Ключ-теория (1075430), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

U_н = [R_н / ( R_н + R_к)] (14)

Чтобы выходное напряжение U_н как можно меньше отличалось от напряжения источника питания E, сопротивление нагрузки R_н должно быть больше сопротивления коллекторной цепи R_к. Обычно его выбирают из условия:

R_к £ 0,1R_н (15)

Таким образом, когда электронный ключ находится в одном из стационарных состояний, транзистор работает либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения. Время переключения из одного режима в другое определяется процессами накопления и рассасывания неравновесных зарядов в базе и коллекторе транзистора, эмиттерном и коллекторном переходах.

Рис.5.

На рис.5а. показано распределение зарядов в транзисторе в режиме отсечки. В эмиттерном и коллекторном переходах находятся нескомпенсированные пространственные заряды неподвижных ионов примесей (доноров и акцепторов), появляющиеся вследствие диффузионного перемещения основных носителей в области р-n перехода.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении, и в области базы за счет инжекции основных носителей заряда из эмиттерной и коллекторной областей, накапливается большой неравновесный заряд насыщения Q_нас (рис.5б.). В дрейфовых транзисторах, у которых коллекторная область является высокоомной, инжектируется в значительном количестве носители и в коллекторную область, где также накапливается неравновесный заряд Q_к.нас.

Рассмотрим переходные процессы в транзисторе при его переходе из режима отсечки в режим насыщения и обратно. Пусть в момент времени t=0 во входной цепи импульсное напряжение отсутствует, поэтому U_вх = -E_бэ, которое поддерживает транзистор в режиме отсечки (рис.6,а). В базе и коллекторе протекает малой величины тепловой ток I_кбо коллекторного перехода (рис.6,б и в), а напряжение на выходе ключевой схемы практически равно U_кэ = E.

В момент времени t = t₁ на вход подается прямоугольный импульс напряжения с амплитудой Е₁, при этом U_вх = (E₁–E_бэ), которое на рис. 6,а отложено вверх, а обратное напряжение, равное E_бэ, — вниз.

График входного базового тока показан на рис. 6, б. Форма и величина импульса прямого тока базы I_б определяется в основном входным импульсным напряжением E₁. Действительно, ток в базе транзистора и через резистор R_б один и тот же, поэтому его можно определить как

I_б = [(E₁ – E_бэ) - U_бэ ] / R_б » (E₁ – E_бэ) / R_б (16)

при условии, что U_аб = (E₁ – E_бэ) >> U_бэ. Напомним, что прямое напряжение на р-n переходе для кремниевых полупроводников < 0,9В, а для германиевых < 0,4В.

При прямоугольной форме входного импульса, импульс коллекторного тока (рис. 6, в) появляется с задержкой t_з = t₂ - t₁, определяемой главным образом скоростью нарастания напряжения U_бэ на эмиттерном переходе. Если до прихода импульсного напряжения U_бэ » -E_бэ, то с переходом транзистора в режим насыщения в стационарных условиях оно становится равным U_бэ.нас. Каждому напряжению на р-n переходе соответствует определенное распределение носителей заряда в нем и прилегающих областях полупроводника. Для перераспределения зарядов необходимо определенное время, которое эквивалентно времени перезаряда емкости эмиттерного перехода током базы. Отсюда время задержки можно определять как время перезаряда емкости эмиттерного перехода от напряжения U_бэ » -E_бэ до U_бэ(t) ³ 0.

Рис.6.

В момент времени t₂ напряжение эмиттерного перехода становится положительным U_бэ(t) ³ 0, и транзистор выходит из режима отсечки. С этого момента появляется ток коллектора I_к, который плавно нарастает и за время нарастания t_н = t₃ - t₂ достигает тока насыщения I_кн (рис.6, в). В течение этого отрезка времени транзистор находится в активном режиме, а само время определяется скоростями накопления неравновесного заряда в базе и разряда емкости коллектора. Поэтому полное время включения транзистора состоит из времени задержки t_з и времени нарастания t_н:

t_вкл = t_з + t_н (17 )

С переходом в режим насыщения процесс накопления избыточной концентрации неосновных носителей зарядов в базе продолжается до тех пор, пока скорость нарастания не сравняется со скоростью убывания. Приток неосновных носителей в базу происходит за счет инжекции их эмиттерным и коллекторным токами, а убывание определяется процессами рекомбинации. На рис. 6, г показаны изменения концентрации неосновных носителей в базе при длительностях импульсного напряжения, превышающих длительность переходного процесса накопления зарядов.

В момент времени t₄ импульс входного напряжения заканчивается и во входной цепи действует только источник напряжения Е_бэ, смещающий эмиттерный переход в обратном направлении. Но за время действия входного импульса в области базы, граничащей с эмиттерным переходом, накапливается большой избыточный заряд неосновных носителей. Поэтому в момент времени t₄ ток в эмиттерном переходе, меняя свое направление, остается большой величины. На первом этапе, после переключения, обратный ток базы I _б,обр практически ограничен сопротивлением резистора R_б:

I _б,обр= E_бэ / R_б (18 )

Обратный ток эмиттерного перехода способствует выводу неосновных носителей из базовой области. Пока их концентрация на границе с эмиттерным переходом превышает равновесное значение, ток I _б,обр в базе остается неизменным. Дальнейшее рассасывание неосновных носителей приводит к увеличению обратного сопротивления эмиттерного перехода и уменьшению тока базы до установившегося значения, равного тепловому току коллекторного перехода (рис.6. б).

В течении времени (t₅ – t₄) ток коллектора также сохраняет свою прежнюю величину, так как концентрация неосновных носителей в приграничной зоне базы с коллекторным переходом остается больше равновесного значения. Время t_р = t₅ - t₄ принято называть временем рассасывания неосновных носителей базы. Концентрация носителей заряда мгновенно измениться не может, поэтому и коллекторный ток не меняет мгновенно свое значение. Лишь после того как неравновесный заряд у коллекторного перехода рассосется за счет ухода их из базы и рекомбинации, ток коллектора начинает постепенно спадать, достигая за время спада t_с установившегося значения I_кбо. Таким образом, полное время выключения транзистора состоит из времени рассасывания неосновных носителей и времени спада коллекторного тока:

t_выкл = t_р + t_с (19)

Для определения времени включения и выключения обратимся к зарядовой модели транзистора. Электрический заряд базы транзистора со структурой n-p-n состоит из отрицательных зарядов ионов акцепторов Q_а, отрицательных свободных электронов Q_n и положительного заряда дырок Q_р. Так как база остается электрически нейтральной (суммарный заряд равен нулю), то можно записать:

Q_а + Q_n = Q_р (20 )

Данное соотношение должно выполняться в любой момент времени, откуда следует:

dQ_а/dt + dQ_n/dt = dQ_p/dt (21)

Изменение заряда акцепторов dQ_а связано с изменением толщины эмиттерного (dQ_а.э ) и коллекторного (dQ_а.к ) переходов под действием приложенного напряжения:

dQ_а/dt = dQ_а.э/dU_эб _dU_эб /dt + dQ_а.к/dU_кб _dU_кб/dt (22)

Учитывая, что dQ_а.э/dU_эб = С_э и dQ_а.к/dU_кб = С_к есть барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов соответственно, можно записать:

dQ_а/dt = С_э_dU_эб /dt + С_к _dU_кб /dt (23)

Изменение зарядов дырок Q_p обусловлено током базы I_б и рекомбинацией избыточных неосновных носителей заряда в базе, скорость которой прямо пропорциональна величине заряда Q_n и обратно пропорционально времени жизни неосновных носителей заряда в базе t_n :

dQ_p/dt = - Q_n / t_n + I_б (24)

Тогда соотношение (21) принимает вид

С_э _dU_эб/dt + С_к _dU_кб/dt + dQ_n/dt + Q_n / t_n = I_б (25)

Если неравновесный заряд Q_к накапливается также в области коллектора (дрейфовые транзисторы), то в уравнение (25) должны быть включены дополнительные члены, учитывающие его изменение:

С_э _dU_эб/dt + С_к _dU_кб/dt + dQ_p/dt + Q_n / t_n + Q_к / t_к = I_б (26)

Обозначив Q_n + Q_к = Q и введя эффективное время жизни t_б неравновесных носителей заряда, получим

С_э _dU_эб/dt + С_к _dU_кб/dt + dQ/dt + Q / t_б = I_б (27)

Данное соотношение представляет собой уравнение заряда, с помощью которого можно проанализировать переходные процессы в транзисторе. Однако для вычисления токов необходимо установить связь между зарядом Q и токами в транзисторе.

При активном режиме работы транзистора неравновесный заряд неосновных носителей в базе связан с эмиттерным током I_э и временем пролета t_пр носителем по базе соотношением

Q_n = I_э t_пр = I_э / w_a , (28)

где w_a = 1/t_пр — предельная частота коэффициента передачи тока транзистора в схеме с общей базой.

Связь между неравновесным зарядом и током базы получим из соотношения (27), рассмотрев стационарный режим, когда все производные обращаются в нуль. Тогда

Q @ Q_n = I_б  t_б (29)

С учетом (28 ) получаем

t_б = Q_n / I_б = I_э / I_б w_a = 1 / (1- a)w_a =1/w_b (30)

На первом этапе включения, когда напряжение на эмиттерном переходе возрастает от E_бэ до напряжения отсечки U_бэо входной характеристики, транзистор находится в режиме отсечки. Поэтому неравновесный заряд базы приблизительно равен нулю и его изменением по сравнению с изменением зарядов эмиттерного и коллекторного переходов можно пренебречь. В таком случае уравнение заряда примет вид:

С_э _dU_эб/dt + С_к _dU_кб/dt = I_б.пр (31 )

В режиме отсечки напряжение U_кэ постоянно и равно напряжению источника питания E_пит. Но напряжение U_кб на коллекторном переходе изменяется за счет изменения напряжения базы на ту же величину, что и напряжение U_эб на эмиттерном переходе. Поэтому, если принять в первом приближении независимость барьерных емкостей С_э и С_к от напряжения на переходе, решение уравнения имеет вид

t_з = (С_э + С_к )( E_бэ + U_бэо) / I_б.пр (32)

Характеристики

Список файлов лабораторной работы