Частотні властивості реального транзистора

 

В більшості випадків для реальних розрахунків користуються формулою:

де

– статичний коефіцієнт передачі по струму,

, – гранична частота роботи транзистора в схемі з спільною базою, тоді залежність коефіцієнта передачі по струму в схемі зі спільною базою можна представити як

.

 

Рисунок 42 Залежність коефіцієнта передачі по струму транзистора від частоти

 

– це найбільша частота сигналу, при якій модуль коефіцієнта |α| зменшиться в раз (або на 3 дБ).

При вмиканні транзистора по схемі з спільним емітером частоту можна визначити, скориставшись залежністю β(α), і аналогічно визначити припустимі частоти.

; ;

Аналізуючи залежність коефіцієнта β від частоти, можна зробити наступні висновки:

При роботі транзистора в схемі з спільною базою частота може бути значно більшою, ніж в схемі з спільним емітером.

Для схеми з спільним емітером можна визначити дві основних частоти:

f_гр - гранична частота підсилення по струму, на якій коефіцієнт передачі струму бази зменшиться в раз;

f_мак при роботі в генераторному режимі транзистор по схемі з спільним емітером може працювати на значно більшій частоті, ніж гранична, аж до частоти, на якій коефіцієнт передачі струму бази буде рівний одиниці, це максимальна частота генерації.

Складовий транзистор

 

В інтегральних мікросхемах і підсилювачах для отримання великого вхідного опору і коефіцієнта передачі струму бази застосовують складовий транзистор. Складовий транзистор – це два транзистора, ввімкнені так, що вихідний струм колектора буде рівний сумі струмів обох транзисторів, струм емітера першого транзистора буде рівний струму бази другого транзистора, вхідний струм рівний струму бази першого транзистора.

 

Рисунок 43 Схема складового транзистора

 

Відповідно до схеми складовий транзистор можна представити як один еквівалентний з відповідними параметрами. Для визначення параметрів скористаємося залежностями струмів звичайного транзистора.

Знайдемо загальний струм складового транзистора.

Для нормальної роботи складового транзистора необхідно вибрати 2 різних: малопотужний транзистор, який буде визначати вхід складового, і другий – значно потужніший, він буде визначати вихід складового транзистора. Така схема широко застосовується в компенсаційних стабілізаторах постійної напруги. В інтегральних мікросхемах цю умову практично виконати неможливо, тому при використанні складового транзистора додатково в схему вмикають резистори для організації паралельного відводу струму емітера першого транзистора.

Для визначення останніх параметрів користуються еквівалентною схемою для двох транзисторів.

Основна перевага: великий вхідний опір, який в першому наближенні рівний .

Недолік: зменшується вихідний опір, який приблизно рівний паралельному ввімкненню r_K1 і r_K2:

.

 

Рисунок 44 Еквівалентна схема складового транзистора як чотириполюсника

 

 

Пробої транзисторів. Шуми транзисторів.

На роботу транзистора великий вплив має напруга на колекторі U_K. Такий вплив обумовлений тим, що при зміні напруги на колекторі U_K змінюється товщина колекторного переходу і зменшується активна товщина бази. При достатньо великій напрузі на колекторі U_K вплив оказує лавинне розмноження носіїв, викликане збільшенням градієнта концентрації носіїв в базі і градієнта напруженості електричного поля. Зменшення товщини бази приводить до зменшення рекомбінаційної складової, а значить збільшується коефіцієнт передачі струму бази h₂₁ по схемі з спільним емітером.

Це приводить до наступних явищ:

Тепловий пробій

Змикання переходів

 

 

Рисунок 45 Змикання переходів транзистора

 

а) енергетичні зони при малих U_K;

б) змикання областей об’ємного заряду.

При достатньо великій напрузі на колекторі U_K розширення колекторного переходу може досягти емітерного переходу, при цьому потенціал емітерного переходу зменшується, що приводить до збільшення струму емітера І_Е.

В зв’язку з тим, що активна ширина бази практична відсутня, а відповідно відсутня рекомбінація носіїв заряду в області бази, то буде збільшуватися колекторний струм. Змикання переходів нагадує коротке замикання емітера і колектора, і, якщо не обмежити струм, змикання переходів може перерости в тепловий пробій, або в вторинний пробій, при якому буде відбуватися шнурування струмів. Це явище обмежує величину напруги на колекторі.

 

Лавинний пробій

Наступною причиною обмеження напруги на колекторі U_K є лавинний пробій. Напруга лавинного пробою для різних схем вмикання різна. При включенні транзистора по схемі з спільною базою, коли струм бази І_Б не обмежується, лавинний пробій повністю співпадає з пробоєм напівпровідникового діоду.

 

Рисунок 47 Вольт – амперні характеристики транзистора при лавинних пробоях

 

Для цієї схеми вхідним струмом є струм емітера І_Е, і при збільшенні його напруга пробою U_пробою зменшується. Струм колектора збільшується за рахунок лавинного розмноженні носіїв заряду. Відповідно збільшується коефіцієнт передачі по струму, в схемі з спільним емітером зі збільшенням напруги на колекторі U_K можна визначити напругу, при якій відбудеться переворот фази (струм змінить напрям), а струм колектора І_К в схемі з спільною базою можна визначити, як

.

При постійному струмі бази, якщо наближати напругу U_K до напруги перевороту фази, коефіцієнт передачі буде умовно досягати безконечності, а відповідно може відбутися пробій транзистора, ввімкненого по схемі з спільним емітером. Якщо струм бази зафіксувати – обірвати базу, або в її коло ввімкнути великий опір – в транзисторі буде діяти зворотній зв’язок, і носії заряду, які створилися за рахунок лавинного розмноження, будуть розділятися полем колекторного переходу; при цьому неосновні носії будуть йти в колекторний перехід, а основні – в базу. В зв’язку з цим в базі створиться збитковий заряд і зміниться її потенціал, що приведе до відкриття емітерного переходу, і якщо база обірвана, то основні носії, які накопичилися в базі, можуть рекомбінуватися в ній, або відбудеться вторинна рекомбінація. Крім того вони можуть повернутися в емітер. У нормально виготовлених транзисторів таке явище, як перехід основних носіїв із бази в емітер, практично неможливе, тому повинна відбутися рекомбінація носіїв в базі. Таким чином незначне збільшення основних носіїв в базі за рахунок лавинного розмноження може привести до значного збільшення інжекції носіїв із емітера. Цей процес викличе нестабільну роботу транзистора. Якщо струм колектора обмежений, то лавинний пробій не переростає в тепловий і при зменшенні напруги робота транзистора відновлюється. Із цього можна зробити наступний висновок.

Якщо заміна транзистора відбувається під напругою, то в першу чергу необхідно підключити базу, щоб була можливість відходу основних носіїв із області бази, а потім підключати емітер і колектор.

 

Вторинний пробій

Це явище, при якому різко збільшується струм при відносно малій напрузі. При вторинному пробої струм локалізується в малій ділянці переходу. Це пов’язано із дефектами при виготовленні транзистора, наприклад, наявність другорядної домішки в кристалічній гратці напівпровідника. При підключенні такого транзистора опір ділянки, де знаходиться другорядна домішка, набагато менше, а відповідно тут збільшується струм і розігрів ділянки переходу. Визначити наявність шнурування струмів можна тільки в процесі роботи транзистора, тому що не характерно збільшення струму для даного типу транзисторів. При обмеженні струму транзистор працює в нормальному режимі, а при необмежені може відбуватися локальний розігрів напівпровідника, ділянка з другорядною домішкою вигорає, транзистор знаходиться в робочому стані, але із гіршими параметрами.