Робота транзистора в імпульсному режимі

 

Транзистор часто використовують в імпульсних пристроях та в якості транзисторного ключа. При роботі транзистора в імпульсних пристроях від нього, як правило, вимагається неспотворене відтворення підсиленого імпульсу на виході. Робота транзистора при підсиленні малих імпульсних сигналів в принципі нічим не відрізняється від роботи транзистора при підсиленні слабких синусоїдальних сигналів. Імпульс можна представити у вигляді суми ряду гармонічних складових і знаючи частотні властивості транзистора, визначити спотворення форми імпульсу, які можуть мати місце при підсиленні. Робота транзистора при підсиленні великих імпульсних сигналів відрізняється тим, що транзистор в цьому випадку може виявитись не тільки в активному режимі, але і в режимі відсікання та насичення.

При роботі транзистора в якості транзисторного ключа необхідно щоб опір транзистора на виході, тобто в колі навантаження, різко змінювався під впливом вхідного керуючого імпульсу. Для цього амплітуда вхідних імпульсів повинна бути достатньою для переведення транзистора з режиму відсікання в активний режим роботи та далі в режим насичення, а також в зворотному напрямку.

Розглянемо процеси, що відбуваються в транзисторі, який ввімкнено по схемі зі спільною базою, при проходженні через емітер імпульсу струму тривалістю в прямому напрямку с наступною зміною на зворотній.

В початковому стані транзистор знаходиться в режимі відсікання, тобто емітерний і колекторний переходи зміщені в зворотному напрямку.

Після подачі через емітер імпульсу струму в прямому напрямку
(рис. 3.10,а) струм колектора з’являється не відразу, оскільки необхідний деякий час на перезаряд бар’єрних ємностей емітерного та колекторного переходів, а також на переміщення інжектованих неосновних носіїв заряду до колекторного переходу (рис. 3.10,б). Інтервал часу між моментом подачі на вхід транзистора імпульсу струму і моментом досягнення вихідним струмом значення, яке відповідає 10 % його амплітуди називають часом затримки для біполярного транзистора t_затр.

В подальшому продовжується процес перезарядки бар’єрної ємності емітерного переходу, що приводить до збільшення напруги на емітерному переході та збільшення граничної концентрації неосновних носіїв в базовій області біля емітерного переходу (рис. 3.10). Збільшення градієнта концентрації неосновних носіїв заряду біля емітерного переходу відповідає збільшенню інжекційної складової струму емітера. Ємнісна складова струму емітера по мірі заряду бар’єрної ємності емітерного переходу зменшується, тому повний струм емітера І_Е1 залишається незмінним. Його значення визначається параметрами генератора струму в вхідному колі транзистора.

В зв’язку зі збільшенням інжекційної складової струму емітера відбувається процес накопичення неосновних носіїв заряду в базі транзистора (рис. 3.10 криві 2-5). Цей процес також відбувається не миттєво, оскільки швидкість руху неосновних носіїв заряду в базі скінчена.

В процесі накопичення неосновних носіїв заряду збільшується градієнт їх концентрації біля колекторного переходу, що відповідає збільшенню колекторного струму. При великих значеннях струму емітера І_Е1, струм колектора обмежений не струмом емітера, а параметрами вихідного колекторного кола. Емітер інжектує в базу таку кількість неосновних носіїв заряду, яку колекторний перехід не може екстрагувати при заданому значенні опору навантаження та ЕРС джерела живлення в колі колектора. Тому в базі транзистора біля колекторного переходу починає збільшуватись гранична концентрація неосновних носіїв заряду. Коли ця гранична концентрація неосновних носіїв перевищить значення рівноважної концентрації неосновних носіїв заряду, транзистор перейде з активного режиму в режим насичення. В цей момент (рис. 3.10, а, крива 4) струм колектора визначається за виразом

 

І_кнас . (3.6)

 

Рисунок 3.10 – Перерозподіл струму в транзисторі, який ввімкнено по схемі зі спільною базою, при проходженні через емітер імпульсу струиму

 

В дійсності значення встановленого струму колектора транзистора, що знаходиться в режимі насичення, дещо перевищує значення струму насичення, обчисленого по формулі (3.6), оскільки крім ЕРС джерела живлення потрібно враховувати ще падіння напруги на об’ємному опорі бази. При проходженні через емітер струму в прямому напрямку падіння напруги на обємному опорі бази додається з ЕРС джерела живлення в колекторному колі І_к = І_кнас = (Е_кб + U₁) / R_н.

 

 

а) б)

Рисунок 3.11 – Зміна концентрації носіїв заряду в базовій області: при подачі прямого імпульсу – а; зворотного – б.

 

Інтервал часу, на протязі якого струм колектора наростає від 10% до 90% його амплітуди, називають часом наростання для біпрлярного транзистора t_пр. Інтервал часу, який є сумою часу затримки і часу наростання називається часом включення біполярного транзистора t_вмк. Час вмикання залежить від амплітуди імпульсу прямого струму емітера і від частотних властивостей транзистора, а також від Е_кб і R_н.

В момент зміни напрямку струму емітера відбувається зміна полярності падіння напруги на об’ємному опорі бази. При цьому стрибкоподібно зменшується значення струму колектора до величини

 

= (Е_кб – ₂)/R_н .

 

Одночасно починається процес розсмоктування неосновних носіїв, накоплених в базі транзистора. В перший момент після зміни напрямку струму емітера граничні концентрації неосновних носіїв в базі біля р-n переходів великі, вони перевищують значення рівноважної концентрації неосновних носіїв. Тому опори цих переходів для зворотних струмів виявляються дуже малими. Значення зворотних струмів емітера і колектора визначаються в основному опорами в зовнішніх колах та ЕРС джерел живлення. Граничні концентрації неосновних носіїв в базі біля р-n переходів не можуть миттєво після перемикання входу транзистора зменшитись до нуля. Це відповідало би нескінчено великим градієнтам концентрації неосновних носіїв заряду в базі біля р-n переходів та нескінченно великим струмам, що практично нереально через кінцеві опори в зовнішніх колах транзистора. До тих пір поки в процесі розсмоктування граничні концентрації неосновних носіїв заряду в базі біля р-n переходів не зменшаться до нуля, зворотні струми через відповідні переходи будуть залишатися постійними, тобто струми емітера і колектора будуть незмінними поки транзистор буде знаходиться в режимі насичення.

Після зменшення граничних концентрацій неосновних носіях в базі біля переходів до нуля будуть зменшуватись з часом струми емітера і колектора, оскільки процес розсмоктування неосновних носіїв заряду з бази продовжується та зменшується абсолютне значення градієнтів концентрації неосновних носіїв заряду біля відповідних переходів. Зміни в розподілі неосновних носіїв в різні моменти часу процесу розсмоктування приведені на рис. 3.10.

Інтервал часу між моментом подачі на вхід від’ємного імпульсу і моментом коли струм колектора досягає 0,9І_кнас називають часом розсмоктування для біполярного транзистора t_роз. Інтервал часу між моментом спаду вихідного струму від значення, що відповідає 90 % його амплітуди до значення, що відповідає 10 % його амплітуди, називають часом спаду для біполярного транзистора t_сп. Інтервал часу між моментом подачі від’ємного імпульсу на вхід и моментом коли струм досягне значення, що відповідає 10 % його амплітуди, називають часом вимкнення біполярного транзистора t_вимк. Всі ці часи залежать від амплітуди імпульсу прямого вмикаючого струму емітера, від ЕРС джерела живлення и опору навантаження в колекторному колі, а також від частотних властивостей транзистора.

Збільшити швидкодію транзистора, що працює в режимі ключа, тобто зменшити час розсмоктування, можна шляхом введення в кристал напівпровідника домішок рекомбінаційних пасток (золото для кремнію). При цьому зменшується час життя неосновних носіїв заряду. Однак в таких транзисторах буде зменшуватись коефіцієнт передачі струму через більш інтенсивну рекомбінацію неосновних носіїв в базі транзистора. По-перше, у них буде більший зворотній струм колектора і емітера через більш інтенсивну теплову генерацію носіїв заряду в колекторному та емітерному переходах, а також суміжних до них областях.

Більш вдалим методом підвищення швидкодії транзистора, що працює в якості електронного ключа, є шунтування колекторного переходу діодом Шоткі, в якому при прямому зміщенні відсутні інжекція неосновних носіїв заряду та їх накопичення.