3.7. Эксплуатационные параметры транзисторов

Транзисторы характеризуются эксплуатационными параметрами, предельные значения которых указывают на возможности их практического применения. При работе в качестве усилительных приборов используются рабочие области характеристик биполярных транзисторов в соответствии с рисунком 3.12, а.

К основным эксплуатационным параметрам относятся:

• максимально допустимый ток коллектора, обозначаемый для биполярных транзисторов как I_{К MAX}. Превышение I_{К MAX} приводит к тепловому пробою коллекторного перехода и выходу транзистора из строя.

• максимально допустимое напряжение между выходными электродами:

U_{КБ MAX} для биполярных транзисторов, включенных по схеме с ОБ,

U_{КЭ MAX} для биполярных транзисторов, включенных по схеме с ОЭ.

а) рабочая область выходных характеристик,

б) зависимость Р_{К МАХ} от температуры

Рис. 3.12. Предельные параметры транзисторов

Это напряжение определяется значениями пробивного напряжения коллекторного перехода биполярных транзисторов;

• – максимально допустимая мощность, рассеиваемая выходным электродом транзистора. В биполярном транзисторе это мощность Р_{К MAX}, рассеиваемая коллектором и бесполезно расходуемая на нагревание транзистора. У биполярных транзисторов при недостаточном теплоотводе разогрев коллекторного перехода приводит к резкому увеличению I_К. Процесс имеет лавинообразный характер и транзистор необратимо выходит из строя, поэтому БТ нуждаются в схемах температурной стабилизации режима.

При повышении температуры окружающей среды мощность Р_{К MAX} уменьшается (рисунок 3.12, б).

3.8 Частотные свойства биполярных транзисторов

Частотные свойства транзисторов определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты.

Для биполярных транзисторов в основном представляет интерес зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока, а также зависимость входного и выходного сопротивлений. Обычно рассматривается активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме между входными и выходными сигналами появляются фазовые сдвиги и вместо приращений токов и напряжений необходимо брать комплексные величины, поэтому и параметры заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами.

Проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют время пролета носителей через базу _Б, а также ёмкости эмиттерного и коллекторного переходовС_Э,С_Ки объёмное сопротивление базы.

При рассмотрении работы транзистора р-п-р в схеме ОБ оказывается, что диффузионный характер распространения неравновесных дырок в базовой области приводит к дисперсии времени их прибытия к коллекторному переходу. С ростом частоты из-за этого уменьшается амплитуда сигнала на выходе транзистора, а, следовательно, и коэффициент передачи тока. Допустим, что в момент поступления на вход транзистора положительного полупериода сигнала через эмиттерный переход инжектируется большое число дырок. Часть из них быстро достигает коллекторного перехода; другая же часть, двигаясь по более длинному пути, задерживается. При высокой частоте сигнала, когда среднее время перемещения дырок в базовой области сравнимо с его периодом, положительный полупериод быстро сменяется отрицательным. В течение действия отрицательного полупериода число инжектированных дырок уменьшится, и часть их дойдет до коллекторного перехода одновременно с запоздавшими дырками от положительного полупериода. В результате этого сигнал на выходе транзистора получится усредненным, а усилительный эффект и коэффициент h_21Б уменьшатся.

Чем больше толщина базовой области и, следовательно, чем больше среднее время пролета базы дырками, тем сильнее проявляется запаздывание носителей и тем меньше коэффициент передачи тока. Для транзисторов типа р-п-р время диффузионного перемещения . Это время соответствует примерно периоду колебания напряжения переменной частоты , которое транзистор еще усиливает.

На частотные свойства транзистора влияют сопротивления его переходов и базы. Полное сопротивление эмиттерного перехода представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих. Активное сопротивление является прямым дифференциальным сопротивлением эмиттерного переходаr_Э. Для малого входного сигнала его величина не превышает нескольких десятков Ом. Реактивное сопротивление определяется суммарной емкостью перехода, состоящей из заряднойС_Э0и диффузионной

С_{Э ДИФ} емкостей. Последняя определяется как отношение приращения заряда инжектированных носителей к вызвавшему его приращению эмиттерного напряжения.

Из-за малой толщины базы ∆w_Бтранзистора количество инжектированных в нее носителей будет меньше, чем в диоде, аналогичной конструкции, поэтомуС_{Э ДИФ}в транзисторе также меньше, чем в диоде.

Рис. 3.16. К пояснению изменения заряда в базе транзистора при изменения на его эмиттере

Рисунок 3.16 иллюстрирует образование емкости С_{Э ДИФ}заштрихованная площадь определяет приращение числа инжектированных носителей, пропорциональное приращению заряда в базеdQ, при измененииdU_ЭБ.Хотя эмиттерные емкостиС_Э0иС_{Э ДИФ}значительны (С_Э0достигает 100-150 пФ,

С_{Э ДИФ}- 1000 пФ), но, так как они шунтированы малым сопротивлениемr_Э, их следует учитывать только на очень высоких частотах (порядка десятков мегагерц). На этих частотах часть эмиттерного тока, ответвляющегося через емкость, становится значительной, в результате чего уменьшается коэффициент инжекции и увеличивается сдвиг фазφ.

Полное сопротивление коллекторного перехода также представляет собой параллельное соединение активной и реактивной составляющих: активного дифференциального сопротивления коллекторного перехода r_Кпорядка 1 МОм и суммы емкостей — собственнойС_К0(в среднем около 10 пФ) и диффузионнойС_{К ДИФ}<С_К0. Сопротивлениеr_Копределяется тем, что изменение напряжения приводит к изменению толщины перехода и, следовательно, толщины базы на Δw_Б. Отсюда изменяется число дырок, которые рекомбинируют в базе, и величина токаI_Kчерез коллекторный переход приI_Э=const. Диффузионная емкость коллекторного перехода определяется как приращение заряда неосновных носителей в базе к вызвавшему его приращению напряжения ΔU_КБприI_Э=const. С изменениемU_КБменяется толщина базы, а следовательно, и общее число дырок в базовой области и их заряд. Из-за большого сопротивленияr_Kшунтирующее действие емкости, несмотря на ее малую величину, сказывается на частотах порядка звуковых. Если, например, считатьС_K0= 10 пФ иr_K = 1 МОм, то равенствоr_K =1/2nfC_K0 удовлетворяется приf=16 кГц. Таким образом, шунтирующее действиеС_K0сказывается на гораздо более низких частотах, чем действиеС_Э. Полное сопротивление коллекторного перехода на высоких частотах сильно уменьшается. Поэтому при рассмотрении частотных свойств транзистора приходится обычно считаться с емкостьюС_К0; при конструировании транзистора эту емкость стремятся по возможности уменьшить либо путем уменьшения рабочей поверхности коллекторного перехода, либо увеличением его толщины. Влияние активного сопротивления базына частотные свойства транзистора можно пояснить следующим образом. Сопротивлениеr_Эи емкость эмиттерного перехода совместно собразуют частотнозависимый делитель напряжения (рисунок 3.17). Чем больше, тем меньше управляющее напряжение на эмиттерном переходеU_П, С ростом частоты модуль эмиттерного сопротивления из-за наличия емкостиС_Эуменьшается и управляющее напряжениеU_П также падает.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттераh_21Б, который становится комплексным, следующим образом:

_, (3.34)

где h_21Б0- коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте,f – текущая частота,f_h21Б –предельная частота.

Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен:

(3.35)

Нетрудно заметить, что модуль коэффициента передачи h_21Бна предельной частотеf_h21Бснижается враз.

Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. (3.36)

Для схемы с ОЭ известно соотношение

.(3.37)

Подставляя (3.37) в (3.34) получим

, (3.38)

где .

Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

. (3.39)

Частотные зависимости коэффициентов передачи тока в схемах ОЭ и ОБ представлены на рисунке 3.18 (логарифмический масштаб).

Рис. 3.18. Зависимости коэффициента передачи тока БТ от частоты

Более быстрое изменение с ростом частоты модуля |h_21Э| по сравнению с | h_21Б | (рисунок 3.18) объясняется тем, что разность (1- h_21Б ) в выражении меняется быстрее, чем h_21Б и увеличением фазового сдвига с частотой. На низких частотах иI_K мало отличается по величине от I_Э; I_Б имеет малую величину (рисунок 3.19, а). С ростом частоты ток I_К начинает отставать от тока I_Э, а ток I_Б увеличивается даже при неизменном значении I_К (рисунок 3.19, б).

а)

б)

Рис. 3.19. Векторные диаграммы токов транзистора

а) на низких частотах б) на высоких частотах

Граничная частотаf_ГР- это такая частота, на которой модуль коэффициента передачиh_21Э=1. Из (3.39) получим, чтоf_ГР  f_h21Эh_21Э0.

Как видно из (3.38), частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_P 1. Поэтому обобщающим частотным параметром являетсямаксимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, (3.40)

где f_h21Б – предельная частота в мегагерцах; – объемное сопротивление в Омах;C_К – емкость коллекторного перехода в пикофарадах;f_MAX – в мегагерцах.

Следовательно, что для увеличения f_MAX транзистора нужно по возможности увеличивать предельную частоту f_h21Б и уменьшать и С_К. Теоретически для транзистора типа р-п-р .Чтобы повысить предельную частоту, следует уменьшить толщину базовой области w_Б и применять материалы с большой подвижностью носителей μ, так как D = (kT/q)μ. В германиевых транзисторах, например, предельная частота f_h21Б больше, чем в кремниевых. Однако нужно отметить, что транзисторы типа

п-р-п не имеют преимуществ перед транзисторами р-п-р в отношении частоты f_MAX. Это объясняется тем, что, хотя в первых частотах f_h21Б выше (для германия примерно в два раза), одновременно в том же отношении возрастает и сопротивление базы , зависящее от подвижности в ней основных носителей, т. е. дырок в транзисторе типа п-р-п. Поэтому частота f_MAX остается неизменной. Для уменьшения емкости С_К нужно уменьшить площадь коллекторного перехода S_К, а также увеличить коллекторное напряжение U_КБ и удельное сопротивление базы и коллектора.

Однако, если уменьшить толщину базы w_Б, то h_21Б0 и f _h21Б увеличатся, но одновременно увеличится и . Если же для уменьшения r_Б уменьшить удельное сопротивление базы ρ_Б, то это приведет к уменьшению h_21Б0 и пробивных напряжений переходов, а также к росту С_К. С уменьшением площади перехода S_К уменьшаются максимально допустимая мощность, выделяемая на коллекторном переходе, и величина рабочего тока. Увеличение коллекторного напряжения U_КБ ограничивается напряжением пробоя, которое к тому же уменьшается с увеличением концентрации примесей N для уменьшения ρ.

Отсюда видно, насколько взаимосвязаны величины, определяющие f_MAX. Это означает, что в транзисторах обычной конструкции максимальная частота усиления по мощности не может быть высокой.

Частотную зависимость входного сопротивления можно объяснить с помощью векторной диаграммы токов и напряжений (рисунок 3.20), построенной для f = f _h21Б . Если пренебречь па этой частоте емкостью С_Э,. то ток I_Эсоздает на сопротивлении r_Э падение I_Э∙r_Э, которое будет совпадать по фазе с током I_Э. Аналогично на сопротивлении r_Б возникнет падение напряжения I_Б ∙ в фазе с током I_Б. Напряжение U_BХ = I_Э ∙r_Э+ I_Б∙ .

Из диаграммы видно, что входной ток I_Э отстает от напряжения U_BХ на угол φ´, следовательно, входное сопротивление Z_ВХ транзистора в схеме ОБ носит индуктивный характер и растет с частотой. В схеме ОЭ входным будет ток базы I_Б, который опережает по фазе U_BX. Таким образом, входное сопротивление Z_ВХ транзистора в схеме ОЭ имеет емкостный характер и с ростом частоты уменьшается (рисунок 3.21, а). Аналогично можно решить вопрос о зависимости выходного сопротивления от частоты. Выходное сопротивление Z_ВЫХ уменьшается с ростом частоты при включении как в схеме ОБ так и в схеме ОЭ (рис. 3.21, б).

а)

б)

Рис. 3.21. Зависимость сопротивлений транзистора от частоты:

а) входного, б) выходного

Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Рассмотренное выше позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) рекомендуется следующее:

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в базовой области, для этого:

а) уменьшать ширину базовой области W_Б;

б) создавать n-р-n-транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза;

в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвижность носителей выше. Еще большие возможности открывает использование арсенида галлия;

2. Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжектированных из эмиттера носителей. Последнее возникает при неравномерном распределении примесей в базе по направлению от эмиттера к коллектору (рисунок 3.22). Концентрацию примесей около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Появление поля объясняется следующим образом. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n-транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесейN_А(х) одновременно будет и распределением дырокp(х). Вследствие градиента концентрации дырок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтрально­сти: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора – избыток положительного заряда дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него.

Рис. 3.22. Образование электрического поля в базе дрейфового БТ

Нарушение электрической нейтральности приводит к появлению внутреннего электрического поля в базовой области («минус» у эмиттера, «плюс» у коллектора). Появляющееся поле, в свою очередь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, когда дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко видеть, что установившееся (равновесное) значение поля будет ускоряющим для электронов, которые инжектируют в рабочем режиме из эмиттера в базу, и будет уменьшать время их пролета, т.е. повышать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные – бездрейфовыми. Практически все современные высокочастотные и сверхвысокочастотные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов отN_А(0) доN_А(W_Б) учитывается коэффициентом неоднородности базы:

=0,5lnN_А(0)/N_А(W_Б). (3.41)

Поэтому можно написать

(3.42)

Для бездрейфовых транзисторов  = 0,а типичные значения для дрейфовых транзисторов.

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и увеличения ширины переходов (выбором концентрации примесей и рабочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы .

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторного перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и необходимо при создании транзисторов применять компромиссные решения.