4.11.3 Влияние емкостей переходов и распределенного 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.