8. Работа биполярного транзистора на высоких частотах.
С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода EMBED Equation.3 . Проще всего рассмотреть это влияние на эквивалентной схеме с генератором тока, показанной для схемы ОБ на рис. 8-1.

Рис. 8-1. Эквивалентная схема транзистора с учетом емкостей переходов
На низких частотах сопротивление емкости EMBED Equation.3 очень большое, EMBED Equation.3 также очень велико (обычно EMBED Equation.3 ) и можно считать, что весь ток EMBED Equation.3 идет в нагрузочный резистор, т. е. EMBED Equation.3 . Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток через EMBED Equation.3 соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 , выходное напряжение и выходная мощность.
Если представить себе, что частота стремится к бесконечности, то сопротивление емкости EMBED Equation.3 стремится к нулю, т. е. EMBED Equation.3 создает короткое замыкание для генератора и весь его ток EMBED Equation.3 пойдет через EMBED Equation.3 , а в нагрузке тока вообще не будет. К подобному же результату можно прийти, если рассмотреть эквивалентную схему с генератором ЭДС.
Емкость эмиттерного перехода Сэ также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттерного перехода EMBED Equation.3 и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах, на которых значение EMBED Equation.3 получается одного порядка с EMBED Equation.3 .
Сущность влияния емкости Сэ состоит в том, что чем выше частота, тем меньше сопротивление этой емкости, тем сильнее она шунтирует сопротивление EMBED Equation.3 . Следовательно, уменьшается переменное напряжение на эмиттерном переходе, а ведь именно оно управляет током коллектора. Соответственно уменьшается эффект от усиления. Если частота стремится к бесконечности, то сопротивление EMBED Equation.3 стремится к нулю и напряжение на эмиттерном переходе также снизится до нуля. Практически на менее высоких частотах емкость EMBED Equation.3 , которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода EMBED Equation.3 . Уже настолько сильно влияет, что работа транзистора на более высоких частотах, на которых могла бы влиять емкость Сэ становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости Сэ в большинстве случаев можно не рассматривать.
Итак, вследствие влияния емкости Ск на высоких частотах уменьшаются коэффициенты усиления EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 .
Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах являетсяотставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера.Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторном), а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзисторе типа n-p-n. совершают в базе диффузионное движение, и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу EMBED Equation.3 в обычных транзисторах 10-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень не большое, но на частотах в единицы, десятки мегагерц и выше оно соизмеримо с периодом колебаний и вызывает заметный фазовый сдвиг между токами коллектора и эмиттера. За счет сдвига на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току EMBED Equation.3 .

Рис. 8-2 Рис. 8-3.
Рис. 8-2 Векторные диаграммы дай токов транзистора при различных частотах.
Рис. 8-3 Уменьшение коэффициентов EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 при повышении частоты.
Удобнее всего проследить это явление с помощью векторных диаграмм, изображенных на рис. 8-2. Первая из них соответствует низкой частоте, например 1 кГц, на которой все токи практически совпадают по фазе, так как EMBED Equation.3 составляет ничтожную долю периода колебаний. На низких частотах EMBED Equation.3 имеет свое наибольшее значение EMBED Equation.3 . При более высокой частоте, например 1 МГц, запаздывание тока EMBED Equation.3 на время EMBED Equation.3 относительно тока EMBED Equation.3 вызывает заметный фазовый сдвиг EMBED Equation.3 между этими токами. Теперь ток базы EMBED Equation.3 равен не алгебраической, а геометрической разности токов EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 и вследствие этого он значительно увеличился. Поэтому, даже если ток EMBED Equation.3 еще не уменьшился за счет влияния емкости Ск, то коэффициент EMBED Equation.3 все же станет заметно меньше EMBED Equation.3 На еще более высокой частоте, например 10 МГц, фазовый сдвиг возрастет, ток EMBED Equation.3 еще больше увеличится, а коэффициент EMBED Equation.3 уменьшится.
Таким образом, при повышении частоты коэффициент EMBED Equation.3 уменьшается значительно сильнее, нежели EMBED Equation.3 Коэффициент а снижается от влияния емкости Ск а на значение EMBED Equation.3 влияет еще и фазовый сдвиг между EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 за счет времени пробега носителей через базу. Отсюда ясно, что схема ОЭ по сравнению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.
Принято считать предельным допустимым уменьшение значений EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 на 30% по сравнению с их значениями EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 на низких частотах. Те частоты, на которых происходит такое снижение усиления, т. е. на которых EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 , называют граничными или предельными частотами усиления для схем ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 . Поскольку EMBED Equation.3 уменьшается гораздо сильнее, нежели EMBED Equation.3 , то EMBED Equation.3 значительно ниже EMBED Equation.3 . Можно считать, что
EMBED Equation.3
На рис. 8-3 изображен примерный график, показывающий для некоторого транзистора уменьшение коэффициентов EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 с повышением частоты, отложенной на графике в логарифмическом масштабе. Для удобства по вертикальной оси отложены не сами EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 , а относительные величины EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3
Помимо предельных частот усиления EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации EMBED Equation.3 , при которой коэффициент усиления по мощности EMBED Equation.3 снижается до 1. Очевидно, что при EMBED Equation.3 , когда EMBED Equation.3 , возможно применение данного транзистора в генераторе с самовозбуждением Но если EMBED Equation.3 , то генерации колебаний уже не будет.
Иногда в расчетных формулах встречается также граничная частота усиления тока EMBED Equation.3 . которая соответствует EMBED Equation.3 , т. е. при этой частоте транзистор в схеме с ОЭ перестает усиливать ток.
Следует отметить, что на высоких частотах происходит не только изменение значений EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 , Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания заряда в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах изменяются и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.
Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода Ск и времени пробега носителей через базу EMBED Equation.3 . К сожалению, снижение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока. т. е. к снижению предельной мощности.
Некоторое снижение емкости Ск достигается уменьшением концентрации примеси в коллекторе. Тогда коллекторный переход становится толще, что равноценно увеличению расстояния между обкладками конденсатора. Емкость уменьшается, и, кроме того, при большей толщине перехода увеличивается напряжение пробоя и это дает возможность повысить мощность. Но зато возрастает сопротивление области коллектора и в ней потери мощности будут больше, что особенно нежелательно для мощных транзисторов. Для уменьшения EMBED Equation.3 стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение EMBED Equation.3 , чтобы при увеличении толщины коллекторного перехода не произошел «прокол базы». Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы типа n-p-n при прочих равных условиях являются более высокочастотными, нежели транзисторы типа p-n-p. Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также в тех транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.