Frekvenční závislost tranzistoru


Jestliže je frekvence nízká (viz dále), pak každá proudová změna působící na vstupních svorkách vyvolá příslušně okamžitou odezvu na výstupních svorkách. Tento předpoklad je oprávněný, pokud je kmitočet časově proměnných obvodových veličin tak nízký, že dobu průletu nosičů můžeme vzhledem k době periody zanedbat.

Tento předpoklad přestává platit při vyšších kmitočtech , kdy doba periody se stane srovnatelnou s dobou průletu nosiče skrze PN přechod. Pak dříve než nosiče dosáhnou výstupního obvodu následkem jedné změny vstupního proudu, již nastává na vstupu změna další. To se projeví zmenšováním změn výstupního proudu a jejich zpožďováním, a to i když změny na vstupu zůstaly stejné. Tranzistor se pak chová, jakoby ztrácel svou schopnost zesilovat proud (a tím také výkon a napětí).


a) Závislost parametrů h*

Parametry h nejsou vhodné pro řešení tranzistorových obvodů pracujících při vysokých kmitočtech, neboť při měření parametrů h12 a h22 nemůžeme dostatečně přesně zajistit podmínky, při kterých jsou tyto parametry definovány. (Měření parametrů má probíhat při konstantním vstupním proudu, což představuje, že vstupní proud musí být do tranzistoru přiváděn ze zdroje s nekonečným vnitřním odporem, vstupní kapacita tranzistoru i kapacita přívodů se řadí ke zdroji paralelně a při vysokých frekvencích jeho vnitřní odpor zmenšují.)

Z těchto důvodů se udává pouze frekvenční závislost proudového zesilovacího činitele h21 (který se měří při výstupních svorkách tranzistoru zkratovaných pro měřicí signál a výstupní kapacita se neuplatňuje). To vyjádřeno diferenciálním proudovým zesilovacím činitelem h21 znamená, že se tento parametr zmenšuje co do absolutní hodnoty, a že se v něm objevuje i fázový posuv daný zpožďováním změn.

Protože parametr h21 (a parametry h vůbec) jsou definovány právě pro nízké kmitočty, užívá se pro proudové zesilovací činitele v tomto zobecněném smyslu někdy jiné označení - , 

 = Ic / Ie (Ucb = konst.) ... pro zapojení se společnou bází (náhrada za h21b)

 = Ic / Ib (Ucb = konst.) ... pro zapojení se společným emitorem (náhrada za h21e)

Kmitočtové charakteristiky proudových zesilovacích činitelů h21 jsou až do určitých kmitočtů kmitočtově nezávislé a platí pro ně v této oblasti:

o = h21b = konst.

o = h21e = konst.

Za mezními kmitočty se pak jejich velikost zmenšuje přibližně nepřímo úměrně s kmitočtem.

Důležité mezní kmitočty v charakteristice závislosti proudových zesilovacích činitelů tranzistoru h21 na kmitočtu:

f = f h21b ... mezní kmitočet tranzistoru v zapojení se společnou bází, při němž proudový zesilovací

činitel klesne o 3dB

f = fh21e ... mezní kmitočet tranzistoru v zapojení se společným emitorem, při němž proudový

zesilovací činitel klesne o 3dB

ft ... mezní kmitočet tranzistoru, při němž se proudový zesilovací činitel zmenšil na

hodnotu 1,tzv. tranzitní kmitočet. Tento kmitočet je přibližně roven meznímu kmitočtu f.


Tranzitní frekvence ft má pro nízkofrekvenční výkonové tranzistory velikost řádově několika set kHz až několik MHz. Vysokofrekvenční tranzistory mají tranzitní frekvenci ft řádově od několika stovek MHz až do několika GHz.




V katalozích se udává někdy ještě závislost tranzitní frekvence ft na poloze pracovního bodu.



b) Závislost parametrů y**

Každý přechod PN vykazuje určitou kapacitu a odpor. Obě tyto složky se k sobě řadí paralelně, a proto při vysokých frekvencích, kdy již reaktanci kapacity přechodu není možné proti odporu přechodu zanedbat, musíme dynamické parametry uvažovat jako veličiny komplexní.

Vstupní a výstupní admitanci y11 a y22 uvažujeme jako paralelní kombinaci reálné složky g11 nebo g22 a kapacitní složky b11 = *C11 nebo b22 = *C22 , tím dostaneme (podle obr. A)):

y11 = g11 + jb11 = g11 + j*C11

y22 = g22 + jb22 = g22 + j*C22


Obdobně platí i pro:

y12 = g12 + jb12 = g12 + j*C12

y21 = g21 + jb21 = g21 + j*C21


Protože kapacity přechodů v tranzistoru i konečná doba průchodu nosičů náboje skrze PN přechod způsobují určité fázové posuny mezi vstupním proudem a výstupním napětím i mezi vstupním napětím a výstupní proudem, musíme parametry y21 a y12 uvažovat také jako komplexní veličiny. Udává se jejich absolutní hodnota |y21| nebo |y12| a fázový posun 21 nebo 12 vždy pro určitou frekvenci změn obvodových veličin (náhradní obvod tranzistoru, který bere v úvahu komplexní charakter parametrů y - viz obr. B)). Navíc jsou odpory přechodu i kapacity závislé na velikosti působícího napětí i proudu, tj. na poloze pracovního bodu.




Všechny tyto závislosti udává výrobce v katalogu buď tabulkou platnou pro jeden pracovní bod, nebo grafem, který zachycuje závislost parametrů na frekvenci i na poloze pracovního bodu.


VF tranzistory:

Dělicím kmitočtem pro rozlišení zda tranzistor je vysokofrekvenční bývá mezní kmitočet o velikost 1 MHz.

Pro dosažení dobrých vlastností tranzistorů pracujících na vysokých kmitočtech je mimo jiné nutné, aby kapacita kolektorového přechodu byla co nejmenší. Tato kapacita závisí na ploše přechodu kolektorového přechodu.

Proto se při výrobě tranzistoru plocha kolektorového přechodu maximálně zmenšuje, a to následujícím způsobem, tzv. mesa technologie:

N
ejprve se vyrobí tranzistor s difundovanou bází, tj. v základní destičce s vodivostí typu P se difúzí vytvoří oblast báze s vodivostí typu N (přechod báze - kolektor), na bázi se pak přiloží legovací kulička akceptoru (vodivost typu P) a slévacím postupem se vytvoří emitorový přechod, a to tak, že se základní destička zahřeje. U této struktury tranzistoru, tranzistoru s difundovanou bází, je pro výrobu mesa tranzistor nutné, aby se vývod báze položil co nejblíže slitinové oblasti emitoru a naopak. Poté se polovodič kolem obou vývodů odleptá do hloubky větší, než je úroveň emitorového přechodu. Tím dostaneme silně zúženou plochu (značné snížení kapacity) kolektorového přechodu, dostačující k vedení kolektorového proudu (viz obr.).


Technologie mesa je v podstatě zdokonalená verze slitinově difúzní technologie (tzv. driftové tranzistory), která se hodí pro tranzistory s mezním kmitočtem do 500 MHz; zesilovací činitel ve vhodném zapojení je 100 až 300.




Vysvětlující dodatky:

* Definice parametrů h (hybridních parametrů dvojbranu):

1) Diferenciální vstupní impedance při výstupu nakrátko.

h11 = U1 / I1 U2 = konst.

2) Činitel zpětného přenosu napětí při vstupu naprázdno.

h12 = U1 / U2 I1 = konst.

3) Proudový zesilovací činitel při výstupu nakrátko.

h21 = I2 / I1 U2 = konst.

4)Diferenciální výstupní admitance při vstupu naprázdno.

h22 = I2 / U2 I1 = konst.


** Definice parametrů y (admitančních parametrů dvojbranu):

1) Diferenciální vstupní vodivost při výstupu nakrátko.

y11 = I1 / U1 U2 = konst.

2) Diferenciální zpětná vodivost při vstupu nakrátko.

y12 = I1 / U2 U1 = konst.

3) Diferenciální převodní vodivost při výstupu nakrátko.

y21 = I2 / U1 U2 = konst.

4) Diferenciální výstupní vodivost při vstupu nakrátko.

y22 = I2 / U2 U1 = konst.

*

*

dlabos.wz.cz