Робота біполярного транзистора у ключовому режимі

Дуже поширеними в електроніці є імпульсні схеми, в яких транзистор працює в ключовому (імпульсному) режимі. У цьому режимі на вхідний електрод БТ подається імпульсна напруга (струм) великої амплітуди, і тоді транзистор працює як комутатор, що має два граничні положення – замкнуте (режим насичення) і розімкнуте (режим відсічки).

Рисунок 3.58 – Нормально розімкнений ключ на транзисторі

Розглянемо нормально розімкнений електронний ключ на БТ, схему якого показано на рисунку 3.58. Цей ключ призначено для замикання і розмикання кола навантаження за допомогою імпульсів, що надходять від генератора сигналів керування. Опір вибирається з розрахунку, щоб вихідна навантажувальна пряма перетинала круту дільницю вихідних статичних характеристик (точка В на рисунку 3.59). Опір в базовому колі керування, як правило, значно більший за вхідний опір транзистора. Внаслідок цього струм у базовому колі практично не залежить від величини вхідного опору транзистора (опору ЕП і розподільного опору бази ), і з великою точністю можна вважати, що керування роботою ключа здійснюється за допомогою струму бази.

За відсутності імпульсу керування під дією джерела транзистор перебуває у РВ, тобто у закритому стані, і робоча точка знаходиться на динамічній характеристиці (рис. 3.59) у положенні А. При цьому струм бази , струм колектора , напруга на колекторі . Коло навантаження розірване, тому в такому стані довільний вхідний сигнал може без спотворення і послаблення пройти на вихід схеми, тобто транзистор не шунтує (не закорочує) цей сигнал на корпус. Розподіл концентрації дірок у базі БТ у цьому режимі показано на рисунку 3.60 а кривою для моменту . Концентрація неосновних носіїв у базі мала, опір бази і всього БТ великий.

Рисунок 3.59 – Переміщення робочої точки в ключовому (імпульсному) режимі транзистора

Рисунок 3.60 – Розподіл концентрації дірок у базі БТ у ключовому режимі

У момент в базу БТ подається негативний імпульс струму (рис. 3.61), ЕП вмикається в прямому напрямі, дірки з емітера інжектуються до бази. ЕП переходить до активного режиму роботи, робоча точка рухається вздовж навантажувальної прямої від т. А до т. В, наближаючись до області режиму насичення (РН). Струм бази в момент різко зростає до значення , і концентрація дірок у базі біля ЕП збільшується. Але струм колектора починає змінюватися лише через деякий час задержки, який потрібно затратити діркам, щоб подолати відстань між емітером і колектором. Через певний час дифундуючі до колектора дірки заповнюють базу, градієнт їх концентрації біля КП збільшується, і струм колектора зростає (крива на рисунку 3.60 а). У момент транзистор наближається до РН, розподіл концентрації дірок у базі стає лінійним, наростання струму колектора сповільнюється (рис. 3.60 а, крива , рис. 3.61). Робоча точка транзистора переходить до точки В на навантажувальній прямій. Ця точка відповідає напрузі і струму . Напруга на КП , і КП вмикається у прямому напрямі. Починається інтенсивна інжекція дірок з колектора до бази, їх концентрація біля КП зростає, стає більшою, ніж рівноважна (рис. 3.60, крива ). Градієнт дірок у базі в РН залишається постійним, і струм колектора більше не наростає (рис. 3.61).

У момент імпульс керування в базі БТ закінчується, і прилад поступово повертається до свого початкового стану. Починається процес розсмоктування дірок у базі за рахунок їх екстракції до областей емітера і колектора. Зміна знака градієнта концентрації біля ЕП (крива на рисунку 3.60) і перехід дірок до області емітера викликають зміну напряму струму бази, який досягає значення (рис. 3.61). За час розсмоктування неосновних носіїв (від моменту до моменту ) концентрація дірок у базі біля ЕП та КП зменшується таким чином, що градієнт їх концентрації залишається постійним (криві і на рисунку 3.60 б), і тому струм та не змінюється. Після того як концентрація дірок у базі біля КП і ЕП досягає рівноважного значення ( ), градієнти їх концентрації починають зменшуватись, і це викликає зменшення струмів бази і колектора до початкових значень = та = , характерних для РВ.

На тривалість переднього і заднього фронтів вихідного імпульсу струму (рис. 3.61) суттєво впливають частотні властивості БТ. Чим вища гранична частота транзистора, тим вища його швидкодія в ключовому режимі. Крім того, швидкодія БТ у режимі перемикання збільшується при збільшенні коефіцієнта передачі струму (або збільшенні амплітуди імпульсу струму бази – імпульсу керування). З метою підвищення граничної частоти транзистори виконують з малими ємностями переходів, а також, оскільки на швидкість розсмоктування впливає не лише екстракція, а й рекомбінація, зменшують середню тривалість життя неосновних носіїв шляхом введення до бази домішок, що прискорюють рекомбінацію (наприклад, золото у кремнієвих БТ).

Рисунок 3.61 – Часові діаграми струму БТ у ключовому режимі