Рух неосновних носіїв у базі. Перехідні процеси у транзисторі

Частотні властивості транзистора

Вище, розглядаючи принцип дії біполярного транзистора, ми дійшли висновку, що колекторний струм створюється неосновними носіями, котрі були інжектовані в базу через емітерний перехід і в результаті дифузії через базу дістались до колекторного переходу. Звичайно, на дифузію через базу потрібний хоч і невеликий, але скінчений час. Тому, при cтрибкоподібному збільшенні емітерного струму - транзистора, увімкненого за схемою СБ, колекторний струм зростає не одразу, а з. деяким запізненням. (рис.5.І). Якийсь час колекторний струм взагалі відсутній - заряди ще не встигли дістатись до колектора. Потім, в міру того як хмаринка неосновних носіїв в наслідок дифузії досягає колектора, струм поступово зростає, прямуючи до усталеного значення . Середній час дифузії через базу дорівнює

де - товщина бази, - коефіцієнт дифузії неосновних носіїв в матеріалі бази. Так, наприклад, для дірок в кремнії =13 см ²/с, отже при =1 мкм середній час дифузії дорівнюватиме 8.10 ^-10с. Саме цим часом і визначається темп зростання струму колектора. Час затримки звичайно набагато менший від , тому ним можна нехтувати. Хід зростання колекторного струму досить добре апроксимується експоненціальним законом

(5.1)

При стрибкоподібному запиранні емітерного струму (пунктир на мал.5.16) колекторний струм припиняється не одразу, а спадає поступово, в міру розсмоктування (знову ж таки за рахунок дифузії) хмаринки неосновних носіїв, які накопичилися в базі. При цьому дифузія може йти не тільки у бік колектора, але й у бік емітера, який тепер також має запірну напругу. Тому в момент запирання емітерний струм змінює свій напрям і далі поступово зменшується. Процеси спаду емітерного та колекторного струмів також можна описати експоненціальним законом із сталою часу . В той момент, коли починається інжекція неосновних носіїв в базу, різко зростає базовий струм (рис.5.І,г). Причина такого зростання полягає у тому, що в міру надходження в базу неосновних носіїв, їх об’ємний заряд повинен компенсуватися зарядами протилежного знаку які надходять в базу з джерела живлення. Виходячи із співвідношення (3.2), яке повинно виконуватися в будь-який момент часу, базовий струм має змінюватися за законом

(5.2)

З цієї формули випливає, що в перші моменти після увімкнення, базовий струм є сумірним з емітерним, тоді як в усталеному режимі він завжди набагато менший від останнього. Після припинення емітерного струму об’ємний заряд неосновних носіїв в базі розсмоктується і основні носії, котрі цей струм компенсували, тепер стікають, утворюючи екопоненціальний імпульс базового струму зворотної полярності.

Щоб скоротити час руху неосновних носіїв, в об’ємі бази іноді створюють внутрішнє електричне поле, яке прискорює їх рух до колектора. Таке поле можна створити шляхом нерівномірного легування матеріалу бази. Так, наприклад, створивши в базі більш високу концентрацію донорних домішок в області емітерного переходу (рис.5.2; атоми донорніих домішок тут зображені кквадратиками з хрестиками), можна добитися такого стану, коли вільні електрони за рахунок дифузії більш або менш рівномірно розподіляться по об’єму бази, тоді як атоми домішку зостануться закріпленими в кристаличній гратці. Їх об’ємний заряд створює електричне поле Е, що прискорює ін-жектовані в базу дірки. Тепер рух дірок у базі відбуватиметься не тільки внаслідок дифузії, але й за рахунок дрейфу в електричному полі, яке "підганяє" їх у бік колектора.

Транзистори такого типу називають дрейфовими. За рахунок дрейфу можна скоротити час руху неосновних носіїв в базі в кілька разів порівняно з простою дифузією і тим самим істотно підвищити швидкодію транзистора.

5.2. Частотна залежність коефіцієнта передачі струму.

Якщо стрибкоподібні відкривання та запирання емітерного переходу відбуватимуться періодично з періодом , сумірним з , то колекторний струм кожного разу не встигатиме ані дорости до усталеного значення , ані повністю зменшитись до нуля. Часова залежність колекторного струму матиме вигляд пилкоподібних коливань (рис.5.З), розмах яких буде тим меншим, чим меншим стає відношення .

Звідси випливає, що з підвищенням частоти вхідної (емітерної) напруги керуюча дія транзистора буде погіршуватись і коефіцієнт передачі струму зменшуватиметься. Дійсно, чотириполюсник, в якому перехідні процеси опиcуютьcя виразом виду (5.І), повинен мати таку частотну характеристику

(5.3)

де: - значення коефіцієнту на низьких частотах ( а - гранична частота транзистора, увімкненого за схемою зі спільною базою. Адже перехідну функцію транзистора можна перетворити в його передавальну функцію (частотну характеристику) , застосувавши пряме Фур’є-перетворення. Залежність модуля коефіцієнта від частоти описується виразом

(5.4)

і подана на рис.5.4. З цього графіка видно, що модуль в досить широкому діапазоні низьких частот зберігається майже незмінним і рівним , а потім починає плавно зменшуватись, асимптотично наближаючись до нуля в області високих частот.

5.3. Граничні частоти.

Неможливо, звичайно, точно вказати ту частоту, починаючи з якої транзистор втрачає свої підсилювальні властивості. Однак, можна умовно прийняти за неї таку частоту, для якої модуль зменшується в порівнянніз в разів. Ця частота має назву граничної частоти транзистора. Для розглянутого нами вище прикладу вона дорівнюватиме 1.25.10⁹с^-1 або 2.10⁸Гц. У довідниках цю частоту позначають як -

тобто як частоту, на якій параметр - коефіцієнт передачі за струмом у схемі із спільною базою - зменшується в 0,71 разів (або на 3 дБ) порівняно з його значенням для низьких частот.

Вираз для частотної залежності коефіцієнта передачі за струмом для схеми із спільним емітером можна одержати з виразу (3.4), підставивши туди замість його значення (5.3)

Розділивши чисельник і знаменник дробу на 1- матимемо:

(5.5)

Ця формула аналогічна (5.3). Величина є коефіцієнтом передачі за струмом для схеми СЕ в області низьких частот, а - гранична частота для цієї схеми.

(5.6)

Гранична частота значно менша граничної частоти для схеми СБ. Так, наприклад, для розглянутого вище прикладу і при =50 частота дорівнюватиме лише 4.І0⁶ Гц.

Фізичну причину погіршення частотних властивостей транзистора при його увімкненні за схемою СЕ можна зрозуміти з розгляду рис. 5.1г: з малюнку видно, що при швидких перемиканнях базовий струм виявляється сумірним з емітерним, так що коефіцієнт в ці моменти часу стає набагато меншим, аніж в стаціонарному (або низькочастотному) режимі. В довідниках гранична частота позначається як і від- повідає частоті, на якій коефіцієнт передачі за струмом у схемі СЕ знижується на 3 дБ.

Частота, на котрій у схемі СЕ параметр стає рівним одиниці (тобто транзистор втрачає підсилювальні властивості за струмом) позначається як і має назву частоти одиничного підсилення. Звичайно близька до граничної частоти для схеми із спільною базою і становить (0.6 - 0.8) .

Окрім перелічених вище граничних частот транзистор може бути охарактеризований ще і так званою максимальною частотою генерації . При цій частоті коефіцієнт підсилення транзистора за потужністю стає рівним одиниці і транзистор взагалі втрачає здатність до підсилення сигналів.