Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Полные токи в транзисторе не могут быть синусоидальными из-за выпрямляющих свойств р-п-перехода. Амплитудно-частотные характеристики коэффициента а, представленные выражениями (5.54), имеют одинаковую форму: (5.55) хотя значения со„несколько разные (см. (5.49а) и (5.53а)у. изображение а(э) совпадает с (5.50). Это подтверждает, что экспоненциальная аппроксимация вполне пригодна на практике.
Недостаток аппроксимации (5.50) состоит лишь в том, что она не отражает наличия задержки г, (см. рис. 5.18). В тех случаях, когда задержка существенна, пользуются более точным изображением 5.7, Переходные и частотные характеристики 159 Фазочастотные характеристики оказываются существенно разными. Для выражения (5.54а) ф(ю) = -агой(сую, ), (5.56а) т.е.
фазовый сдвиг ограничен [ф( с) = — 96'), а д(ю„) =-45'. Для выражения (5.54б) (5. 566) ф(оэ) = — ю1, — агссй(оусо„). В этом случае фазовый сдвиг не ограничен [ф(ю) = — ю), а д(ю„) =-59'. Выражение (5.566) гораздо более точное, тогда как (5.56а) дает большую погрешность уже при частотах, меньших граничной. Частотные характеристики коэффициента а показаны на рис. 5.21. Процессы в базе при включении ОЭ.
Пусть транзистор включен по схеме ОЭ и задана ступенька базового тока Еб (рис. 5.22). При этом функцию 1„(1) можно записать в виде 1„(1) = В(1) Еб, где В(1) — переходная характеристика коэффициенпто усиления В. Она и ее постоянная времени тв являются в )а)/ае О,з 0,4 о о 40 80 001 01 10 100 1/Е„ б> Рис. 5.21. Частотные характеристики коэффициента передачи а: а— амплитудно-частотные; б — фазсчастотные; 1 — аппроксимация (5.54ай 2 — аппроксимация (5.545! Рис.
5.22. Переходные процессы при включении ОЭ 160 Глава б. Фкакческке пркицкпы работы тракаистора и тиристора данном случае предметом анализа. Для простоты опять будем считать у =1. Операторное изображение В(в) легко получить, подставляя а(з) в выражение В=а/(1 — а). При этом легко убедиться, что переходный процесс сохраняет экспоненциальный характер, но постоянная времени тв будет гораздо больше, а именно (5.57) тв =тоЯ1 — а) =(В +1)т,.
Для того чтобы выяснить физический смысл величины тв, проведем следующие рассуждения. Ток 1б задает скорость нарастания положительного заряда в базе. Значит, в момент поступления ступеньки 1б в базе начинает повышаться концентрация дырок. Соответственно повышается потенциал базы и это вызывает отпирание эмиттерного перехода. Начинается инжекция электронов, заряд которых поддерживает квазинейтральность базы. Значит, в первый момент имеет место равенство 1, = 1б, как и в схеме ОБ. Через время задержки 1, инжектированные носители доходят до коллектора и появляется коллекторный ток. В схеме ОБ нарастание коллекторного тока сопровождалось уменьшением тока базы. Однако в схеме ОЭ базовый ток задан, поэтому возрастание коллекторного тока (связанное с уходом электронов из базы) вызывает дополнительное нарастание тока эмиттера~ (т.е.
приток новых электронов, необходимых для поддержания', квазинейтрэльности). Такое совместное увеличение токов 1„и 1, продолжается до' тех пор, пока в базе не накопится настолько большой избыточ-, ный заряд Лееб, что скорость его рекомбинации уравновесит ток базы. Условие равновесия имеет вид: (5.58) Отсюда, руководствуясь тем, что ЛЯ 1'1б есть постоянная времени переходного процесса, приходим к выводу: в схеме ОЭ постоянная времени равна времени жизни носителей в баге (5.59) тв =т.
Итак„операторный коэффициент усиления в схеме ОЭ имеет вид: (5.бО) В(з) = Ц/(1+ втв), 161 зд. переходные и частотные характеристики где постоянная времени тв в десятки и более раз превышает величину т„. Можно показать, что большой коэффициент усиления В в схеме ОЭ достигается ценой ухудшения переходных и частотных свойств. На фоне большой постоянной времени тв задержка 1, не существенна и ее не учитывают. Заменяя в выражении (5.60) В на 6 и и на /о, получаем мало- сигнальную частотную характеристику (5.
61) 1+ )(о/ор) где вр — -1/тр — верхняя граничная частота (можно считать тр = тв). Соответственно амплитудно-и фазочастотная характеристики будут иметь вид: (5.62а) (5.626) ~р(о) = — агс1д(в/вр). Поскольку коэффициент 6 весьма велик, усилительная способность транзистора сохраняется при частотах, значительно превышающих граничную частоту вр.При в > Звр в выражении (5.62а) можно пренебречь единицей, тогда ()(о) и()вр/ . Полагая Р(о) = 1, найдем частоту, при которой коэффициент 6 уменьшается до единицы и транзистор теряет усилительные свойства: (5.63) Частоту от называют предельной частотой коэффициента усиления тона.
Учитывая соотношение (5.57), приходим к выводу, что предельная частота практически совпадает с граничной частотой о„. Влияние барьерных емкостей. Начнем с влияния емкости змиттерного перехода (рис. 5.16). Поскольку барьерная емкость обусловлена изменениями ширины перехода, т.е. перемещениями основных носителей, ток перезаряда этой емкости не имеет отношения к инжекции и не входит в состав коллектор- б — 3413 162 Глаза 6.Физические прининпы работы транзистора и тнристора ного тока. Следовательно, та часть тока эмиттера, которая ответвляется в барьерную емкость, приводит к уменьшению коэффициента инжекции. Распределение тока эмиттера между барьерной емкостью и переходом зависит от соотношения сопротивлений этих двух цепей.
Ограничимся переменными составляющими. Тогда за сопротивление перехода следует принять величину г„а за сопротивление емкости ее операторный импеданс 1/(зС,). Запишем часть тока 1,, которая ответвляется в р — и-переход: Именно зта величина подразумевалась в определении коэффициента инжекции под током 1,. Заменяя ток 1, на 1, „, нетрудно получить (5.64) )(з) = 1,„/1, = у/(1 + зтт), где (5.65) т„=г,С, — постоянная времени эмиттерного перехода, она же — постоянная времени коэффициента инжекции. Если г, = 25 Ом н С, = 1 пср, то т„= 0,025 нс. В этом случае обычно т„сс 1„р, так что постоянную времени т, можно не учитывать или учитывать в виде дополнительной задержки. Однако с уменьшением тока сопротивление г„растет и величина т, становится сравнимой с та . Поэтому в микрорежиме с определенным приближением можно считать (5.66) т„ = т„ + тор. Тем самым роль эмиттерной барьерной емкости сводится к увеличению постоянной времени то.
Теперь рассмотрим роль коллекторной барьерной емкости С„ (рис. 5.16). Если осуществить на выходе короткое замыкание и по-прежнему пренебречь сопротивлением г„, то емкость С„окажется соединенной параллельно с сопротивлением г . Постоянная времени такой цепочки называется постоянной времени базы: (5.67) 1ВЗ ые.
тярястэр Например, если гв = 100 Ом и С„= 1 пФ, то тэ = 0,1 нс. Ток а1, распределяется между внешней цепью (куда вошло сопротивление ге) и емкостью С„. Следовательно, на высоких частотах внешний ток 1„будет всегда меньше, чем а1,. В частности, если положить т =О, то именно постоянная времени базы ограничивает предельное быстродействие транзистора.
Если в цепь коллектора включено сопротивление В„, то в предыдущих рассуждениях нужно заменить сопротивление г, на гв + В„. Обычно Ва» гэ, поэтому инерционыость токораспределеыия в коллекторной цепи будет определяться не постоянной времени тэ, а постоянной времени ф„. Несмотря на то, что величиыа ф„не является параметром транзистора, (она зависит от внешнего элемента В„), ее удобно рассматривать как составную часть параметра т .
Для этого введем понятие эквивалентной постоянной времени т,, которую по аналогии с (5.66) определим в виде суммы (5. 68) т„„=т,„+ ф„ Если С„В, > 3 т„(что часто бывает), то величина т„„практически не зависит от процессов в базе. Для схемы ОЭ эквивалентную постоянную времени т„найдем с помощью соотношения (5.57), умножив обе части (5.68) на В + 1. Тогда т„= тв + С,В„, (5. 69) где С„=(В+ 1)С„ (5.70) — эквивалентная емкость коллекторного перехода ( рис.
5.17). Постоянные времени т, и т„— наиболее универсальные параметры, характеризующие инерционность биполярного транзистора. 5.8. Тиристор Тиристор представляет собой четырехслойную структуру р-и-р — и (рис. 5.23, а), вольтамперная характеристика которой имеет участок отрицательного сопротивления (рис. 5.23, б).
Появление участка отрицательного сопротивления качественно 164 Глава 5. Физические ириицикы работы трвизисторв к тиристоре г««« П~ Пз Пз ~в«« б) е) Рис. 5.23. Четырехслойизя р-и-р — л-структуре (о) и ее ВАХ (б) а„ можно о нить, используя двухтранзисторную модель тиристора (р 5.24). Действительно р-и — р — л-структура может быть пре лена как соединение двух биполярных транзисторов р — п- п-р-п-типа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
