5.7. Частотные свойства транзисторов. Дрейфовый транзистор

Полученные выше малосигнальные параметры транзисторов (как внутренние, так и h-параметры) лишь на сравнительно низких час­тотах не зависят от частоты. С повышением частоты переменных сос­тавляющих часть параметров становится частотно-зависимой (комплек­сной). Например, для схемы ОБ частотная зависимость коэффициента передачи тока () заметна на частотах в сотни килогерц, а в схеме ОЭ частотная зависимость коэффициента усиления тока () - на частотах в десятки килогерц. Зависимость парамет­ров от частоты является одним из основных факторов, определяющих пригодность транзистора для использования в том или ином элект­ронном устройстве.

5.7.1. Частотно-зависимые параметры

С изменением частоты изменяются многие параметры. Поэтому учесть одновременно все факторы, влияющие на частотные свойства транзистора, крайне сложно, да и в этом нет необходимости. Достаточно учесть лишь главные опре­деляющие факторы. В диапазоне частот до сотен килогерц основ­ное влияние на частотные свой­ства транзистора оказывают два фактора: зависимость коэффициен­та от частоты и барьерная ем­кость коллекторного перехода.

Зависимость коэффициента  от частоты обусловлена диффу­зионным механизмом движения ды­рок через базу. Например, если в момент t₁ задать скачком ток эмиттера ∆I_Э (рис.5.14), то ин­жектированные дырки не сразу ока­жутся у коллекторного перехода, а лишь через некоторое время, необходимое для прохождения базы диффузионным способом. Время прохождения дырок через базу характеризуют средним уровнем диффу­зии t_Д (или средним временем пролета носителей через базу). Из-за различия в скоростях диффузии дырки достигнут коллектор­ного перехода не одновременно (время диффузии каждой дырки будет отлично от среднего времени диффузии t_Д), поэтому ток коллек­тора будет нарастать до установившегося значения ₀∆I_Э, в тече­ние некоторого времени. Это означает, что коэффициент  зависит от времени в течение переходного процесса и достигает установив­шегося значения ₀ только после окончания переходного процесса установления новой неравновесной концентраций дырок по всей ба­зе, как показано сплошной линией на рис.5.14. Если ток эмиттера вновь изменить (уменьшить в момент t₂), то ток коллектора так и не достигнет установившейся величины ₀∆I_Э. Для переменных составляющих токов при увеличении их частоты ток коллектора бу­дет уменьшаться по амплитуде при постоянной амплитуде тока эмит­тера и будет отставать от тока эмиттера по фазе, аналогично то­му, как это показано для приращений на рис.5.14. Переходную (t) и частотную () характеристики получают из операторного изображения (р), которое, в свою очередь, определяют при решении уравнения непрерывности в базе транзистора. Практи­чески широко используют упрощенное операторное изображение /2/:

(5.22)

Оригиналом (5.22) является переходная характеристика (t ) = ₀(1-e^-t/τα), показанная пунктиром на диаграмме тока i_К (см. рис.5.14) и несколько отличающаяся от реального переход­ного процесса. Частотная характеристика ) получается из (5.22) простой заменой оператора p на j:

или

(5.23)

На рис.5.15 приведена зависимость модуля:

, (5.23`)

от частоты, построенная по (5.23`). Частотные свойства транзис­тора оцениваются граничной частотой _, на которой коэффициент|| уменьшается в 2 раз. В справочниках для транзисторов приводится граничная частота f_ (Гц, кГц, МГц), связанная известным соотношением:

 _ = 2f_

Величину _ , равную 1/_ , называют постоян­ной коэффициента . Она равна среднему времени диффу­зии /2/:

_ = t_д

Таким образом, частотные свойства транзистора определяются временем прохождения дырок через базу, а параметр - _ является одним из важнейших (столь же важным для транзистора, как среднее время жизни ).

Из совместного решения уравнений (5.7) и (5.23) получает­ся зависимость коэффициента усиления  от частоты:

или

(5.24)

где

(5.25)

(5.26)

Из более строгого теоретического анализа следует /2/, что пос­тоянная _ (_ = 1/_) близка по величине к среднему времени жизни . _  . Граничная частота f_ коэффициента усиления тока базы, как правило, в справочниках не приводится, а находится из (5.25).

Пример 5.4.

1. Пусть f_α транзистора равна 2МГц, β ≤ 100, найти β.

Решение: Согласно (5.25) , т.е. уже на частоте в 20кГц величина β уменьшится со 100 до 70 (в раза).

2. Для работы в схеме ОЭ необходим транзистор с f_β ≥ 50кГц, β ≈ 100. Выбрать транзистор с необходимой величиной f_α.

Решение: Согласно (5.25) .

Барьерная емкость C_K (C_K^*). Проводимость емкости C_K (или С_K^*, см. рис.5.7) растет с повышением частоты и на высоких частотах в цепь с емкостью C_K (C_K^*) ответвляется заметная доля тока i_K в выходной цепи (ток i_К становится меньше тока i_Э или  i_б), что эквивалентно уменьшению коэффициента усиления тока на выс­ших частотах.

В эквивалентных схемах на высоких частотах используются ком­плексные коэффициенты , , а также включается емкость C_K (C_K^*), на что будет указано особо в соответствующих разделах курса.