Усилительные свойства транзисторов определяются свойствами материала, из которого они изготавливаются, технологией их производства, конструкцией, режимом работы и схемой включения. С ростом частоты усилительные свойства ухудшаются. Это означает, что уменьшается усиление, падает выходная мощность, появляется фазовый сдвиг, т. е. запаздывание выходного тока по отношению к входному. На диапазон рабочих частот транзисторов оказывают влияние следующие параметры:
– время пролёта неосновных неравномерных носителей в области базы от эмиттерного перехода до коллекторного;
– ёмкости эмиттерного Сэ и коллекторного Ск переходов;
– объёмное сопротивление базы rб’, определяемое её геометрическими размерами.
Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) необходимо:
1. Уменьшить время пролёта носителей через базу, т. е.
а) уменьшить ширину базы;
б) использовать n-p-n-транзисторы, так как подвижность электронов больше, чем у дырок;
в) использовать германиевые транзисторы, так как в германии подвижность носителей выше, чем в кремнии. Большие возможности открывает применение арсенида галлия.
2. Снижение емкости эмиттерного и коллекторного переходов.
3. Снижение объёмного сопротивления базы.
Однако эти условия противоречивы. Для уменьшения времени пролёта носителей необходимо уменьшить ширину базы, но при этом возрастает сопротивление базы. Уменьшение удельного сопротивления базы за счёт увеличения концентрации примеси приводит к уменьшению ширины коллекторного перехода и увеличению ёмкости коллекторного перехода.
Удачным решением проблемы является увеличение скорости перемещения носителей с помощью ускоряющего электрического поля в базовой области. Этот принцип положен в основу дрейфовых транзисторов.
В дрейфовых транзисторах n-p-n-типа концентрация примесей в эмиттерной стороне базы в 100 раз больше, чем около коллектора. Из-за наличия градиента концентрации примесей (а, следовательно и дырок) основные носители в базовой области – дырки начинают диффундировать в направлении коллекторного перехода. Однако, в отличии от диффузии неосновных носителей, смещение основных оставляет нескомпенсированные заряды ионов акцепторной примеси. В результате возникает электрическое поле и устанавливается динамическое равновесие: действие градиента концентрации уравновешивается действием электрического поля. Направление электрического поля в базе является ускоряющим для электронов, движущихся от эмиттера к коллектору (плюс у коллектора, минус у эмиттера). Кроме того, при наличии сильно легированного базового слоя вблизи эмиттерного перехода, сопротивление тела базы получается малым даже при тонкой базе. Одновременно малая концентрация примесей вблизи коллекторного перехода приводит к значительному уменьшению ёмкости последнего.
В результате дрейфовые транзисторы могут работать в СВЧ-диапазоне (граничные частоты достигают 10 ГГц).
Контрольные вопросы
1. В каких режимах может работать биполярный транзистор?
2. Какова полярность напряжений на электроде транзистора типа p-n-p в активном режиме в схеме с ОБ и ОЭ? У транзистора n-p-n?
3. Объяснить принцип работы транзистора в активном режиме.
4. Каковы уравнения токов, определяемые физическими процессами, протекающими в транзисторе?
5. Каким образом в транзисторе происходит усиление электрических колебаний по мощности?
6. В чём состоит явление модуляции ширины базы? Как оно влияет на токи транзистора?
7. Объяснить поведение входных и выходных характеристик транзистора в схеме ОБ.
8. Объяснить поведение входных и выходных характеристик транзистора в схеме ОЭ.
9. Почему в качестве малосигнальных параметров транзисторов используются h-параметры?
10. На семействе выходных характеристик транзистора указать область активного режима, режима насыщения, режима отсечки.
11. Какие факторы определяют инерционность транзистора при его работе на высоких частотах?
12. В чём особенность работы дрейфового транзистора?
13. Как влияет температура на характеристики и параметры транзисторов в схемах ОБ и ОЭ?
