Инерционные свойства биполярных транзисторов определяются в основном:
- процессами в базе;
- наличием цепей перезарядки емкостей переходов.
При скачкообразном изменении тока эмиттера ток коллектора не может измениться мгновенно, поскольку инжектированные электроны достигают коллекторного перехода через некоторое время задержки tЗ. После этого коллекторный ток начнет нарастать.
Поскольку скорости отдельных носителей существенно различаются, рост тока идет неравномерно: сначала коллектора достигают «быстрые электроны», затем – основная масса, обладающая некоторой средней скоростью диффузии, и только после этого – самые «медленные».
В первом приближении можно принять, что ток коллектора нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени τα.
При заданном изменении тока эмиттера функцию IК (t) можно записать в виде
I_K(t) = \alpha(t)\cdot I_Э,
где \alpha(t) – переходная характеристика коэффициента передачи α,
\alpha(t)=\alpha_0\cdot \left(1-e^{-\displaystyle\frac {t} {\tau_\alpha}}\right)
Операторное изображение для коэффициента α запишется в виде:
\alpha(p)=\displaystyle\frac{\alpha_0}{1+p\cdot \tau_\alpha}
Частотная характеристика коэффициента α получена заменой p на jω,
w_\alpha=2\cdot\pi\cdot f_\alpha=1/\tau_\alpha
\alpha(jw)=\displaystyle\frac{\alpha_0}{1+j\cdot \displaystyle\frac{w}{w_\alpha}}
Частотные свойства транзистора характеризуются амплитудно-частотными (АЧХ) и фазо-частотными характеристиками (ФЧХ).
АЧХ представляет собой зависимость модуля коэффициента передачи от частоты:
|\alpha(w)|=\displaystyle\frac{\alpha_0}{\displaystyle\sqrt{1+\displaystyle\left(\frac{w}{w_\alpha}\right)^2}}
На частоте ω = ωα модуль коэффициента усиления падает до величины
|\alpha(w)|=\alpha_0/\sqrt2. Такое уменьшение α считают допустимым, а частоту ωα называют граничной частотой коэффициента α .
Фазо-частотная характеристика
\phi_\alpha(w)=arctg(w/w_\alpha),
полученная для принятой аппроксимации, отличается от реальной более существенно, чем α(ω).
Используя операторное изображение α(p). и соотношение β=α/(1-α), можно получить операторное изображение β:
\beta(p)=\displaystyle\frac{\displaystyle\frac{\alpha_0}{1+p\cdot \tau_\alpha}}{1-\displaystyle\frac{\alpha_0}{1+p\cdot \tau_\alpha}}=\displaystyle\frac{\alpha_0}{1+p\cdot \tau_\alpha-\alpha_0}=\displaystyle\frac{\displaystyle\frac{\alpha_0}{1-\alpha_0}}{1+p\cdot \displaystyle\frac{\tau_\alpha}{1-\alpha_0}}=\displaystyle\frac{\beta_0}{1+p\cdot \tau_\beta}
где
\tau_\beta=\displaystyle\frac{\tau_\alpha}{1-\alpha_0}=(1-\beta)\cdot\tau_\alpha
– постоянная времени.
Частотная характеристика β(jω) запишется в виде
\beta(jw)=\displaystyle\frac{\beta_0}{1+j\cdot\displaystyle\frac{w}{w_\beta}},
где
w_\beta=\displaystyle\frac{1}{\tau_\beta}=\displaystyle\frac{w_\alpha}{1+\beta}
граничная частота коэффициента β
f_\beta=\displaystyle\frac{w_\beta}{2\cdot \pi}
АЧХ и ФЧХ описываются соответственно формулами
|\beta(w)|=\displaystyle\frac{\beta_0}{\displaystyle\sqrt{1+\displaystyle\left(\frac{w}{w_\beta}\right)^2}}
\phi_\beta(w)=arctg\displaystyle\frac{w}{w_\beta}
Для улучшения частотных свойств в дрейфовых транзисторах необходимо уменьшать толщину базы и увеличивать скорость движения носителей в базе.
Скорость движения носителей под действием сил электрического поля существенно выше диффузионной. В этом случае вводят понятие времени пролета tП < tД. Для дрейфовых транзисторов оно эквивалентно уменьшению постоянной времени τα.
Как эмиттерный, так и коллекторный переходы имеют зарядную (барьерную) емкость, включаемую параллельно переходу. Емкость эмиттерного перехода обычно не учитывается: она зашунтирована малым прямым сопротивлением rЭ эмиттерного перехода.
На частотные свойства транзистора существенное влияние может оказать емкость коллекторного перехода.
Основными эксплуатационными параметрами биполярного транзистора являются:
- значение интегральных коэффициентов передачи α, β;
- максимальные значения неуправляемых коллекторных токов IK0, IK0*;
- граничные частоты коэффициентов передачи fα, fβ;
- параметры максимальных режимов IKmax, UKЭmax, UKБmax;
- максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе PKmax.