Частотные свойства биполярного транзистора. Частотные свойства биполярных транзисторов: анализ характеристик и факторов влияния

Каковы основные факторы, определяющие частотные свойства биполярных транзисторов. Как зависят коэффициенты передачи тока от частоты. Какие существуют способы улучшения частотных характеристик биполярных транзисторов. Чем отличаются частотные свойства схем с общей базой и общим эмиттером.

Факторы, влияющие на частотные свойства биполярных транзисторов

Частотные характеристики биполярных транзисторов определяются несколькими ключевыми факторами:

• Материал полупроводника (германий, кремний, арсенид галлия)
• Физическая структура транзистора
• Толщина базовой области
• Скорость процессов диффузии носителей заряда
• Величина емкостей p-n переходов (барьерной и диффузионной)

Особенно важное значение имеет зависимость усилительных свойств транзистора от частоты. Коэффициенты передачи тока α и β существенно зависят от частоты, что связано с инерционностью процессов в транзисторе.

Зависимость коэффициентов передачи тока от частоты

Коэффициенты передачи тока α и β представляются в виде комплексных частотнозависимых величин:

β(jω) = β0 / (1 + jω/ωβ)

где β0 — коэффициент передачи тока на низких частотах, ωβ — предельная частота.

Амплитудно-частотная характеристика имеет вид:

|β(ω)| = β0 / sqrt(1 + (ω/ωβ)^2)

Фазочастотная характеристика:

φ(ω) = -arctg(ω/ωβ)

Предельная и граничная частоты транзистора

Предельная частота fβ — это частота, на которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается в √2 раз по сравнению с низкочастотным значением.

Граничная частота fгр — частота, при которой модуль коэффициента передачи тока равен единице:

fгр = fβ * β0

Как определить граничную частоту транзистора?

Граничную частоту можно определить экспериментально, измерив зависимость коэффициента передачи тока от частоты. Это та частота, при которой |β| = 1. Также ее можно рассчитать, зная предельную частоту и низкочастотное значение β0.

Частотные свойства схем с общей базой и общим эмиттером

Схема с общей базой имеет более широкий частотный диапазон по сравнению со схемой с общим эмиттером. Это связано с тем, что:

fα = fβ * (1 + β0)

где fα — предельная частота для схемы с ОБ, fβ — для схемы с ОЭ.

Таким образом, предельная частота схемы с ОБ в (1 + β0) раз выше, чем у схемы с ОЭ.

Способы улучшения частотных характеристик биполярных транзисторов

Для повышения рабочих частот биполярных транзисторов применяются следующие методы:

1. Уменьшение толщины базовой области
2. Создание градиента концентрации примесей в базе (дрейфовые транзисторы)
3. Уменьшение площади эмиттерного и коллекторного переходов
4. Снижение сопротивления базовой области
5. Использование полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей (GaAs)

Что такое дрейфовый транзистор?

Дрейфовый транзистор — это биполярный транзистор с неоднородным распределением примесей в базовой области. Это создает встроенное электрическое поле, ускоряющее пролет носителей через базу и повышающее быстродействие транзистора.

Эквивалентные схемы биполярного транзистора на высоких частотах

На высоких частотах поведение биполярного транзистора описывается Т-образной эквивалентной схемой, учитывающей емкости переходов и сопротивления областей. Основные элементы схемы:

• rб’ — объемное сопротивление базы
• rэ — сопротивление эмиттерного перехода
• Cэ — емкость эмиттерного перехода
• Cк — емкость коллекторного перехода
• rк — сопротивление коллекторного перехода

Анализ этой схемы позволяет получить выражения для частотных зависимостей коэффициентов передачи тока.

Максимальная частота генерации транзистора

Максимальная частота генерации fmax — это частота, на которой коэффициент усиления по мощности становится равным единице. Она определяется выражением:

fmax = sqrt(fT / (8π * rб’ * Cк))

где fT — граничная частота по току, rб’ — сопротивление базы, Cк — емкость коллекторного перехода.

Как повысить максимальную частоту генерации транзистора?

Для повышения fmax необходимо:

• Увеличивать граничную частоту fT
• Уменьшать сопротивление базы rб’
• Снижать емкость коллекторного перехода Cк

Особенности высокочастотных и СВЧ-транзисторов

Высокочастотные и СВЧ биполярные транзисторы имеют ряд особенностей конструкции:

• Малая толщина базы (доли мкм)
• Неоднородное легирование базы (дрейфовая структура)
• Малая площадь эмиттера и коллектора
• Специальная геометрия областей для снижения паразитных емкостей
• Применение материалов с высокой подвижностью носителей (GaAs, InP)

Это позволяет достигать рабочих частот в десятки ГГц для кремниевых транзисторов и свыше 100 ГГц для транзисторов на GaAs.

Применение высокочастотных биполярных транзисторов

Основные области применения высокочастотных и СВЧ биполярных транзисторов:

• Усилители радиосигналов
• Генераторы СВЧ колебаний
• Смесители и преобразователи частоты
• Высокоскоростные цифровые схемы
• Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи

Биполярные транзисторы остаются важными элементами СВЧ-техники, несмотря на конкуренцию с полевыми транзисторами, благодаря высокой крутизне характеристик и хорошим шумовым свойствам.

3.5 Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидаль­ного сигнала, в пределах которого прибор может выполнять харак­терную для него функцию преобразования сигнала. Принято частот­ные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов использует­ся зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схе­мах ОБ и ОЭ Н_21Би Н_21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами: Н_21БиН_21Э.

Величины Н_21Б

иН_21Эмогут быть найдены двумя способами:

-решением дифференциальных уравнений физических про­цессов и определением из них токов;

-анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н_21БиН_21Эбудут выражены через величины элек­трических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему)n-р-n транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют С_Э, С_Киr^_ББ, а также время пролета носителей через базу_Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера Н_21Б, который становится комплексным, следующим образом:

_,(3.33 )

где Н_21Б0— коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте,f- текущая частота,f_Н21Б— предельная частота.

Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен:

( 3. 34 ).

Не трудно заметить, что модуль коэффициента передачи Н_21Бна предельной частотеf_Н21Бснижается враз.

Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. ( 3.35 )

Для схемы с ОЭ известно соотношение

( 3.36 ).

Подставляя (3.33) в (3.36) получим

(3.37),

где .

Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

(3.38).

Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Граничная частота f_ГР— это такая частота, на которой модуль коэффициента передачиН_21Э=1. Из (3.38) получим, чтоf_ГРf_Н21ЭН_21Э0.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_P1. Поэтому обобщающим частотным параметром являетсямаксимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, ( 3.39 ).

где f_Н21Б-предельная частота в мегагерцах;r¹_ББ-объемное сопротивление в омах;C_К-емкость коллекторного перехода в пикофарадах;f_МАКС-в мегагерцах.

Рассмотренное выше позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты ) рекомендуется следующее.

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в ба­зовой области, т.е.

а) уменьшать ширину базовой области W_Б;

б) создавать n-р-n транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза;

в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвиж­ность носителей выше. Еще большие возможности открывает ис­пользование арсенида галлия.

2. Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжекти­рованных из эмиттера носителей. Последнее возникает при нерав­номерном распределении примесей в базе по направлению от эмит­тера к коллектору (рисунок 3.12). Концентрацию около эмиттера дела­ют примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Рисунок 3.12 К образованию электрического поля в базе дрейфого БТ.

Появление поля объясняется просто. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей N_a(х)одновременно будет и распре­делением дырокp(х). Под влиянием градиента концентрации ды­рок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтрально­сти: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора — избыток положительного заря­да дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него.

Нарушение электрической нейтральности приводит к появле­нию внутреннего электрического поля в базовой области (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Появляющееся поле, в свою оче­редь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, ког­да дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко ви­деть, что установившееся (равновесное) значение поля будет уско­ряющим для электронов, которые входят в рабочем режиме из эмиттера в базу и будут уменьшать их время пролета, т.е. повы­шать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные — бездрейфовыми. Практи­чески все современные высокочастотные и сверхвысокочастот­ные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при

экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов от N_а(0) доN_а(W_Б) учитывается коэффициентом не­однородности базы:

=0,5lnN_А(0)/N_А(W_Б)

Поэтому [см. (5.93)] можно написать

Для бездрейфовых транзисторов=0 ,а типичные значения для дрейфовых транзисторов .

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и уве­личения ширины переходов (выбором концентрации примесей и ра­бочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы r^_ББ.

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторно­го перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и не­обходимо при создании транзисторов применять компромисс­ные решения.

8.4. Частотные свойства биполярных транзисторов

Одним из основных факторов, определяющих пригодность транзистора для использования в той или иной электронной схеме, является зависимость его параметров от частоты.

Частотные свойства транзисторов зависят от:

— материала;

— физической структуры;

— толщины базы;

— скорости процессов диффузии;

— величины эквивалентных емкостей переходов (барьерной и диффузионной), которые начинают сказываться на частотах от десятков килогерц, шунтируя сопротивления и.

Особенно большое значение имеют зависимости усилительных свойств транзистора от частоты. Коэффициенты передачи токов изависят от частоты, что связано с инерционностью процессов, протекающих в транзисторе при прохождении носителей заряда через базовый слой, и изменением концентрации носителей в базе при диффузии неосновных носителей к коллектору. За счет инерционности этих процессов приращения выходного тока запаздывают по фазе относительно приращений входного тока. При высокой частоте следования входных импульсов за время импульса выходной ток не успевает достичь максимального значения и с ростом частоты амплитуда выходных импульсов убывает. Для описания этих явлений коэффициенты передачи токаипредставляются в виде комплексных величин, зависящих от частоты:

, (8.45)

где — значение коэффициента передачи тока для схемы с общим эмиттером в области низких частот;- предельная частота (частота среза). Из выражения (8.45) можно получить амплитудно-частотную (8.46) и фазочастотную (8. 47) характеристики коэффициента передачи тока:

; (8.46)

. (8.47)

Физический смысл предельной частоты коэффициента передачи тока базы – частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы уменьшается в раз по сравнению с низкочастотным значением. В справочниках обычно приводится значение граничной частоты коэффициента передачи тока базы. Граничной частотой коэффициента передачи тока базы называется частота, при которой модуль коэффициента тока базы равен единице. Значение граничной частотысвязано со значением предельной частотысоотношением

. (8.48)

Графически АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи тока при включении транзистора по схеме с общим эмиттером представлены на рис. 8.15. Аналогичные соотношения могут быть определены и для коэффициента передачи тока
	Рис. 8.15

при включении транзистора по схеме с общей базой.

Учитывая, что , можно получить соотношение между предельными частотами при различных схемах включения транзистора:

, (8.49)

где — предельная частота (частота среза) для схемы с общей базой.

Графически АЧХ и ФЧХ коэффициента передачи тока при включении транзистора по схеме с общей базой представлены на рис. 8.16. Коэффициенты передачи тока для обеих схем включения могут
	Рис. 8.16

быть представлены и в операторной форме:

, (8.50)

где и.

Таким образом, транзистор представляет собой усилитель тока в рабочем диапазоне частот от до, гдеилив зависимости от схемы включения. За пределами рабочего диапазона частот транзистор вносит фазовый сдвиг, равный.

Из выражения (8.49) следует, что схема с общей базой имеет более широкий частотный диапазон по сравнению со схемой с общим эмиттером.

Биполярный транзистор для любой схемы включения представляет собой источник тока, управляемый током (ИТУТ).

Новые тенденции в биполярных транзисторах с гетеропереходом Ван-дер-Ваальса 2D TMD

У вас не включен JavaScript. Пожалуйста, включите JavaScript чтобы получить доступ ко всем функциям сайта или получить доступ к нашему страница без JavaScript.

Выпуск 5, 2023 г.

Из журнала:

Журнал химии материалов C

Новые тенденции в биполярных транзисторах с гетеропереходом Ван-дер-Ваальса 2D TMD

Сикандар Афтаб, * ^а Хосамелдин Хелми Хегази, ^еф Мухаммад Захир Икбал ^б и Ю Сын Обод ^диск

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Кафедра интеллектуальной мехатроники, Университет Седжонг, Сеул 05006, Южная Корея
Электронная почта: aftab@sejong. ac.kr, физика[email protected]

^б Лаборатория исследований нанотехнологий, Факультет инженерных наук, Институт инженерных наук и технологий ГИК, Топи 23640, Хайбер-Пахтунхва, Пакистан

^с Кафедра интеллектуальной мехатроники и инженерии конвергенции для интеллектуальных дронов, Университет Седжонг, Сеул 05006, Республика Корея

^д Факультет инженерии полупроводниковых систем, Университет Седжонг, Сеул 05006, Республика Корея

^и Исследовательский центр передовых материаловедения (RCAMS), Университет короля Халида, почтовый ящик 9004, Абха 61413, Саудовская Аравия

^ф Кафедра физики, Факультет естественных наук, Университет короля Халида, почтовый ящик 9004, Абха, Саудовская Аравия

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Биполярный переходной транзистор, также известный как BJT, стал важным компонентом многих современных схем, используемых для высокоскоростных вычислений и связи, благодаря его способности усиливать сигналы большой мощности. 2D-материалы могут быть использованы для изготовления биполярных транзисторов с высоким усилением и частотой, поскольку они могут быть естественным образом тонкими. Кроме того, свойства их частей могут быть изменены различными способами. В этой обзорной статье мы попытались обобщить самые последние и многообещающие стратегии, которые можно использовать для разработки латеральной и вертикальной архитектур BJT. Большинство наноустройств BJT изготавливаются с использованием механического расслаивания ультратонких 2D-материалов для изучения их электрического поведения. Это позволяет создавать NPN или PNP BJT из собственного полупроводника или различных наноматериалов. Также было проведено сравнение производительности и характеристик устройств BJT, которые основаны на 2D материалах. Кроме того, намечено обсуждение текущих проблем и возможных решений. Мы надеемся, что это краткое изложение текущих исследований биполярных транзисторов на основе наноматериалов может быть использовано по-разному и поможет продвинуться вперед в развитии высокоскоростных вычислений с интегральными схемами, которые откроют новую эру цифровых технологий.

• Эта статья является частью тематического сборника: Журнал химии материалов C Недавние обзорные статьи

Варианты загрузки Пожалуйста, подождите…

Информация о товаре

ДОИ

https://doi.org/10.1039/D2TC04108A

Тип изделия

Обзор статьи

Отправлено

29 сент. 2022

Принято

20 декабря 2022 г.

Впервые опубликовано

21 декабря 2022 г.

Скачать цитату

J. Mater. хим. К , 2023, 11 , 1648-1667

BibTexEndNoteMEDLINEProCiteReferenceManagerRefWorksRIS

Разрешения

Запросить разрешения

Социальная деятельность

Получение данных из CrossRef.
Загрузка может занять некоторое время.

Прожектор

Объявления

SCIRP Открытый доступ

Издательство научных исследований

Журналы от А до Я

Журналы по темам

• Биомедицинские и биологические науки.
• Бизнес и экономика
• Химия и материаловедение.
• Информатика. и общ.
• Науки о Земле и окружающей среде.
• Машиностроение
• Медицина и здравоохранение
• Физика и математика
• Социальные науки. и гуманитарные науки

Журналы по тематике  

• Биомедицина и науки о жизни
• Бизнес и экономика
• Химия и материаловедение
• Информатика и связь
• Науки о Земле и окружающей среде
• Машиностроение
• Медицина и здравоохранение
• Физика и математика
• Социальные и гуманитарные науки

Публикация у нас

• Подача статьи
• Информация для авторов
• Ресурсы для экспертной оценки
• Открытые специальные выпуски
• Заявление об открытом доступе
• Часто задаваемые вопросы

Публикуйте у нас  

• Представление статьи
• Информация для авторов
• Ресурсы для экспертной оценки
• Открытые специальные выпуски
• Заявление об открытом доступе
• Часто задаваемые вопросы

Подпишитесь на SCIRP

Свяжитесь с нами

	клиент@scirp. org
	+86 18163351462 (WhatsApp)
	1655362766
	Публикация бумаги WeChat

Недавно опубликованные статьи

Недавно опубликованные статьи

• Аппендикулярный абсцесс: эпидемио-клинические и терапевтические аспекты в отделении общей хирургии Справочного медицинского центра коммуны III (C. s.ref CIII) округа Бамако()

  Карембе Бубакар, Тункара Идрисса, Диарра Иссака, Сумаре Модибо Дьянгина, Траоре Бурейма, Саного Сейду, Диалло Моктар, Камара Абубакар, Туре Абубакар, Кулибали Абдулай, Фаль Ибрагим, Диаките Мане, Диарра Мумини, Диарра Дрисса, Траоре Абдулай, Кулибали Якария, Канте Лассана, Дембеле Бакари Тьентиги, Того Аденье

  Хирургическая наука Том 14 № 2, 10 февраля 2023 г.

  DOI: 10.4236/сс.2023.142010 20 загрузок  136 просмотров

• Новая классификация пигментного ретинита, включающая мультифокальную электроретинографию для оценки тяжести заболевания ()

  Айше Онер, Неслихан Синим Кахраман

  Открытый журнал офтальмологии Том 13 №1, 10 февраля 2023 г.

  DOI: 10.4236/ojoph.2023.131005 12 загрузок  80 просмотров

• Перфорация мочевого пузыря во время трансуретральной резекции опухоли мочевого пузыря не является невинным несчастным случаем: обзор литературы, основанный на клиническом опыте (9)0003

  Зиад Залакетт, Мария Кэтрин Рита Хачем, Кларисса Каттан, Джозеф Каттан

  Открытый журнал урологии Том 13 № 2, 10 февраля 2023 г.

  DOI: 10.4236/oju.2023.132006 14 загрузок  136 просмотров

• Антимикобактериальная активность экстрактов лекарственных растений, используемых при лечении туберкулеза практикующими врачами народной медицины в Уганде()

  Мозес Мпейрве, Иван Мугиша Таремва, Патрик Орикириза, Патрик Энгеу Огванг, Дункан Сесази, Джоэл Базира

  Фармакология и фармация Том 14 № 2, 10 февраля 2023 г.

  DOI: 10.4236/стр.2023.142003 17 загрузок  214 просмотров

• Краткосрочные эффекты лираглутида по сравнению с вилдаглиптином на секрецию инсулина и чувствительность при диабете 2 типа: отдельное слепое рандомизированное контролируемое исследование (исследование LIRAVIS)()

  Мартин Клод Этоа Этога, Эстель Амандин Велл, Симеон Пьер Шукем, Месмин Дехайем, Франсин Мендане Мекобе, Анн Боли Онгмеб, Астассельбе Хаджа Инна, Жан-Клод Мбанья, Юджин Собнгви

  Журнал сахарного диабета Том 13 № 1, 10 февраля 2023 г.

  DOI: 10.4236/jdm.2023.131005 9 загрузок  79 просмотров

• Влияние коронавирусной болезни 2019 г.