле и устанавливается динамичексое равновесие: действие градиента концентрации уравновешивается действием электрического поля. Направление электрического поля в базе является ускоряющим для электронов, движущихся от эмиттера к коллектору. Кроме того, при наличии сильно легированного базового слоя вблизи эмиттерного перехода, сопротивление тела базы r' Б получается малым даже при тонкой базе. Одновременно малая концентрация примеси вблизи коллекторного перехода приводит к значительному уменьшению емкости последнего. В результате, дрейфовые транзисторы могут работать даже в СВЧ - диапазоне (граничные частоты достигают 10 ГГц).
Импульсный режим работы биполярного транзистора
Биполярные транзисторы широко используются в цифровой технике в качестве электронных ключей. В этих устройствах используются сигналы в виде почти прямоугольных (трапецеидальных) импульсов большой амплитуды. В общем случае для описания работы транзистора в импульсном (ключевом) режиме необходимо использовать нелинейные динамические модели транзистора (например, динамические компьютерные модели Эберса - Молла). Однако в большинстве случаев ограничиваются расчетом амплитуды и длительности фронтов импульсных сигналов.
Рассмотрим схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе (рис. 3.47). В цепь базы транзистора включен источник импульсных сигналов - генератор прямоугольных импульсов uГ с внутренним сопротивлением RГ. В цепи коллектора включена нагрузка RК и поэтому напряжение на коллекторе uКЭ = EК - iКRК. Ограничим рассмотрение работы схемы случаем включения в цепь базы генератора тока, то есть будем предполагать, что внутреннее сопротивление генератора RГ значительно больше входного сопротивления открытого транзистора и, следовательно, 
. При анализе схеме учтены также влияние емкостей CЭ - эмиттерного и CК - коллекторного переходов. Временные диаграммы, отражающие процессы, протекающие в схеме, представлены на рис. 3.48. До момента времени t0 uГ = EГ ОБР и токи iБ и iК равны нулю (тепловыми токами в цепи коллектора пренебрегаем). Это исходное состояние иллюстрирует точка А (рис.3.49). Она находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой, снятой при iБ=0 (транзистор находится в режиме отсечки).
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
Основные порталы (построено редакторами)