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 Ли //-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 Ь_2ХЪ1₃ = 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 т_к;) — 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 т_кэ = 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 т_к:) может быть записана в следующем виде:

где т_эп— постоянная времени эмиттерного перехода, ?_прБ — время пролета носителей через базу, т_К[1 — постоянная времени, которая определяется временем пролета носителей через коллекторный переход, — постоянная времени коллектора.

Постоянная времени эмиттерного перехода т_эп 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' ^ГД^еобК — ширина коллекторного перехода, о_нас— скорость насыщенная (см. п. 3.7). Из-за высокой напряженности электрического поля скорость переноса носителей через коллекторный переход равна скорости насыщения и_нас. 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 т_кп < $. 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 (0_а = 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 Л_21Б 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 Л_21Э(0 — переходная характеристика коэффициента передачи тока (Л_21П ~ Р);

Как и ранее, полагаем у- 1. Выражение для постоянной времени транзистора в схеме с ОЭ получим, учитывая связь между параметрами /г_21Б и Л_21Э, т. е. Л_21Э = Л_21Б/(1 — Л_21Б) ^{= а}/(1 «^а);

Переходный процесс, как и в схеме с ОБ, сохраняет экспоненциальный характер, но постоянная времени т_КЭц в схеме с ОЭ будет много больше, чем т_к;) 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 i_K ток i_B уменьшается, но в схеме с ОЭ ток базы /_Б = const, т. е. он жестко задан, поэтому возрастание тока коллектора i_K вызывает дополнительную инжекцию дырок из эмиттера, необходимую для поддержания квазинейтральности, поскольку часть дырок уже ушла в коллектор. Одновременное возрастание токов i_K и /_э будет происходить до тех пор, пока в базе не накопится избыточный заряд AQ_B, 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/х_КЭр — предельная частота для схемы с ОБ.

Соответственно амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики будут иметь вид.

Граничная частота коэффициента передачи тока со_гр определяется из условия уменьшения коэффициента Л_21Э до единицы.

Положив со = (0_гр и Л₂₁э ((О_гр) = 1 и пренебрегая единицей в подкоренном выражении (4.45), получим.

Таким образом, частота со_гр = 2д/_гр близка по величине к 0)_н. Частотная характеристика схемы с ОЭ изображена на рис. 4.20 (верхняя кривая).