1.1.18. Переходные процессы в биполярном транзисторе

Рассмотрим переходные процессы при переключении ключа из состояния “выключено” в состояние “включено” и обратно. На рис. 21 приведены временные диаграммы напряжений, токов и накопленного заряда при включении и выключении транзисторного ключа.

В исходном состоянии на базу транзистора подано запирающее напряжение –E^_Б. Процесс отпирания транзистора при подаче отпирающего напряжения +E⁺_Б можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление заряда. Этап: задержки фронта обусловлен заряжением входной емкости запертого транзистора от значения –E^_Б до напряжения отпирания эмиттерного перехода U^ (для кремниевого транзистора U^0,6В для германиевого U^0,2В). Этот процесс протекает с постоянной времени τ_c

τ_c=R_БC_вх (39)

Входную емкость С_вх обычно принимают равной сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов

C_вх=C_Эбар+C_Кбар (40)

Время задержки фронта определяется формулой

(41)

Ток заряжения входной емкости показан на рис. 21 штриховой линией. В момент t₁ открывается эмиттерный переход и начинается инжекция носителей в базу, транзистор переходит в активный режим. На этом этапе коллекторный ток возрастает до значения I_КН. Процесс формирования фронта характеризуется эквивалентной постоянной времени τ_oe

, (42)

где τ – время жизни неосновных носителей в базе;

- усредненная емкость коллекторного перехода.

Обычно принимают =1,6С_К для сплавных и =1,4С_К для дрейфовых транзисторов, где С_К – емкость коллекторного перехода запертого транзистора. Длительность фронта t_ф= t₂-t₁ определяется формулой

(43)

При S>>1 формула упрощается:

t_ф = τ_oe / S (43а)

В конце этапа формирования фронта в базе транзистора накапливается заряд Q_гр, а напряжение на коллекторном переходе падает до нуля. После того как транзистор начал работать в режиме насыщения внешних изменений в схеме ключа не происходит. Однако продолжается накопление заряда, причем на данном этапе заряд накапливается не только в базовом, но и в коллекторном, слое. В конце этапа накапливается стационарный заряд Q_стац

, (44)

где - среднее время жизни в базовом и коллекторном слоях.

Длительность этого процесса составляет примерно 3 . Если длительность входного импульса меньше, чем 3 , накопленный заряд будет меньше стационарного значения.

Процесс выключения начинается в момент t₃, когда на базу подается запирающее напряжение. В момент переключения на обоих переходах сохраняется прямое смещение, близкое к U^. При этом коллекторный ток остается равным I_КН. Базовый ток принимает значение:

(45)

На первом этапе процесса выключения происходит рассасывание накопленного заряда за счет экстракции p-n-переходами током и за счет рекомбинации. Скорость изменения заряда

Окончание этапа рассасывания характеризуется тем, что концентрация избыточных зарядов на коллекторной границе базы падает до нуля и на коллекторном переходе восстанавливается обратное напряжение. Только после этого может начаться уменьшение коллекторного тока и формирование среза импульса. Длительность этого процесса называется временем рассасывания t_р или временем задержки среза t_хср. В конце этого этапа в базе остается некоторый остаточный заряд Q_ост. Время рассасывания определяется интегрированием выражения (47) в пределах от до Q_ост:

(46)

Обычно Q_ост значительно меньше Q_гр, а Q_гр<< Q_стац, поэтому в первом приближении можно пренебречь остаточным зарядом. Тогда

(46а)

По окончании процесса рассасывания начинается последний этап переходного процесса – запирание транзистора. Длительность запирания обычно определяется процессом заряжения коллекторной емкости, протекающей с постоянной времени τ_к=R_К , длительность среза по уровню I_К=0,1I_КН равна

t_c=2,3 R_К (47)

Время включения t_вкл и время выключения t_выкл. равны

t_вкл= t_зф+ t_ф, t_выкл.= t_р+ t_с (48)

При практическом определении времен t_зф, t_ф, t_р, t_с обычно используются уровни 0,1I_КН и 0,9I_КН