4.11.5 Ключевой режим работы транзистора

В большинстве импульсных устройств транзисторы работают в ключевом режиме, при котором рабочая точка под действием сигнала большой амплитуды переходит из области отсечки в область насыщения и наоборот. Принципиальная схема простейшего транзисторного ключа, собранного по схеме с ОЭ, приведена на Рис.4.46, а на Рис.4.47 приведена выходная динамическая характеристика и положение рабочей точки для закрытого (точка А) и открытого (точка В) состояний транзистора.

Рис.4.46

Рис.4.47

В исходном состоянии, при отсутствии входного импульса, на базу транзистора подается положительное напряжение смещения . Транзистор закрыт и находится в режиме отсечки (точка А, Рис.4.47).

При этом, через нагрузку, протекает лишь очень небольшой обратный ток коллекторного перехода, которым можно пренебречь. Поэтому можно считать, что ключ разомкнут. На выходе (коллекторе) транзистора действует напряжение примерно равное ,

. (4.58)

При подаче в момент времени t, на вход транзистора отрицательного импульса большой амплитуды (Рис.4.48 а) транзистор открывается и ток базы скачком возрастает (Рис.4.48 в ) до величины , где - внутренне сопротивление источника питания.

Однако ток коллектора появится не сразу после возникновения тока базы, а по истечении некоторого промежутка времени, называемого временем задержки (Рис.4.48 г). Это время затрачивается на диффузионное перемещение носителей через базу, а также перезарядку емкости эмиттерного перехода. Временем задержки называют промежуток времени от момента появления входного импульса до момента появления тока коллектора. Далее по мере накопления в базе достаточного количества инжектированных дырок, при котором в сечении базы устанавливается требуемая величина градиента их концентрации, ток коллектора возрастает примерно по экспоненциальному закону, стремясь к значению так называемого кажущегося тока , который установился бы при отсутствии насыщения (Рис. 4.48 г).

По мере увеличения тока коллектора напряжения уменьшается по абсолютной величине и достигает такого значения, при котором коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении, а транзистор переходит в режим насыщения (точка В, Рис.4.47). Можно считать, что в режиме насыщения ключ практически замкнут. При этом ток коллектора достигает предельного значения, ограничиваемого элементами внешней цепи

. (4.59)

Переходный процесс в коллекторной цепи заканчиваются. Это происходит в момент времени .

Промежуток времени от момента появления тока коллектора до момента достижения им значения тока насыщения называется временем нарастания прямоугольного импульса . За время нарастания рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой из области отсечки через активную область в область насыщения. Интервал времени, являющийся суммой времени задержки и времени нарастания, называется временем включения, то есть . Длительность этого переходного процесса в схеме с ОЭ определяется постоянной времени и коэффициентом насыщения .

На Рис.4.49а показаны диаграммы распределения концентрации дырок в базе в моменты , и (кривые 1, 2, 3). Промежуточное распределение показано кривой линией. После достижения коллекторным током значения переходный процесс в базе транзистора еще не заканчивается, так как в режиме насыщения база продолжает накапливать избыточный заряд дырок, инжектируемых как из эмиттера, так и из коллектора.

а)

б)

в)

г)

Рис.4.48

Рис 4.49.

В момент времени все переходные процессы в транзисторе заканчиваются и в базе устанавливается распределение концентрации дырок соответственно диаграмме 4 на Рис. 4.49 а. Из рисунка видно, что в режиме насыщения базы транзистора накапливает избыточный заряд, прямо пропорциональный диффузионной емкости (заштрихованный участок). Ток же коллектора в соответствии с (4.59) остается постоянным от момента до , так как несмотря на увеличение концентрации дырок в базе, градиент концентрации остается постоянным.

По окончании входного импульса начинается процесс запирания транзистора. При этом импульс обратного тока базы имеет такую же форму, как и в полупроводниковом диоде.

Это объясняется тем, что под действием обратного напряжения, действующего на эмиттером переходе, дырки втягиваются (экстрагируют) из базы назад, в эмиттер. Ток же коллектора в течении промежутка времени, называемого временем рассасывания , остается неизменным и равным , что объясняется рассасыванием избыточного заряда, накопленного в базе (дырки уходят в коллектор, возвращаются в эмиттер и рекомбинируют в базе), иначе коллекторную цепь в течение этого промежутка времени продолжает питать избыточный заряд, накопленный в базе, что на Рис. 4.49 б отражается параллельным перемещением диаграммы распределения концентрации дырок из положения 5 в положение 6.

Из рисунков видно, что, начиная с момента времени , когда избыточная концентрация дырок у коллекторного перехода уменьшается до нуля, градиент концентрации дырок возле коллекторного перехода уменьшается, что приводит к уменьшению тока коллектора. Градиент концентрации дырок у эмиттерного перехода, а значит и ток эмиттера, уменьшается с момента .

Переходные процессы в транзисторе заканчиваются к моменту времени . Разность называется временем спада импульса коллекторного тока. За время спада рабочая точка возвращается в исходное состояние. Интервал времени, являющийся суммой времени рассасывания и временем спада, называется временем выключения, то есть .

Кроме параметров, характеризующих инерционность транзистора для оценки его ключевых свойств используют напряжение .

Таким образом, переходные процессы в транзисторном ключе, связанные главным образом с явлениями накопления и рассасывания зарядов в базе, ограничивают быстродействие ключа.