В режиме переключения

Транзисторы часто используют в переключающих и импульсных схемах. При этом от транзистора требуется, как правило, неискаженное воспроизведение усиленного импульса на выходе. Работа транзистора в качестве усилителя малых импульсных сигналов в принципе ничем не отличается от работы транзистора как усилителя малых синусоидальных сигналов. Импульс можно представить в виде суммы ряда гармонических составляющих и, зная частотные свойства транзистора, определить искажения формы импульса, которые могут иметь место при усилении.

Рассмотрим работу транзистора как усилителя больших импульсных сигналов. В таких случаях нельзя использовать малосигнальные параметры транзистора, а также его обычные эквивалентные схемы. Кроме того, транзистор в переключающих и импульсных схемах часто работает не только в активном режиме, но и в режимах отсечки и насыщения.

3.9.1. Схема с общей базой

Рассмотрим процессы, происходящие в транзисторе, включенном по схеме с общей базой, при подаче через эмиттер импульса тока длительностью t_имп в прямом направлении с последующим измением полярности (рис. 3.22, а).

Рис. 3.22

В исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки, т. е. эмиттерный и коллекторный переходы закрыты. После подачи на эмиттер импульса тока в прямом направлении ток коллектора появляется не сразу из-за конечного времени пере­движения инжектированных носителей заряда до коллекторного перехода и наличия барьерных емкостей (рис. 3.22, б). Время, на которое появление коллекторного тока отстает от эмиттерного, называют временем з а д е р ж к и t₃.

Процесс установления тока коллектора характеризуется длительностью переднего фронта импульса t_ф1 (рис. 3.22, б). Завремя переднего фронта импульса тока коллектора в базе транзистора происходит накопление неоснов­ных носителей заряда, что можно пояснить с помощью рис. 3.22, в,где показаны кривые распределения неосновных носителей в базе транзистора в различные моменты времени. Напряжение на эмиттерном переходе растет медленно из-за заряда емкости эмиттерного перехода, что соответствует увеличению со временем ординаты, отсекаемой кривыми распределения неосновных носителей со сто­роны эмиттерного перехода. Градиент концентрации неосновных носителей около эмиттера, соответствующий величине инжекционной составляющей тока, растет со временем в связи с уменьшением емкостной составляющей тока эмиттера.

В процессе накопления неосновных носителей в базе транзистора происходит увеличение тока коллектора. Однако ток коллектора не может возрастать неограниченно, так как в практически осу­ществляемых схемах в цепь коллектора включается сопротивление нагрузки. Действительно, на сопротивление нагрузки приходится какая-то часть напряжения источника питания выходной цепи транзистора, в результате чего доля напряжения, приходящаяся на кол­лекторный переход, уменьшается по мере увеличения тока коллектора. При определенных токе эмиттера и напряжении на эмиттере концентрация неосновных носителей в базе около коллектора может превысить равновесное значение, что будет соответствовать изме­нению знака напряжения на коллекторном переходе, т. е. переходу транзистора в режим насыщения. В этот момент (кривая 4 на рис. 3.22, в) ток коллектора определяется сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания в цепи коллектора

I_{к макс}≈ U_ип /R _{К .} (3.43)

Значение тока коллектора определяется не только ЭДС источника E_КБ питания в цепи коллектора, но и падением напря­жения на объемном сопротивлении базы при прохождении по нему тока. При прохождении через эмиттер тока в пря­мом направлении падение напряжения на объемном сопротивлении базы, как видно из рис. 3.23, должно склады­ваться с ЭДС источника питания в коллекторной цепи:

. (3.44)

Рис. 3.23

После входа транзистора в режим насыщения процесс накопления неоснов­ных носителей заряда в базе и коллекторе транзистора еще некоторое время продолжается. Длительность переднего фронта импульса тока коллектора зависит от ам­плитуды импульса прямого тока эмиттера и от частотных свойств транзистора.

В момент изменения направления тока эмиттера происходит­
изменение полярности падения напряжения на объемном
сопротивлении базы. При этом скачкообразно уменьшается величина тока
коллектора, так как

. (3.45)

Одновременно начинается процесс рассасывания неосновных но­сителей заряда, накопленных в области базы транзистора. В первый момент после изменения направления тока эмиттера концентрация неосновных носителей в базе около p-n-переходов эмиттера и коллектора велика. Поэтому сопротивления этих p-n-переходов для обратных токов малы. Значит, величина обратного тока эмиттера и тока коллектора после переключения определяется сопротивле­ниями во внешних цепях. Концентрация неосновных носителей в базе около р-п-переходов не может мгновенно уменьшиться до нуля. Это соответствовало бы бесконечно большим величинам гра­диентов концентрации неосновных носителей заряда в базе около p-n-переходов и бесконечно большим токам, чего практически быть не может из-за конечных величин сопротивлений во внешних цепях транзистора.

До тех пор, пока в процессе рассасывания концентра­ции неосновных носителей около р-n-переходов не достигнут нуля, обратные токи через соответствующие p-n-переходы будут оставаться постоянными, т. е. токи эмиттера и коллектора будут неизменными, пока транзистор находится в режиме насыщения. Время, в течение которого транзистор находится в режиме насыщения после оконча­ния импульса прямого тока эмиттера, называют временем рассасывания( на рис. 3.22, б). В некоторый момент времени концентрации неосновных носите­лей в базе около p-n-переходов коллектора и эмиттера достигают нуля. С этого момента токи коллектора и эмиттера будут умень­шаться со временем, так как процесс рассасывания неосновных носи­телей продолжается и уменьшается абсолютное значение градиентов концентрации неосновных носителей около соответствующих р-n-переходов. Изменения в распределении неосновных носителей за­ряда в базе транзистора в различные моменты времени процесса рассасывания показаны на рис. 3.22 г. Скорость уменьшения тока коллектора в процессе рассасывания характеризуется длительностью заднего фронта .

Значения времени рассасывания и длительности заднего фронта импульса тока коллектора зависят от величины обратного тока эмиттера I_Э2 и от частотных свойств транзистора, т. е. опре­деляются его геометрией и временем жизни неосновных носителей в базе. Время рассасывания зависит также от величины прямого тока эмиттера I_Э1, т. е. от полного количества неосновных носителей заряда, накопленных в базовой области до переключения.

Увеличить быстродействие транзистора, работающего в качестве
переключателя, т. е. уменьшить время рассасывания можно
путем введения в исходный монокристалл полупроводника примесей
рекомбинационных ловушек (золото для кремния). При этом будет
уменьшено время жизни неосновных носителей заряда.

Однако наряду с высоким быстродействием такие транзисторы обладают
и рядом недостатков. Во-первых, коэффициенты передачи тока у них
оказываются меньше из-за более интенсивной рекомбинации неоснов­ных, носителей в базе транзистора. Во-вторых, обратный ток
коллектора у них оказывается больше из-за более интенсивной тепловой
генерации носителей заряда в электронно-дырочном переходе
коллектора и в прилегающих к нему областях базы и коллектора.
В-третьих, у них оказывается большая зависимость времени­
рассасывания от температуры из-за сильной зависимости времени
жизни от температуры.

3.9.2. Схема с общим эмиттером

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, при работе на импульсах с большой амплитудой происходят те же про­цессы накопления неосновных носителей заряда в базе и их расса­сывания. На рис. 3.24, а, б показаны временные зависимости тока базы и тока коллектора при включении транзистора по схеме с общим эмиттером.

Рис. 3.24

Особенностью временной зависимости в этом случае, по сравнению с аналогичной зависимостью для схемы с общей базой, является скачкообразное увеличение тока коллектора при перемене направления входного тока базы с до . Входному току соответствует отрицательный потенциал базового вывода по отношению к общему эмиттерному выводу (рис. 3.25).

Рис. 3.25