Переходные и частотные характеристики биполярного транзистора

При изменении частоты сигнала или при подаче импульсных сигналов на работу транзистора и на его параметры могут существенно влиять инерционные процессы, обусловленные наличием реактивностей (в основном паразитных емкостей переходов) и конечным временем переноса носителей через область транзистора. Инерционные свойства транзистора определяют возможности его использования в конкретных электрических схемах, особенно в усилительных и генераторных устройствах, работающих на высоких частотах. При увеличении частоты время протекания физических процессов в транзисторе, вызванных изменением входного сигнала, может быть соизмеримо или превышать его период. В этом случае сопротивления конденсаторов в малосигнальных эквивалентных схемах, рассмотренных в предыдущем разделе, могут оказаться меньше дифференциальных сопротивлений эмиттерного и коллекторного переходов, объемных сопротивлений базы и коллектора. В результате этих процессов Л- и //-параметры становятся комплексными величинами, зависящими от частоты. Учесть одновременно все факторы, влияющие на частотные свойства реального транзистора, очень сложно. Для того чтобы оценить частотные свойства транзистора в целом, можно допустить, что полный коэффициент передачи тока транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока, зависящих от процессов в отдельных областях.

Рассмотрим частотную зависимость коэффициента передачи тока в схеме с ОБ Л21Б" на которую, как отмечалось в п. 4.4,

влияют емкость цепи эмиттера, время пролета носителей заряда через базу, время пролета носителей через область объемного заряда коллекторного перехода и постоянная времени цепи коллектора. В первую очередь оценим процессы в базе, пренебрегая влиянием емкостей и явлениями в коллекторном переходе. Для простоты будем рассматривать явления в базе на примере изменения токов транзистора при подаче на его вход функции включения, представляющей ступенчатое изменение входного сигнала. Изменение этой функции при прохождении сигнала через транзистор связано не только с его переходными характеристиками, но также и с частотными, поскольку спектр импульсного сигнала изменяется при изменении фронтов сигнала. Предположим, что в начальный момент времени на коллектор подано постоянное обратное напряжение, а эмиттерный ток равен нулю. Не будем учитывать в коллекторном токе обратный ток термогенерации. В момент времени эмиттерный ток изменяется скачком до величины /э (рис. 4.19, а), при этом для простоты считаем, что осуществляется односторонняя инжекция дырок, т. е. коэффициент инжекции у — 1. Инжектированные в базу дырки достигают коллекторного перехода через некоторое время задержки /3 и при t>t0 + t3 коллекторный ток начинает нарастать до значения Ь2ХЪ13 = а!э. Нарастание происходит постепенно, поскольку скорости отдельных носителей существенно различаются из-за того, что диффузия носителей связана со столкновениями носителей с атомами, ионами и между собой. Следовательно, скорость диффузии есть величина средняя, от-

Рис. 4.19

носительно которой скорости носителей распределены по определенному закону. В результате фронт коллекторного тока имеет конечную длительность *ф.

В течение времени *3, ток базы будет равен току эмиттера /э, затем за время *ф он уменьшится до стационарного значения (1 - Л2п>)Л) = (1 а)/э. Одновременно с током коллектора происходит нарастание избыточного заряда в базе. Увеличение избыточного заряда и тока коллектора носит экспоненциальный характер, т. е.

где тк;) — постоянная времени, определяющая длительность переходного процесса коллекторного тока. Если пренебречь переходными процессами в эмиттерном и коллекторном переходах, то = * Б, где £прВ— время пролета носителей через базу. В случае бездрейфовых транзисторов ткэ = где — среднее время диффузии носителей через базу. В общем же случае, как отмечалось ранее, структура транзистора разбивается на несколько областей в направлении от эмиттера к коллектору, тогда тк:) может быть записана в следующем виде:

где тэп— постоянная времени эмиттерного перехода, £прБ — время пролета носителей через базу, тК[1 — постоянная времени, которая определяется временем пролета носителей через коллекторный переход, — постоянная времени коллектора.

Постоянная времени эмиттерного перехода тэп учитывает задержку нарастания тока инжекции, связанную с зарядом барьерной емкости эмиттерного перехода. В силу этого ток инжекции дырок нарастает не скачком, а экспоненциально:

Время пролета носителей через коллекторный переход £пр может быть определено ПО формуле £пр = ^обк/Уипс' ГДе ^обК — ширина коллекторного перехода, онас— скорость насыщенная (см. п. 3.7). Из-за высокой напряженности электрического поля

скорость переноса носителей через коллекторный переход равна скорости насыщения инас. При движении дырок через обедненный слой они наводят в цени коллектора ток, который начинает изменяться раньше, чем они долетят до границы слоя и перейдут в коллектор, поэтому ткп < $ . Расчеты показывают, что

Постоянная времени в формуле (4.32) определяется перезарядкой барьерной емкости коллекторного перехода, т. е.

где г'к — объемное сопротивление высокоомной коллекторной области.

Зная г^, можно записать переходную характеристику /*21 б(*^) коэффициента передачи тока в схеме с общей базой в операторной форме

где £3 — время задержки коллекторного тока относительно фронта импульса тока эмиттера (см. рис. 4.19, а).

Используя операторную форму записи переходной характеристики и заменяя оператор 5 на іш (і — мнимая единица), получим комплексную частотную характеристику коэффициента передачи в виде

где (0а = 2л/а = 1/Ткэ — угловая предельная частота для схемы с ОБ.

Комплексное значение /?21Б может быть использовано в случае приближения малых сигналов. Полные токи в транзисторе не могут быть синусоидальными из-за вентильных свойств р—л-перехода. Амплитудно-частотная характеристика коэффициента Л21Б представляется действительной частью выражения (4.38), т. е.

Фазочастотная характеристика, полученная из (4.38), имеет вид

Рис. 4.20

Частотная характеристика коэффициента передачи тока |Л2ів(о))| показана на рис. 4.20 (нижняя кривая).

Переходные процессы в схеме с ОЭ можно проанализировать, используя рисунок 4.19,-6. На вход транзистора в этом случае подается ступенька базового тока /в. Функцию коллекторного тока можно записать в виде

где Л21Э(0 — переходная характеристика коэффициента передачи тока (Л21П ~ Р)-

Как и ранее, полагаем у- 1. Выражение для постоянной времени транзистора в схеме с ОЭ получим, учитывая связь между параметрами /г21Б и Л21Э, т. е. Л21Э = Л21Б/(1 - Л21Б) = а/(1 ” а)-

Переходный процесс, как и в схеме с ОБ, сохраняет экспоненциальный характер, но постоянная времени тКЭц в схеме с ОЭ будет много больше, чем тк;) в схеме с ОБ, в соответствии с выражением Г341

Механизм увеличения постоянной времени в схеме с ОЭ можно пояснить следующим образом. При подаче базового тока за счет поступления электронов из внешней цепи в области базы возрастает концентрация и суммарный заряд электронов. Накопление электронов приводит к тому, что их заряд компенсирует заряд ионов доноров в области эмиттерного перехода, что приводит к понижению потенциального барьера в ней и возникновению инжекции дырок из эмиттера. Инжектированные дырки будут поддерживать квазинейтральность базы, и в начальный момент /э - /Б (см. рис. 4.19, 6), как и в схеме с ОБ. Инжектированные дырки до-

ходят до коллектора за время задержки t3 (время переноса носителей через область базы), и коллекторный ток начинает увеличиваться (нижняя кривая на рис. 4.19, б). В схеме с ОБ по мере увеличения iK ток iB уменьшается, но в схеме с ОЭ ток базы /Б = const, т. е. он жестко задан, поэтому возрастание тока коллектора iK вызывает дополнительную инжекцию дырок из эмиттера, необходимую для поддержания квазинейтральности, поскольку часть дырок уже ушла в коллектор. Одновременное возрастание токов iK и /э будет происходить до тех пор, пока в базе не накопится избыточный заряд AQB, скорость рекомбинации которого будет поддерживать базовый ток постоянным, т. е.

Следовательно, постоянная времени т = Д(?//в, т. е. время жизни носителей в базе т равно постоянной времени транзистора в схеме с ОЭ.

Выражение для малосигнальной частотной характеристики для схемы с ОЭ можно записать в форме, аналогичной соотношению (4.38) для схемы с ОБ Г341:

где о>р = 1/хКЭр — предельная частота для схемы с ОБ.

Соответственно амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики будут иметь вид

Граничная частота коэффициента передачи тока согр определяется из условия уменьшения коэффициента Л21Э до единицы.

Положив со = (0гр и Л21э((Огр) = 1 и пренебрегая единицей в подкоренном выражении (4.45), получим

Таким образом, частота согр = 2д/гр близка по величине к 0)н. Частотная характеристика схемы с ОЭ изображена

на рис. 4.20 (верхняя кривая).

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >