5.8. Переходные процессы в биполярном транзисторе и простейшем ключе на его основе

5.8.1. Переходные процессы в биполярном транзисторе при скачке входного тока

Процессы в базе для схемы включения с общей базой. Пусть БТ n-р-n-типа включен по схеме с ОБ, а на коллектор подано обратное напряжение. Сначала будем считать, что эмиттерный ток равен нулю, как показано на рис. 5.32,a. При этом в цепи коллектор-база протекает очень малый ток I_КБО (на рисунке не показан) и БТ работает в режиме отсечки. Пусть в некоторый момент произошло скачкообразное изменение тока эмиттера I_Э, создаваемое генерато­ром тока. Для краткости описания бу­дем считать, что коэффициент инжекции равен единице, т.е. будем го­ворить только об инжекции электро­нов из эмиттера в базу.

Инжектированные в момент скач­ка электроны имеют максвелловское распределение скоростей. Поэтому электроны будут достигать коллекто­ра за различное время, называемое в общем случае временем пролета иливременем диффузии,если тран­зистор бездрейфовый. Для расчетов обычно используетсясреднее время пролета.Появление коллекторного тока будет вызвано «быстрыми» электронами, у которых время проле­та значительно меньше среднего вре­мени.Когда самые «медленные» из пакета электронов, вошедших в базу в момент скачка достигнут коллектора, нарастание коллекторного тока прекратится. Далее он будет по­стоянным и равным I_К = αI_Э + I_КБО ≈ αI_Э. Среднему времени пролета соответствует наибольшая скорость роста коллекторного тока (мак­симальное значение производной).

При скачкообразном изменении тока эмиттера ток коллектора изменяется во времени по сложному закону (штриховая линия на рис. 5.32,б). Однако с достаточной для инженерной практики точно­стью можно считать, что это изменение происходит по экспоненте, смещенной на некоторое времяt_{зд α} называемое временем задерж­ки, с постоянной времени, равной времени пролета t_пp. Эта экспонента одновременно представляет собой переходную характери­стику коэффициента передачи α = I_К /I_Э в схеме с ОБ:

α (t)=α [1–exp(–t/τ_α)] (5.127)

где постоянная времени

τ_α = t_пp (5.128)

При указанной аппроксимации в интервале времени задержки t_{зд α} коллекторный ток отсутствует, и, следовательно, ток базы ра­вен току эмиттера: I_Б = I_Э – I_К = I_Э. Этот ток течет в цепи эмиттер-база.Затем по мере нарастания коллекторного тока ток I_б будет уменьшаться от значения I_б = I_Э до установившегося значения (5.17) I_Б = (1 – α) I_Э – I_КБО ≈ (1 – α) I_Э, характерного для статического режима БТ. Таким образом, наблю­дается характерный выброс базово­го тока в начале переходного про­цесса (рис. 5.32,в).

Процессы в базе для схемы включения с общим эмиттером. Переходные процессы при воздей­ствии на схему с 03 ступеньки ба­зового тока показаны на рис. 5.33.Как и в схеме с ОБ, ток I_К может по­явиться при принятой ранее аппроксимации только через время задержки t_{зд α}. В этом интервале времени I_Э = I_Б + I_К = I_Б. т.е. ток эмиттерного перехода проходит через базовый вывод и связан с поступлением дырок от базового электрода в базовую область. На­чавшееся увеличение концентра­ции дырок в базе повышает ее по­тенциал, что приводит к уменьше­нию высоты потенциального барьера эмиттерного перехода. На­чинается инжекция электронов из области эмиттера в базовую область, заряд которых стремится восстанавливать (поддержи­вать) электрическую нейтральность базовой области.Для этого в первый момент (как и в схеме с ОБ) должно выполняться равен­ство I_Э = I_Б. так как других токов нет. Но через некоторое время задержкиt_{зд α}часть инжектированных из эмиттера электронов дойдет до коллекторного перехода и начнет создавать коллек­торный ток.В схеме с ОБ рост I_К также был связан с уходом электронов из базы, но там он сопровождался уменьшением тока ба­зы. В схеме с ОЭ базовый ток задан генератором тока, поэтому возрастание коллекторного тока, связанное с переходом элект­ронов из базы в коллектор, должно сопровождаться ростом тока эмиттера. Только поступление дополнительного числа электро­нов из эмиттерной области в базу может сохранить ее электриче­скую нейтральность, т.е. скомпенсировать уход электронов.

Таким образом, одновременно должно происходить одинако­вое возрастание токов I_К и I_Э до тех пор, пока в базовой области не накопится настолько большой избыточный заряд электронов ∆Q_Б, при котором скорость его рекомбинации (в единицу време­ни), определяемая временем жизни τ, т.е. ∆Q_Б/τ, или ток рекомби­нации не сравнятся с заданным током базы: ∆Q_Б / τ = I_Б.

Изменение коллекторного тока (как и в схеме с ОБ) аппроксими­руется экспонентой, но уже с постоянной времени, равной жизни τ. Кривая I_К(t) представляет одновременно и зависимость ко­эффициента передачи базового тока в схеме с ОЭ, так как β = I_К / I_Б:

β(t) = β [1– ехр(–t/ τ _β)], (5.129)

где постоянная времени процесса нарастания коэффициента τ _β = τ.

Время жизни неосновных носителей в базе БТ во много раз больше времени пролета и определяется соотношением

τ =( β +1)t_пр ≈ β t_пр. (5.130)

Поэтому постоянная времени процесса нарастания коллек­торного тока (или величины β) в схеме с ОЭ в десятки и сотни раз больше, чем в схеме с ОБ.