4.11.    Частотные свойства транзисторов

С увеличением частоты усилительные свойства транзистора ухуд­шаются. Это происходит в основном по двум причинам. Первая причина заключается в инерционности диффузионного про­цесса, обусловливающего движение дырок через базу к коллектору.

Для направленного переноса частиц необходимо, чтобы их кон­центрация убывала в направлении переноса. Дырочный ток возле эмиттерного и коллекторного переходов пропорционален градиенту концентрации дырок в этих сечениях, т.е. пропорционален углу на­клона касательной, проведенной к кривой распределения концентрации в соответствующих точках.

При быстром изменении тока инжекции изменяется концентрация дырок у эмиттерного перехода. Но процесс изменения концентрации дырок сразу не может распространиться на всю базу и дойти до коллекторного перехода.

Быстрые изменения концентрации дырок у эмиттерного перехода доходят до коллекторного перехода с запаздыванием и уменьшенные по амплитуде. На высокой частоте амплитуда коллекторного тока уменьшается, и он отстает по фазе от тока эмиттера (рис. 4.18). Следовательно, с ростом частоты колебаний ухудшаются усилительные свойства транзистора.

Падение усилительных свойств транзистора с ростом частоты проявляется в зависимости коэффициентов передачи тока эмиттера и базы от частоты (рис. 4.19).

Та частота, на которой модуль коэффициента передачи тока эмиттера  па­дает на 3 дБ (в  раз) по сравнению с его низкочастотным значением, называется предельной частотой коэффициента передачи тока эмиттера или . В зависи­мости от частоты , различают низкочастотные (< 3 МГц),  среднечастотные 

(3МГц < < 30 МГц), высокочастотные (30 МГц < < 300 МГц) и сверхвысокочастотные (> 300 МГц) транзис­торы.

Та частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы  па­дает на 3 дБ (в  раз), по сравнению с его низкочастотным значением, называется предельной частотой коэффициента передачи тока базы ().

Например, пусть  = 0,99, тогда . На предельной частоте , на этой же частоте , что соответствует уменьшению  в  раза.

Из этого примера видно, что частотные свойства транзистора в схе­ме с ОЭ хуже. Предельная частота в схеме с ОЭ примерно в  раз ниже, чем в схеме с ОБ.

При расчете схем часто используется в качестве параметра гранич­ная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ (), на которой модуль коэффициента передачи тока базы  становится равным единице (рис. 4.19, б). Частота  легче поддается измерению, чем предельная частота. Поэтому в справочниках обычно приводится значение . Между гранич­ной частотой коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ () и соответствующей предельной частотой существует связь:

.

src=http://electrono.ru/wp-content/image_post/tverdolob_electr/pic97_14.gif align=right>Запаздывание коллекторного тока относительно эмиттерного на высокой частоте иллюстрируется векторной диаграммой токов в транзисторе (рис. 4.20). Более высокой частоте сигнала соответствует больший угол запаздывания . Из векторных диаграмм видно, что с ростом частоты увеличивается угол запаздывания , снижается модуль тока коллектора, а значит и модуль коэффициента , но еще быстрее растет модуль тока базы, а следовательно, столь же быстро уменьшается модуль коэффициента:

.

Второй причиной, ухудшающей усилительные свойства транзи­стора с увеличением частоты, является барьерная емкость коллекторного пере­хода .

В эквивалентной схеме усилительного каскада на транзисторе с ОБ (рис. 4.21) для высоких частот видно, что емкость шунтирует сопротивление  (сопротивлениями  и  можно пренебречь, так как они велики по сравнению с  и ). Условно можно считать, что шунтирующее действие емкости оказывается за­метным, когда ее сопротивление становится меньше шунтируемого, т.е.

.

Если принять  = 0, то ча­стотные свойства  коллекторной цепи непосредственно самого тран­зистора могут быть оценены с по­мощью равенства:

или ,                                         (4.41)

где  – круговая частота, начи­ная с которой следует учитывать шунтирующее действие Ск;  – параметр транзистора, называемый постоянной времени цепи обратной связи на высокой частоте.

Чем меньше , тем больше , т.е. тем выше граничная частота коллекторной цепи.

Следует заметить, что на этих частотах транзистор еще может уси­ливать и генерировать электрические колебания. Генератор – это усилитель с замкнутой положительной обратной связью, когда на вход подается сигнал с выхода самого усилителя, и усилитель сам себя «раскачивает».

Но существует не­которая максимальная частота  (или частота генерации), на которой коэффициент усиления транзистора по мощности становится равным единице  = 1. На частотах, больших , транзистор окончатель­но теряет свое усилительное свойство. Эта частота для всех схем включения транзистора одинакова и оп­ределяется как

.                                                  (4.42)

Максимальной частотой генерации называется наибольшая часто­та, при которой транзистор способен генерировать в схеме автогене­ратора.

Следовательно, одной из основных причин ограничения верхнего частотного предела работы транзисторов является наличие диффузионной емкости эмиттерного перехода и, как следствие, инерционность диффузионного процесса в базе. Понятно, что маломощные транзисторы с точечным эмиттерным переходом и тонкой базой более высокочастотные, чем мощные плоскостные транзисторы, рассчитанные на высокие напряжения, т.е. с более широкой базой.

Для улучшения частотных свойств транзисторов необходимо заставить инжектированные в базу неосновные носители быстрее двигаться к коллекторному переходу. Для этого базу некоторых транзисторов легируют неравномерно: сильнее у эмиттерного перехода и слабее у коллекторного. В рез
ультате, у эмиттерного перехода концентрация основных носителей оказывается повышенной, а у коллекторного – пониженной.

При установлении равновесного состояния внутри базы часть основных носителей диффундирует от эмиттерного перехода к коллекторному. Возле эмиттерного перехода остаются нескомпенсированные ионы примесей, а возле коллекторного образуется избыток основных носителей. В базе появляется диффузионное электрическое поле, которое для p-n-p-транзистора направлено от эмиттерного перехода к коллекторному. Это поле является ускоряющим для неосновных носителей, двигающихся от эмиттерного перехода к коллекторному.

Инжектированные в базу дырки будут двигаться от эмиттерного перехода к коллекторному не только за счет диффузии, но и за счет дрейфа, т.е. более быстро. Такие транзисторы называют дрейфовыми в отличие от бездрейфовых, база которых легирована равномерно. Частотные свойства дрейфовых транзисторов существенно лучше.