L_3 (Конспекты лекций), страница 3

Лекция № 6.• У транзистора в схеме с ОК плохие частотные и температурные свойства.• Схема с ОК не усиливает по напряжению, но она лучше других усиливает по току, поэтому её можно использовать в качестве усилителя мощности.5. Температурные и частотные свойства биполярноготранзистора5.1. Температурные свойства транзистора16Различают три основные причины зависимости коллекторного тока оттемпературы:• зависимость тока неосновных носителей I кбо от температуры (этот токудваивается при изменении температуры на каждые 10 оС у германиевыхтранзисторов и на каждые 8 оС у кремниевых);• напряжение база-эмиттер U бэ с увеличением температуры уменьшается (примерная скорость этого уменьшения ∆U бэ / ∆Т ≈ ─ 2,5 мВ/оС);• коэффициент передачи тока базы β (h 21 ) с повышением температурыувеличивается.Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры оказывает ток I кбо . За счет этого тока может произойти тепловой пробой коллекторного перехода.Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме сОЭ.

Например, если при температуре 20 оС германиевый транзистор имел коэффициент передачи тока эмиттера h 21 = 50, ток коллектора I к = 100 мА, токнеосновных носителей I кбо = 10 мкА, то при изменении температуры с 20 оСдо 70 оС у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение тока I кбо в 32 раза, то есть ток I кбо станет равен 320 мкА, а ток коллектораI к = 100,32 мА. Такое незначительное увеличение тока коллектора при изменении температуры на +50 оС практически не нарушит работу транзистора.В схеме на транзисторе с ОЭ картина иная, так как сквозной ток течётчерез коллекторный и эмиттерный переходы I кэо будет в (β+) раз большетока I кбо . Следовательно, у того же транзистора, что использовался в схеме сОБ, при изменении температуры на те же +50 оС произойдет увеличение токанеосновных носителей I кэо до 16 мА, а коллекторного тока со 100 мА до116 мА.

Такое изменение тока коллектора основательно повлияет на режимтранзистора и на его основные характеристики.Вывод по температурным свойствам транзистора в разных схемахвключения.В схеме с ОБ ток неосновных носителей I кбо не участвует в процессеинжекции со стороны эмиттера, а в схеме с ОЭ ток неосновных носителейнепосредственно влияет на процесс инжекции.175.2. Частотные свойства транзистораС повышением частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются по двум причинам:1 причина.

Влияние диффузионной и барьерной емкостей эмиттерного иколлекторного переходов;Влияние барьерных емкостейОбозначим сопротивление эмиттерного перехода через r э , а барьернуюёмкость ЭП ─ через С э .Роль эмиттерной барьерной ёмкостиПостоянная времени эмиттерного перехода (она же и постоянная времени коэффициента инжекции) τ эп = r э С э . Чаще всего τ эп << t пр , (где t пр ─время пролёта носителей) поэтому постоянную времени эмиттерного перехода можно не учитывать.

И только в микрорежиме, когда τ эп становится со-измеримым со временем пролёта носителей ( tпр ), необходимо учитыватьпостоянную времени эмиттерного перехода: τ а =τ эп +t пр. (α а =0,8 t пр ),Роль коллекторной барьерной ёмкостиПри анализе влияния барьерной ёмкости (С к ) на работу транзистора закоротим участок «коллектор-эмиттер» (чтобы можно было пренебречь сопротивлением коллекторного перехода). При таких условиях ёмкость С кокажется подключенной параллельно к базе. Следовательно, справедливо будет постоянную времени такой цепочки обозначить через τ бτ б = r б С к.Ток в коллекторной цепи (αI э ) распределяется между внешней цепью(куда входит и r б ) и ёмкостью С к . Следовательно, с повышением частотыток, протекающий в коллекторной цепи, будет меньше, чем αI э .2 причина.

Появление фазового сдвига между переменными составляющими входного и выходного токов. Период подводимых колебаний становится соизмеримым со временем пролета носителей, в базе происходит накопление объемного заряда, за счет которого затруднена инжекция носителейв базу из эмиттера, так как на рассасывание заряда требуется определенноевремя. Коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается и становится комплексной величиной.Для характеристики частотных свойств транзистора вводятся параметры:18предельная частота транзистора f пр − это такая частота, на которойстатический коэффициент передачи тока эмиттера α уменьшается в 2 разапо сравнению с «α», измеренном на частоте 1000Гц;граничная частота транзистора f гр − это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице.

На любой частоте в диапазоне 0,1f гр < f < f гр модуль коэффициента передачи токабазы изменяется в два раза при изменении частоты в два раза;максимальная частота генерации − наибольшая частота, при которойтранзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно эта частота соответствует выражениюfмак≈ 200 fгрτк,где f гр − граничная частота в МГц; τ к = r’ б С к − постоянная времени цепиобратной связи, определяющая устойчивость усилительного каскада к самовозбуждению; r’ б − распределенное омическое сопротивление базовой области; С к − емкость коллекторного перехода.Частотные свойства транзистора зависят от его схемы включения.Например:На частоте f = 1000 Гц статический коэффициент передачи тока эмиттера α = 0,99.

В схеме с ОЭ на этой же частоте коэффициент передачи тока базы β оэ = 99, а в схеме с ОК β ок = 100.α≈ 0,7;На предельной частоте α пр =2В схемах с ОЭ и ОК на этой же частоте коэффициент передачи тока базы (соответственно)βоэ.пр=αпр1 − α пр=0,7= 2,3;1 − 0,7βок.пр=11 − α пр= 3,3.Следовательно, частотные свойства транзистора в схеме с ОБ значительно лучше, чем в схемах с ОЭ и ОК.6.ЗаключениеКоличество транзисторов на одном чипе за каждые 18 месяцев примерноудваивается; в 1970 г число транзисторов на одном чипе составляло примерно 4000, через 20 лет – около миллиона, а к 2007 г на один процессор приходится около миллиарда транзисторов.

К 2020 году топологическая ширинаэлементов ИС в чипах составит около 23 нм (вместо 90…130 нм на сегодня)..