Частотні властивості біполярних транзисторів

Залежність параметрів БТ від частоти зумовлена інерційністю процесів дифузії неосновних носіїв у базі, а також впливом ємностей переходів і розподіленого опору бази. Ці обставини обмежують частотний діапазон транзисторів. Наприклад, робочі частоти сплавних транзисторів не перевищують 20 - 30 МГц.

На низьких частотах період зміни напруги на ЕП значно більший за час прольоту неосновних носіїв через базу. Внаслідок цього градієнти концентрацій носіїв у базі біля емітера і колектора змінюються одночасно, і тому струм , та синфазний, а коефіцієнти передачі струму і є дійсними величинами.

При зростанні частоти період зміни напруги на ЕП зменшується і стає сумірним з часом дифузії неосновних носіїв через базу. Це призводить до того, що струм колектора відставатиме від струму емітера за фазою (рис. 3.53). Крім того, оскільки впродовж півперіоду прямої напруги на ЕП максимальний згусток інжектованих до бази неосновних носіїв не встигає досягти колектора, то наступного півперіоду концентрація цих носіїв і градієнт їх концентрації біля емітера будуть меншими, ніж у будь-якому іншому місці бази. У базі виникає градієнт концентрації неосновних носіїв, який викликає їх рух у бік емітера і зменшення колекторного струму (рис. 3.53). Отже, на високих частотах коефіцієнти передачі струму та набирають комплексного характеру і зменшуються за модулем при збільшенні частоти.

Рисунок 3.53 – Струм та БТ на високих частотах

Для ССБ коефіцієнт передачі струму емітера

, (3.81)

де - комплексний коефіцієнт передачі струму емітера;

, - комплексні амплітуди струму емітера і колектора.

Для транзисторів

. (3.82)

Модуль колекторного коефіцієнта передачі БТ у ССБ

, (3.83)

де - значення коефіцієнта передачі струму на низьких частотах.

Аргумент коефіцієнта

. (3.84)

З формули (3.83) випливає, що на частоті . Частота, на якій модуль коефіцієнта передачі струму зменшується в раза, називається граничною частотою БТ. З формули (3.84) бачимо, що на граничній частоті зсув фаз між вхідним і вихідним струмом дорівнює . Частотні характеристики БТ у ССБ показано на рисунку 3.54.

Величину називають сталою часу БТ у ССБ, і вона приблизно дорівнює середній тривалості дифузії неосновних носіїв через базу:

, (3.85)

де - середня тривалість життя дірок у базі.

Для ССЕ коефіцієнт передачі струму бази

. (3.86)

Модуль правої частини формули (3.86)

. (3.87)

Рисунок 3.54 – Частотні характеристики БТ у ССБ

Аргумент

. (3.88)

Частота - це гранична частота БТ у ССЕ, при якій модуль комплексного коефіцієнта передачі струму бази зменшується в раз.

При цьому граничні частоти транзистора зі спільною базою і спільним емітером мають такий зв’язок:

(3.89)

або

. (3.90)

З останніх формул випливає, що частотні властивості БТ у схемі зі спільним емітером значно гірші, ніж у схемі зі спільною базою. Для порівняння на рисунку 3.55 зображено частотні характеристики обох схем увімкнення.

Причиною різкого зменшення в ССЕ при збільшенні частоти порівняно з ССБ є не тільки зменшення коефіцієнта , а й насамперед збільшення зсуву фаз між струмом та . На низьких частотах струм та приблизно збігається за фазою (рис. 3.56 а), і струм малий. На високих частотах збільшується зсув фаз між струмом та , зростає струм бази (рис. 3.56 б), і тому зменшується коефіцієнт передачі .