1.1.4. Выводы

Ключевой режим транзистора заключается в быстрой смене замкнутого состояния разомкнутым и наоборот.

В разомкнутом состоянии ключа транзистор закрыт. Этот режим в ключах называется режимом отсечки. Основным дестабилизирующим фактором в этом режиме является I_к0 , возрастающий с ростом температуры. Режим отсечки германиевых транзисторов надежно обеспечивается только при наличии источника смещения. В ключах на кремниевых транзисторах источник смещения не требуется ввиду малой величины I_к0 и наличия "пятки" входной вольт-амперной характеристики.

В замкнутом состоянии ключа транзистор полностью открыт. Этот режим транзистора в ключах характеризуется коэффициентом насыщения, величиной, равной или большей единицы. Насыщенное состояние ключа обеспечивается соответствующим током базы от источника входного сигнала.

При расчете элементов схемы насыщенного ключа на германиевом транзисторе он может быть представлен точкой.

При расчете насыщенного ключа на кремниевом транзисторе необходимо учитывать остаточные напряжения между базой-эмиттером и коллектором-эмиттером, которые могут достигать 2,5 В.

В насыщенных ключах транзисторы обладают усилительными свойствами только на этапах перехода из режима отсечки в режим насыщения и наоборот.

1.2.Переходные процессы в ключе "оэ" при управлении от источника тока

1.2.1.Сущность метода заряда

Анализ переходных процессов в транзисторе наиболее нагляден при применении метода заряда. Рассмотрим процессы в бездрейфовом (диффузионном) транзисторе p-n-p типа (см. рис. 10). В активном режиме при наличии источников питания распределение концентрации неосновных носителей в базе (дырок) p по координате х представлено прямой: на границе база-коллектор (х= W) дырки под действием электрического поля увлекаются в коллекторную область, поэтому их концентрация примерно равна нулю. На границе эмиттерного перехода (х = 0) концентрация дырок максимальна. Таким образом, при подключении источников, показанных на рис. 10, в базе начинается диффузия дырок от э миттера к коллектору. Этому соответствует электрический ток:

где q_о - заряд дырки (электрона);

D_p – коэффициент диффузии дырок,

S - площадь поперечного сечения базы. Градиент изменения концентрации при i _(x=0) ≈ i_э; i _{(x = w)} = i_к равен:

где W – ширина базы, т.е. концентрация носителей уменьшается по линейному закону.

Ток коллектора пропорционален заряду базы:

i_к = q_б / τ_α,

где τ_α = W² / 2D_p (η + 1) - конструктивный параметр, имеющий размерность времени. Он характеризует быстродействие транзистора (его постоянную времени) и связан с временем пролета или с временем жизни неосновных носителей в базе при включении по схеме "ОБ".

Коэффициент η характеризует ускоряющее действие поля в базе. В диффузионных транзисторах η = 0; в дрейфовых η > 0.

В паспортных данных транзистора обычно приводится граничная частота усиления тока транзистора в схеме "ОБ" - f_α . Тогда для определения τ_α можно использовать связь между переходной и частотной характеристикой:

τ_α = 1 / 2π f_ .

В схеме ОЭ i_к = βi_б, поэтому

i_б = q_б / β τ_α = q_б / τ_β ,

где τ_β = β τ_α.

Постоянная времени транзистора τ_β в схеме ОЭ в десятки раз превышает постоянную времени τ_α : большой коэффициент усиления базового тока в схеме ОЭ достигается ценой ухудшения ее переходных и частотных свойств.

В стационарном режиме неравновесный заряд дырок как в активной области, так и в области насыщения пропорционален базовому току:

Q_б = τ_β I_б.

Граничный заряд, соответствующий переходу транзистора из нормального активного режима в режим насыщения, имеет следующую величину:

При насыщении ключа в базе появляется избыточный заряд:

q_изб. = q_б - Q_гр.

Коэффициент насыщения характеризует относительную величину этого избыточного заряда:

S₁ = q_б / Q_гр = 1 + q_изб / Q_гр.

На рис. 10 показано распределение концентрации дырок (а значит и заряда) для разных режимов работы транзистора.

Ток базы транзистора в установившемся режиме есть поток электронов, восполняющих уменьшение заряда электронов в базе за счет рекомбинации.

Помимо изменения заряда неосновных носителей в базе в результате диффузии и рекомбинации, происходит также изменение заряда емкостей переходов Ск и Сэ. Однако, в отличие от обычных конденсаторов, имеет место нелинейная зависимость заряда емкости перехода от напряжения.

В расчетах переходных процессов используют усредненную емкость коллекторного перехода, которая определяется из соотношений:

- для бездрейфовых транзисторов

- для дрейфовых транзисторов

Здесь Ск₁ при соответствующем U_{к 1} – параметры, приводимые в справочниках.

Т аким образом, введенные упрощения позволяют описать изменение заряда неосновных носителей в базе транзистора в переходном процессе линейным дифференциальным уравнением: