Статические состояния транзистора в схеме с ОЭ

ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ

Электронные ключи на биполярных транзисторах

Области работы транзистора

В зависимости от полярности напряжений на переходах U_эб и U_кб различают четыре области:

1) Область отсечки токов

+ – – +   n+ p n     pэ nб pк   xэ 0 w xб xк

Оба перехода смещены в обратном направлении: U_эб < 0 и U_кб < 0. Через оба перехода происходит экстракция неосновных носителей заряда. Поэтому на границах перехода в области базы их концентрация ниже равновесной:

2) Активная область

– + – +   n+ p n     pэ nб pк     xэ 0 w xб xк

Эмиттерный переход смещен в прямом (U_эб > 0), а коллекторный переход – в обратном направлении (U_кб < 0). Эмиттерный переход работает в режиме инжекции электронов из эмиттера в базу, а коллекторный – в режиме экстракции электронов из базы в коллектор. Концентрация неосновных носителей на границах эмиттерного перехода выше равновесной, а на границах коллекторного перехода ниже равновесной:

По базе концентрация электронов убывает приблизительно по линейному закону:

.

3) Область насыщения

Оба перехода транзистора смещены прямо: U_эб > 0 и U_кб > 0. Через оба перехода происходит инжекция неосновных носителей в базу. По всей толщине базы их концентрация выше равновесной:

– + + –   n+ p n     pэ nб pк   xэ 0 w xб xк

4) Инверсная активная область

Эмиттерный переход смещен в обратном направлении (U_эб < 0), а коллекторный – в прямом (U_кб > 0). Происходит инжекция электронов из коллектора в базу и экстракция их из базы в эмиттер. Это состояние в некоторых схемах соответствует переходному режиму транзистора.

Статические состояния транзистора в схеме с ОЭ

UП   Rk Ik   Rб Iб Uкэ   Uвх Uбэ

За положительные принимаем направления токов базы, коллектора и эмиттера в открытом транзисторе, т.е. в нормальном активном режиме и в области насыщения.

Точка 1 на пересечении линии нагрузки и выходной характеристики при I_б = –I_кбо соответствует состоянию глубокой отсечки, т.е. закрытому транзистору.

Ik   2 Iк.нас         Iб =0 1 Iб = –Iкбо   0 Uкэ.нас Uкэ.з UП Uкэ

Для этого на входе должно быть запирающее напряжение U_вх < 0. Если ½U_бэ½>>j_т и ½U_кэ½>>j_т , то коллекторный ток закрытого транзистора I_к.закр @ I_кбо . Ток базы I_б.закр @ – I_кбо . Ток эмиттера практически отсутствует. Транзистор в области отсечки можно представить эквивалентной схемой в виде генератора тока I_кбо .

+UП Rк     Iкбо   Б Uкэ.закр   Э

Выходное напряжение

U_{кэ.закр} =U_П – I_кбо R_к @ U_П .

Между состоянием глубокой отсечки и открытым состоянием находится промежуточная область неглубокой отсечки, когда напряжение U_бэ близко к нулю.

Iк Iк.нас 0 Iб.гр Iб Uкэ UП 0 Uкэ.нас Iб

Точка 2 на пересечении линии нагрузки и линии критического режима соответствует открытому состоянию транзистора в области насыщения: ток коллектора максимален I_к = I_к.нас , а напряжение минимально U_кэ = U_кэ.нас и составляет десятые доли вольта.

При увеличении тока базы рабочая точка перемещается по линии нагрузки от 1 к 2, при этом ток I_к растет, а напряжение U_кэ уменьшается. При I_б = I_б.гр достигается граница активной области и области насыщения. Ток I_к.нас ограничен внешней цепью:

На грани насыщения потенциал базы равен потенциалу коллектора, т.е. U_кб =0,

а при насыщении потенциал коллектора U_кэ.нас опускается ниже потенциала базы U_бэ.нас.. Значение граничного тока базы, при котором наступает насыщение, равно

Степень насыщения характеризует запас тока базы по сравнению с граничным:

Эквивалентная схема насыщенного транзистора

Точная схема

Приближенная схема

К К Uбэ.нас + Uкэ.нас + – – Б Б Э Э

Основные параметры ключа

1. Входной ток закрытого транзистора

I_б.закр = –I_кбо .

2. Входное напряжение для надежного запирания транзистора

3. Выходное напряжение на коллекторе закрытого транзистора

U_{кэ.закр} = U_П – I_кбо R_к » U_П .

4. Входной ток, необходимый для насыщения транзистора,

I_б.нас > I_б.гр .

5. Максимальный ток коллектора насыщенного транзистора

I_к.нас » U_П /R_к .

6. Напряжение на коллекторе насыщенного транзистора

U_кэ.нас » 0,1¸ 0,5 В.

7. Выходное сопротивление ключа в открытом состоянии мало (десятки Ом), а в закрытом – велико (R_{вых.закр} » R_к ).

Метод заряда базы

Это математический аппарат для анализа переходных процессов при переключениях транзистора. Втекающий в базу транзистора (n–p–n) ток вносит в нее положительный заряд:

.

Поступление заряда из внешней цепи компенсирует накопление в базе отрицательного заряда неосновных носителей (электронов) , потери на рекомбинацию и изменение суммарного заряда примесных ионов (в данном случае отрицательных акцепторных) из-за изменения толщины базы, что можно трактовать как изменение заряда в эмиттерном и коллекторном переходах ( ).

Таким образом, существует баланс между поступающим в базу положительным зарядом и суммарным отрицательным зарядом в базе. Первое уравнение заряда:

.

В этой формуле Q_б – суммарный заряд неосновных носителей в базе; t_б – время жизни неосновных носителей в базе. Время жизни в режиме насыщения t_б.н меньше, чем в активном режиме t_б.а .

Универсальное первое уравнение заряда можно упростить для конкретных режимов. Так, в активном режиме пренебрегаем изменением толщины эмиттерного перехода:

.

А в области насыщения можно не учитывать и влияние коллекторного перехода:

.

Зная закон изменения тока базы и начальное значение заряда в базе при t =0, можно, решив уравнение заряда, найти закон изменения заряда в базе. В частности, в установившемся режиме при постоянном токе базы Q_б (t®µ)=I_б t_б . Если ток базы имеет вид скачка i_б (t)=I_б× 1(t), то заряд в базе нарастает по экспоненте:

.

iб Iб t 0 Qб Qб (µ)=Iб. tб Qб.гр=Iб.гр tб t 0 t 2 t 3t

Если ток базы больше граничного, то вначале заряд достигает граничного значения, равного Q_б.гр=I_б.гр t_б , а затем продолжает расти и транзистор входит в насыщение. Степень насыщения

.

В общем случае уравнение заряда удобно решать с помощью операторного метода. Подставив

,

получим

nб База nб(0) Qб 0 w

Для активной области справедливо так же и второе уравнение заряда, которое связывает ток коллектора с неравновесным зарядом в базе.

Суммарный неравновесный заряд в базе

.

Ток коллектора

.

Отсюда видно, что ток коллектора прямо пропорционален заряду в базе:

,

где – время диффузии неосновных носителей через базу.

Напомним, что t_D » t_a , а t_b » bt_a .

В активном режиме при скачке тока базы и ток коллектора, и заряд в базе изменяются одинаково по экспоненциальному закону:

Отсюда следует, что t_b =t_б. Поэтому другая форма уравнения заряда имеет вид