Сопротивления базы на частотные свойства транзисторов

Эквивалентная Т-образная схема транзистора, приведена на Рис.4.42, не может быть использована для высоких частотах, так как она не учитывает влияние емкостей эмиттерного и коллекторного переходов. Высокочастотная эквивалентная схема транзистора, учитывающая влияние емкостей переходов, приведена на Рис. 4.42

Рис.4.42

В коллекторную цепь транзистора включено сопротивление нагрузки . Величина переменной составляющей тока нагрузки определяется генератором . При работе на низких частотах сопротивление емкости очень велико и оно значительно больше сопротивления . В свою очередь , т.е. выполняется неравенство .

Поэтому можно считать, что весь ток вырабатываемый генератором тока идет через резистор нагрузки .

С ростом частоты сигнала, сопротивление емкости уменьшается и происходит перераспределение тока генератора: увеличивается составляющая тока , протекающего через емкости , а ток , протекающий через сопротивление нагрузки и сопротивление , уменьшается, что приводит к уменьшению выходного напряжения и коэффициентов усиления и .

Емкость эмиттерного перехода также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода , и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах.

Для уменьшения шунтирующего действия емкости необходимо уменьшить сопротивление в цепи нагрузки так, чтобы выполнялось неравенство

. (4.48)

Это можно выполнить путем уменьшения сопротивления . Устремляя его к нулю, получим

или . (4.49)

Чем меньше величина , тем меньше сказывается шунтирующее действие емкости коллекторного перехода на высоких частотах. Постоянная времени является важным частотным параметром транзисторов и приводится в справочниках.

Для учета совместного влияния величин и на свойства транзистора в ряде случаев применяют параметр , представляющий собой частоту, на которой коэффициент усиления усилителя по мощности становится равным единице. Эта частота для всех схем включения транзисторов одинакова и определяется формулой

. (4.50)

На частотах больших транзистор не может быть использован в схеме генераторов.

На основании вышеизложенного можно сделать выводы, что для улучшения частотных свойств транзисторов необходимо уменьшать емкости переходов, объемное сопротивление области базы и время пробега носителей через базу.

Известно [2] соотношение , из которого следует, что для повышения частоты необходимо изготавливать транзисторы из материалов с большим коэффициентом диффузии (т.е. из материалов, обладающих наиболее подвижными носителями зарядов) и делать толщину базы W возможно меньшей.

Наибольшей подвижностью обладают электроны в германии, поэтому многие высокочастотные трансформаторы изготавливают из германия по структуре n-p-n.

Уменьшение емкостей переходов можно осуществить путем уменьшения площади переходов, однако это приводит к ограничению токов, протекающих через переходы, и величины допустимой мощности. Емкость коллекторного перехода можно уменьшить также путем увеличения обратного смещения на переходе, но этот путь ограничен опасностью пробоя транзистора.

Уменьшить постоянную времени можно путем уменьшения сопротивления , но для этого надо увеличить толщину базы, что вызовет уменьшение коэффициента передачи тока , или увеличить концентрацию примеси в базе, что также недопустимо, так как при этом p-n переходы сужаются и соответственно растут их емкости.

Эти противоречия наиболее удачно решены в так называемых дрейфовых транзисторах. Их отличительной особенностью является неравномерное распределение примеси в базе.

Высокая концентрация примеси в близи эмиттерного перехода (Рис.4.43) обеспечивает снижение величины объемного сопротивления базы , низкая концентрация ее около коллекторного перехода уменьшает емкость и увеличивает пробивное напряжение перехода.

Рис.4.43

Так как концентрация примеси и, следовательно, электронов у эмиттерного перехода выше, чем у коллекторного, то в базе возникает диффузия – электроны смещаются в направлении к коллектору.

Такое смещение электронов относительно неподвижных положительных ионов примеси вызывает появление электрического поля Е, ограничивающего это смещение. Инжектированные в базу дырки, попадая под действие этого поля, движутся (дрейфуют) значительно быстрее через базу, чем у обычных (бездрейфовых) транзисторов, что приводит к увеличению граничных частот.

В настоящее время существуют большое количество типов дрейфовых транзисторов (диффузионно – сплавные, мезаэпитаксальные, планарные и др.), изготавливаемые различными технологическими способами.