Транзистор в режиме переключения

В ключевых схемах транзистор может быть включен как по схеме с общим эмиттером, так и по схеме с общей базой. Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером (она аналогична по структуре схеме резистивного усилителя) (рис.1).

При работе транзистора в ключевой схеме различают два устойчивых состояния: открытое и закрытое. Этим состояниям соответствуют режимы насы щения и отсечки транзистора. Во время перехода из одного состояния в другое транзистор находится в активном режиме.

Исходное состояние (закрытое) обеспечивается подачей в цепь базы запирающего напряжения. Кремниевые транзисторы имеют четко выраженное пороговое напряжение и практически закрыты при U_бэ=0, т.е. не требуют дополнительного источника смещения. Рассмотрим режимы работы транзистора на его выходных статических характеристиках (рис.2), где построена нагрузочная характеристика транзистора.

Закрытому состоянию транзистора соответствует точка А, когда через транзистор протекают малые по величине обратные токи: I_б=I_кб0, I_к=I_кб0. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора практически мало отличается от Е_к(Uк≈E_к).

В открытом состоянии (точка Б) на вход схемы подается положительное напряжение, при котором транзистор переходит в режим насыщения. В цепи коллектора при этом протекает максимальный ток (ток насыщения)

Остаточное напряжение на коллекторе становится близким к нулю (для кремниевых транзисторов U_кэ≤ 0.3В для германиевых U_кэ≤ 0.1В).

U_{кэ нас} = E_к-I_{к нас}∙ R_к.

Для обеспечения открытого состояния в цепи базы должен протекать ток, минимальное значение которого, называемое граничным током базы, равно

В - коэффициент передачи постоянного тока в режиме большого сигнала (В на 10-40% меньше, чем β_ст). Если I_б>I_{б гр}, то величина I_{к нас} и U_{к нас} практически не меняются , но степень насыщения базы неосновными носителями возрастает.

Практически выбирают I_б>I_{б гр}, чтобы надежно обеспечить режим насыщения при изменениях температуры окружающей среды и скомпенсировать разброс В.

Напряжение на базе включенного транзистора мало, поскольку оно определяется прямым напряжением открытого эмиттерного перехода U_{бэ нас}. Величина его у маломощных кремниевых транзисторов ≈0.9В, у мощных - единицы вольт.

Напряжение на коллекторном переходе, равное U_кп=U_к-U_б оказывается прямым, т.к. напряжение базы имеет большую величину, чем напряжение коллектора. Поэтому коллекторный переход открывается и начинается инжекция носителей из коллектора в базу.

Таким образом, в данном режиме электроны инжектируются в базу из обоих переходов - эмиттерного и коллекторного (режим двойной инжекции). Чем меньше напряжение на коллекторе открытого транзистора U_кн, тем выше качество транзистора, как ключа. Переход из режима отсечки в режим насыщения и обратно соответствует перемещению рабочей точки из положения А в положение Б и обратно. Это активный режим, который используется при работе транзистора в усилительных каскадах.

При практическом использовании транзистора большое значение имеет скорость переключения, обусловливающая быстродействие аппаратуры. Скорость переключения в основном определяется процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе, а также от заряда и разряда барьерных емкостей переходов транзистора.

Рассмотрим процессы происходящие в транзисторе при переключении. Если на вход не поступает импульс, то транзистор находится в режиме отсечки, накопленный заряд в базе примерно равен нулю (рис.3).

При поступлении на вход схемы импульса происходит перезаряд емкости эмиттерного перехода. При этом эмиттерный переход остается закрытым. Этот процесс происходит в течение времени называемого временем задержки включения. Обычно это время очень мало (дес.доли, единицы наносекунд) и им пренебрегают.

В момент времени t₁ открывается эмиттерный переход и транзистор переходит в активный режим, в базе начинает накапливаться неравновесный заряд, появляется ток коллектора. Ток коллектора начинает постепенно нарастать, достигая значения I_кн за время t_н (время нарастания). Это время определяется скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда емкости коллектора. Как только накопленный заряд достигает значения Q_гр ток коллектора достигает значения I_кн, при этом коллекторный переход открывается и транзистор переходит в режим насыщения.

Изменение напряжения на коллекторе за время включения соответствует изменению коллекторного тока. Таким образом, время включения транзистора включает в себя время задержки и время нарастания и равно:

t_вкл = t_з + t_н

Практически оно может иметь величину от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд (т.Б; U_к = U_кн (0.1-0.3)В; I_б≥ I_бн). В режиме насыщения в базе накапливается избыточный заряд за счет инжекции носителей через оба перехода: эмиттерный и коллекторный.

После подачи на вход запирающего импульса (или сделать I_б=0) начинается рассасывание избыточного заряда через эмиттерный (если подан запирающий импульс) и коллекторный переходы, а также за счет рекомбинации носителей в базе.

Ток коллектора сохраняет значение равное I_кн до того момента, пока накопленный заряд не уменьшится до значения равного Q_гр (т.е. пока не рассосется избыточный заряд за счет ухода носителей из базы и рекомбинации).

Таким образом, в течение времени t_р (времени рассасывания) ток коллектора не изменяется. Это время зависит от величины избыточного заряда, оно тем больше, чем больше степень насыщения. Как только рассосется избыточный заряд, ток коллектора начинает постепенно спадать до нуля. Время, в течение которого ток коллектора уменьшается до нуля, называется временем спада t_с. За это время транзистор возвращается из режима насыщения через активный режим в исходное состояние - в режим отсечки и вновь запирается.

Полное время выключения транзистора: t_выкл = t_р + t_с может иметь величину до нескольких микросекунд. Таким образом, скорость переключения зависит от многих факторов, в частности от степени насыщения транзистора, величин емкостей переходов, толщины базы и времени жизни неравновесных носителей заряда.

Ключевые транзисторы описываются своими, отличными от усилительных транзисторов параметрами, характеризующими их быстродействие. По этой причине промышленностью выпускается ряд транзисторов, специально предназначенных для работы в ключевом режиме.

Однако конструктивно-технологические меры, обеспечивающие высокое быстродействие ключевых транзисторов, практически такие же, как и для усилительных транзисторов. Так для биполярных ключевых транзисторов это уменьшение емкостей переходов, неравновесного заряда базы, эффективного времени жизни неравновесных носителей заряда.

Таким образом, при работе в режиме переключения транзистор находится в двух режимах: отсечки или насыщения. И только в моменты переключения из одного состояния в другое он работает в активном режиме.