7.6. Стационарные режимы работы транзистора
Различают три режима работы биполярного транзистора. В координатах выходных характеристик (рисунок 7.29, рисунок 7.35) можно выделить три области. Область I – активный или усилительный режим работы транзистора; область II – режим насыщения; область III – режим отсечки тока коллектора.
Усилительный режим
характеризуется прямым смещением
эмиттера и обратным смещением коллектора:
.
Ток коллектора определяется входным током:
– для схемы ОБ;
– для схемы ОЭ.
Заряд неосновных носителей в базе определяется величиной входного тока (рисунок 7.37, а).
=
=
– схема ОБ;
=
– схема ОЭ.
Предельное
напряжение в активном режиме ограничивается
напряжением
и тепловой гиперболой,
.
Режим насыщения характеризует работу транзистора в ключевых схемах, и в частности, импульсного ключа в открытом состоянии. Этот режим соответствует прямому смещению эмиттерного и коллекторного переходов:
;
;
.
Ток коллектора и эмиттера определяются суперпозицией токов инжекции и коллектирования:
;
;
.
Режим насыщения характеризуется избыточным неравновесным зарядом носителей в базе и коллекторе (рисунок 7.37, б):
;
,
где
зависит от толщин базы и коллектора и
времени жизни носителей в этих областях.
Режим отсечки характеризует закрытый (непроводящий) транзисторный ключ. Этот режим соответствует обратному или нулевому смещению эмиттерного и коллекторного переходов:
;
.
Ток утечки закрытого транзистора определяется тепловой генерацией в коллекторном переходе:
– в схеме с ОБ;
– в схеме с ОЭ.
Так как в режиме отсечки оба перехода экстрагируют неосновные носители, то результирующий заряд меньше равновесного (рисунок 7.37, в). Предельное напряжение в режиме отсечки ограничивается лавинным пробоем:
– в схеме с ОБ;
– в схеме с ОЭ.
В некоторых случаях (супербета транзистор, СВЧ-транзистор) максимальное напряжение коллектора ограничено токовым (инжекционным) пробоем или напряжением смыкания. Условием этого вида пробоя является (5.125):
.
Для уменьшения
тока утечки при повышенных температурах
и расширения рабочего напряжения ключа
в схеме с ОЭ вплоть до
,
эмиттерный переход шунтируют небольшим
(по сравнению с входным импедансом)
сопротивлением
.
В мощных транзисторах по схеме Дарлингтона
и тиристорах это сопротивление встраивают
в виде шунтов по всей площади эмиттера
и катода. Встроенный шунт позволяет
подавить коэффициент передачи тока на
малых уровнях инжекции (рисунок 7.38)
и тем самым снизить ток утечки до уровня
.
.
Одновременно наблюдается увеличение рабочего напряжения в режиме отсечки до напряжения лавинного пробоя .
p n p
p n p
p n
p
Qизб
Qс
а) б) в)
Рисунок 7.37 - Распределение заряда неосновных носителей в транзисторной
структуре: а – активный режим; б – режим насыщения; в – режим отсечки
а) б)
Рисунок 7.38 - Схема транзисторного ключа (а); изменение выходной ВАХ транзистора
при шунтировке эмиттера (б)
Эквивалентная электрическая схема транзистора в режиме насыщения.
Одно из основных применений транзистора – электронный ключ, который используется для построения цифровых логических схем и преобразователей энергии в источниках питания и других электронных устройствах. Схема простейшего транзисторного ключа приведена на рисунке 7.38, а. Свойства ключа в проводящем состоянии (транзистор открыт) определяются режимом насыщения. Чем меньше падение напряжения на открытом транзисторе, тем меньше потери мощности и выше КПД устройства. При увеличении тока базы ток коллектора возрастает линейно в усилительном режиме (рисунок 7.39, а).
а) б)
Рисунок 7.39 - Насыщение тока коллектора (а), и выходные характеристики транзистора (б)
При
этом рабочая точка на выходных
характеристиках транзистора переходит
по траектории А → В → C
→ D (рисунок 7.39, б). При достижении
тока
(точка С) ток коллектора насыщается.
Величина этого тока ограничена нагрузкой
:
.
Индекс
sat обозначает режим
насыщения (saturation). Ток
базы насыщения, соответствующий границе
режима насыщения
определяется
свойствами транзистора (В) и
параметрами схемы (
).
Если ток базы превышает ток базы
насыщения
,
ток коллектирования коллектора
становится большим, чем допустимый ток
схемы
.
В результате накапливается избыточный
заряд дырок в p-коллекторе
и лишних электронов (
)
в базе, которые смещают в прямом
направлении коллекторный переход, что,
в свою очередь, вызывает инжекцию
электронов в коллектор, а дырок – в базу
для нейтрализации заряда и установления
стационарного состояния (рисунок
7.40). В режиме насыщения внешние токи
эмиттера и коллектора являются
суперпозицией токов инжекции и
коллектирования,
;
.
Рисунок 7.40 - Энергетическая диаграмма транзистора в режиме насыщения
Напряжение на открытом транзисторе становится меньше, чем падение напряжения на одном прямосмещенном p-n переходе, что особенно важно для сильноточных ключей. В модели Эберса-Молла (рисунок 7.41)
(7.58)
;
где
– коэффициент передачи тока транзистора
ОБ в инверсном включении;
– сопротивления
тела эмиттера и коллектора.
В инверсном
включении роль эмиттера играет коллектор
(прямосмещенный), а роль коллектора –
эмиттер (обратно смещенный),
;
.
Индекс N означает
нормальное включение. Эквивалентная
электрическая схема транзистора в
режиме насыщения приведена на рисунке
7.41.
Рисунок 7.41 - Эквивалентная схема Рисунок 7.42 - Режим насыщения, как суперпозиция