 |
|
Зависимость от частоты коэффициента передачи тока базы
В схеме с общим эмиттером,
.
Воспользовавшись соотношением (7.93) и учитывая, что искомая 
, получим
,
где в знаменателе провели замену 
.
После преобразований получаем
, (7.95)
где 
— граничная частота в схеме с ОЭ, на которой модуль 
падает на 3 дБ или в 
раз,
, (7.96)
Фазочастотная характеристика имеет вид:
, (7.97)
Из (7.96) следует, что при частотах 
модуль обратно пропорционален частоте,
. (7.98)
При этом произведение модуля на частоту есть величина постоянная, равная граничной частоте 
единичного усиления,
. (7.99)
Эта граничная частота связана с граничной частотой в схеме с общей базой соотношением
. (7.100)
Одним из приборных параметров является частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Если коэффициент 
, то транзистор может работать в схеме генератора. При условии согласования входного и выходного сопротивлений и нейтрализации обратной связи, обеспечивающей однонаправленную передачу сигнала, можно получить выражение для максимальной частоты генерации,
(7.101)
Максимальная частота генерации в (2…3) раза превышает граничную частоту усиления тока 
у СВЧ транзисторов.
Соотношение граничных частот для транзистора с коэффициентом B=100, отражено на рисунке 7.70. То обстоятельство, что при частотах , произведение модуля на частоту является постоянной величиной, используется в практике измерений граничной частоты, 
, с помощью которой рассчитывают и другие граничные частоты.
Рисунок 7.70 - АЧХ транзистора в схемах с ОБ и ОЭ и граничные частоты
7.8.4. Зависимость граничной частоты fT от режимов работы
Зависимость граничной частоты 
от тока коллектора определяется изменением с током постоянной времени 
(7.91), представляющей собой суммарную инерционность транзистора. Постоянная времени эмиттерного перехода экстремально зависит от тока коллектора (рисунок 7.71, а). Используя значение СDE из (7.77) получим:
(7.101)
Зарядная ёмкость эмиттера очень слабо зависит от прямого тока, поэтому tE уменьшается по гиперболе с ростом тока коллектора. Время жизни носителей в эмиттере определяется рекомбинацией Оже и от тока не зависит. На малых токах коллектора B(IC) растет, что сохраняет общую тенденцию уменьшения tE(IC). Однако на БУИ коэффициент усиления обратнопропорционален току, и постоянная времени tE(IC) будет увеличиваться до времени жизни 
. Инерционность пролёта базы (7.84)
, (7.102)
возрастает с ростом тока коллектора из-за эффекта Кирка и боковой инжекции, увеличивающей траекторию пролёта. Некоторая компенсация возрастания tпр.В возможна в бездрейфовых транзисторах за счёт дрейфовой составляющей в базе 
.
Постоянная времени коллекторной цепи (7.88) на средних уровнях инжекции может уменьшаться с током из-за уменьшения r’B , обусловленного модуляцией проводимости и эффектом оттеснения эмиттерного тока.
, (7.103)
При больших напряжениях на коллекторе ёмкость коллектора возрастает с током из-за перераспределения поля (эффект Кирка, рисунок 7.17), что ведёт к увеличению инерционности. При малых смещениях ёмкость также увеличивается с ростом тока из-за эффекта квазинасыщения. В результате зависимость 
имеет экстремальный характер (рисунок 7.71, б).
В СВЧ транзисторах толщина высокоомного коллектора ограничена (0,1–0,3) мкм. При больших плотностях динамического заряда уменьшается напряженность статического поля в части ОПЗ, прилегающей к базе, что снижает среднюю скорость пролёта и увеличивает инерционность коллекторной цепи.
Граничная частота транзистора будет меньше наименьшей частоты во всём диапазоне токов (7.72). На малых токах коллектора (эмиттера) инерционность транзистора определяется постоянной перезаряда зарядной емкости эмиттерного p-n перехода. В области максимума вклад в общую инерционность могут давать в зависимости от конкретной структуры – эмиттер, база и коллектор. В области больших токов коллектора для гомогенных транзисторов рост инерционности наблюдается во всех областях транзистора. Для гетероструктурного транзистора зависимость 
(IC) , будет возрастать во всём диапазоне токов (рисунок 7.72, а), так как в транзисторах с широкозонным эмиттером отсутствуют эффекты накопления неосновных носителей заряда в квазинейтральном объёме эмиттера (СDE=0).
Зависимость граничной частоты fa от напряжения коллектора не столь однозначна, как зависимость fa (IC). На малых токах fa определяется инерционностью эмиттера, и влияние напряжения коллектора незначительно. На средних и больших уровнях инжекции увеличение коллекторного напряжения повышает быстродействие транзистора до некоторого значения, а затем стабилизируется. Такое поведение объясняется частичной нейтрализацией эффекта расширения квазинейтральной базы и подавлением квазинасыщения коллектора (рисунок 7.73).
С изменением температуры инерционность ta также изменяется. Постоянная времени коллектора увеличивается с ростом температуры из-за падения подвижности носителей заряда в базе и коллекторе (рисунок 7.25).
.
В результате чего увеличиваются сопротивления r’B и rTC . Увеличение r’B (T) приводит к усилению неоднородности токораспределения эмиттера и проявлению эффектов больших уровней инжекции при меньших значениях интегрального тока коллектора.
Время пролёта базы увеличивается с ростом температуры в связи с уменьшением подвижности для структур с умеренно легированной базой (nm >1), либо уменьшается для структур с высоким уровнем легирования базы (nm < 1 ,гетеротранзистор).
Постоянная времени эмиттера возрастает с увеличением температуры при постоянном уровне инжекции (7.101). Обозначив безразмерный ток коллектора через уровень инжекции
,
получим выражение для tE (7.101) в виде:
. (7.103)
Уровень инжекции растёт с увеличением температуры для постоянного тока коллектора
.
Поэтому при постоянном токе коллектора инерционность эмиттера будет уменьшаться на МУИ, если nm>2 или увеличиваться (для сильно легированной базы) с ростом температуры. Второй член в (7.103) уменьшается на малых токах коллектора, так как темп рекомбинации Оже возрастает с ростом температуры
,
где для кремния С » 0,6. Одновременно возрастает с температурой статический коэффициент В(Т)и Z(T). На больших уровнях инжекции инерционность, связанная с накоплением неосновных носителей заряда в квазинейтральном эмиттере (второе слагаемое (7.103)), будет возрастать с температурой, так как в этом режиме 
. По этой причине в структуре СВЧ–транзистора толщина эмиттера не превышает 0,2 мкм, что ограничивает диффузионную ёмкость эмиттера. Влияние температуры на граничную частоту кремниевого транзистора с граничной частотой fT = 3,5 ГГц приведено на рисунке 7.74.
Величина фазового сдвига между входными и выходными сигналами может быть оценена по зависимости граничных частот от режима работы (7.94), (7.97).