Импульсный режим работы биполярного транзистора

Биполярные транзисторы широко используются в цифровой технике в качестве электронных ключей. В этих устройствах используются сигналы в виде почти прямоугольных (трапецеидальных) импульсов большой амплитуды. В общем случае для описания работы транзистора в импульсном (ключевом) режиме необходимо использовать нелинейные динамические модели транзистора. Однако в большинстве случаев ограничиваются расчетом амплитуды и длительности фронтов импульсных сигналов.

Рассмотрим схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе (рис. 3.47). В цепь базы транзистора включен источник импульсных сигналов - генератор прямоугольных импульсов u_Г с внутренним сопротивлением R_Г. В цепи коллектора включена нагрузка R_К и поэтому напряжение на коллекторе u_КЭ = E_К - i_КR_К. Ограничим рассмотрение работы схемы случаем включения в цепь базы генератора тока, то есть будем предполагать, что внутреннее сопротивление генератора R_Г значительно больше входного сопротивления открытого транзистора и, следовательно _, .

При анализе схеме учтены также влияние емкостей C_Э - эмиттерного и C_К - коллекторного переходов.

Временные диаграммы, отражающие процессы, протекающие в схеме, представлены на рис. 3.48. До момента времени t₀ u_Г = E_{Г ОБР} и токи i_Б и i_К равны нулю (тепловыми токами в цепи коллектора пренебрегаем). Это исходное состояние иллюстрирует точка А (рис.3.49). Она находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой, снятой при i_Б =0 (транзистор находится в режиме отсечки).

В момент времени t₀ включается напряжение u_{Г ПР} и в цепи базы возникает ток (рис.3.48,,б).

При этом ток коллектора i_К возникает с задержкой t _З (рис.3.48,г). Время задержки t _З определяется тем, что коллекторный ток может появиться только после того, как электроны, переходящие из эмиттера в базу, достигнут коллекторного перехода. Это станет возможным, когда напряжение на эмиттерном переходе, по мере заряда барьерных емкостей, достигнет пороговой величины U*, и он откроется. Практически интервал t _З мал, и им часто пренебрегают. В интервале времени t₂ - t₁ = t _ф, называемым временем фронта, коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону и достигает установившейся величины . Увеличение коллекторного тока определяется увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе (заряжается емкость C_Э) и увеличением количества электронов, переходящих из эмиттера в базу и далее в коллектор (заряд электронов в базе Q_Б возрастает - рис. 3.48,в). Рабочая точка (рис. 3.49) перемещается вверх по нагрузочной линии (транзистор находится в активном режиме). В зависимости от величины конечное положение рабочей точки может быть или в активном режиме, или в режиме насыщения.

Практический интерес представляет случай, когда рабочая точка глубоко заходит в режим насыщения. Таким образом, напряжение u_Г должно быть таким по величине, чтобы обеспечить I_{Б ПР} > I_{Б min}. (I_{Б min} - минимальное значение тока базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения).

Величину называют глубиной насыщения. Время фронта t _ф зависит, как отмечалось выше, от времени заряда емкости C_Э, а также от времени разряда емкости C_К, так как по мере роста i _К напряжение u _КЭ уменьшается (рис.3.48 д). Кроме того, на величину времени t _ф оказывает влияние величина I_{Б ПР}, так как от величины базового тока зависит скорость заряда емкости C_Э. Зависимость тока коллектора в интервале t _ф от времени аппроксимируют обычно выражением:

(3.77)

где I_{К ПР} = h_21ЭI_{Б ПР} - величина тока коллектора, соответствующая току базы I_{Б ПР} в статическом режиме (физически ток I_{К ПР} может быть достигнут, если транзистор не переходит в режим насыщения I_{Б ПР} < I_{Б min}); - постоянная времени нарастания тока коллектора в схеме ОЭ с учетом перезаряда емкости C_К (см.3.76).

Длительность фронта t _ф равна:

. (3.78)

Из (3.78) следует, что , так как фронт заканчивается при переходе транзистора в режим насыщения. Длительность фронта уменьшается при увеличении I_{Б ПР}. В последующие после t₂ моменты времени ток коллектора i_К и напряжение u_КЭ остаются постоянными, однако заряд в базе транзистора Q_Б продолжает нарастать (рис. 3.48,в) за счет инжекции электронов через открытые эмиттерный и коллекторный переходы (транзистор работает в режиме насыщения и токи определяются внешними по отношению к транзистору элементами схемы).

Рассмотрим теперь процессы, происходящие в схеме после переключения напряжения генератора на u_ОБР (момент времени t₃,(рис.3.48,а).

В интервале времени t₃ - t₄, называемом временем рассасывания t _рас, происходит рассасывание накопленного в базе заряда электронов, заряд уменьшается вследствие рекомбинации и ухода электронов во внешнюю цепь, что сопровождается появлением тока I _{Б ОБР} (рис.3.48,б). Транзистор насыщен, при этом коллекторный переход остается в открытом состоянии и в цепи коллектора течет ток _{К НАС}. Ток базы I_{Б ОБР} также определяется внешней цепью.

В момент времени t₄ заряд в базе Q_Б уменьшается до значения Q_{Б АКТ} и коллекторный переход закрывается (транзистор переходит в активный режим работы). В интервале времени t₄ - t₅, называемом временем среза t _с, происходит дальнейшее рассасывание заряда Q_Б, разряжается С_Э, заряжается емкость С_К, рабочая точка перемещается из положения В в положение А (рис. 3.49). Транзистор переходит в режим отсечки (оба перехода заперты), ток коллектора i_К и ток базы i_{Б ОБР} уменьшаются до нуля, а напряжение u_КЭ возрастает до величины E_К.

Величины t _рас и t _с могут быть найдены из выражений, справедливых при I_{Б ОБР} >>I_{Б min}: ; (3.79)

, (3.80)

где: t _n - время жизни электронов в базе в режиме насыщения; .

Из (3.79) следует, что для уменьшения времени рассасывания необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей t _n (электронов) в базе (для этого структуры импульсных транзисторов легируют золотом). Кроме того, можно уменьшать I_{Б ПР} (хотя при этом будет увеличиваться время фронта t _ф) и увеличивать I_{Б ОБР}. Величины t _з, t _ф, t _рас, t _с для импульсных транзисторов приводятся в справочной литературе, а формулы (3.77...3.80) используются для пересчета параметров в конкретных схемах. Измерения произведены при одних значениях I_{Б ПР},I_{Б ОБР}, I_{Б min}, а параметры нужны при других. Для современных быстродействующих маломощных импульсных транзисторов t _з, t _ф, t _рас, t _с составляют единицы и десятые доли наносекунд (для мощных - существенно больше).

Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, на ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристор представляет собой электронный ключ, который может находиться в двух состояниях: открытом и закрытом. По количеству выводов различают диодный тиристор, обладающий двумя выводами (анод и катод), триодный тиристор, имеющий три вывода - анод, катод и управляющий электрод, тетродный тиристор, имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния.

Рассмотрим работу диодного тиристора. На рис 3.50 приведена модель такого тиристора. Объемы полупроводников, прилегающие к выводам катода (К) и анода (А) называются соответственно первым (Э1) и вторым (Э2) эмиттерами, к первому эмиттеру прилегает первая база (Б1), ко второму - вторая база (Б2). В тиристоре различают первый (ЭП1) и второй (ЭП2) эмиттерные переходы, средний переход называется коллекторным (КП). На рис. 3.50,б показано распределение потенциала при подаче на анод положительного напряжения u_А. При такой полярности внешнего напряжения коллекторный переход оказывается под обратным напряжением, а эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 - под прямым. Ток через КП, а, следовательно, и ток тиристора i равен (см. рис. 3.50,а):

i = i_КП=a ₁ i+a ₂ i+ i_К0, откуда:

. (3.81)

Учитывая, что ток i_К0 зависит от обратного напряжения на коллекторном переходе, а коэффициенты a - от тока i, формула (3.81) представляет собой уравнение ВАХ тиристора в неявной форме (Рис.3.51). При положительном напряжении на аноде (участок ОА) через тиристор протекает очень маленький ток i» i_К0 (i_К0 - тепловой ток КП, равный нескольким десяткам микроампер). Это объясняется тем, что почти все внешнее напряжение падает на закрытом КП (u_КП» u_А), прямые токи ЭП1 и ЭП2 очень малы и лишь незначительно превышают их тепловые токи. Кроме того, при таких токах эмиттеров коэффициенты передачи a ₁ и a ₂ очень малы (обычно не более 0,1... 0,2). С повышением напряжения на аноде увеличивается ток i (за счет i_К0 (u_А)), увеличиваются коэффициенты a (i) и увеличивается инжекция носителей заряда. Электроны, инжектируемые Э1 через коллекторный переход попадают в базу Б2, которая, как видно из рис. 3.50,б, является своеобразной “ловушкой” для них. В базе Б2 возрастает неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал, что, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок из Э2. Эти дырки, попадая через КП в базу Б1 увеличивают в ней неравновесный положительный заряд (как видно из рис. 3.50,б, Б1 является “ловушкой” для дырок) и, следовательно, инжекцию электронов из Э1. Таким образом, в тиристоре возникает положительная обратная связь, которая приводит к увеличению анодного тока i. Следует отметить, что определенную роль в увеличении тока i может играть механизм ударной ионизации и лавинного размножения носителей заряда в закрытом коллекторном переходе.

Пока суммарный коэффициент (a ₁+ a ₂)<1, тиристор находится в закрытом состоянии (участок ОА рис.3.51). По мере приближения напряжения к некоторой величине u_ВКЛ значение (a ₁+ a ₂) ® 1 и начинается переключение тиристора.

Дальнейшее зависит от условий измерений:

1. Если напряжение u_А подается от генератора напряжения (в схеме рис.50 R =0) анодный ток i будет неограниченно возрастать [1-(a ₁+ a ₂) ® 0] и прибор выйдет из строя.
2. Если в эксперименте используется генератор тока R® ¥ (физически это очень трудно реализовать, так как потребуется R ³ единиц МОм и ЭДС источника несколько киловольт), то можно получить характеристику на участке АВ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке малому увеличению тока будет соответствовать сильное уменьшение напряжения на тиристоре. Такая сильная зависимость обусловлена рассмотренной ранее положительной обратной связью, которая при [1 - (a ₁+ a ₂)» 0] очень глубокая. Физически уменьшение напряжения происходит за счет компенсации зарядов ионов доноров и акцепторов в коллекторном переходе электронами и дырками, накапливающимися в базах тиристора вблизи перехода. Толщина коллекторного перехода уменьшается (переход “заплывает”) и потенциальный барьер в нем, определяющий напряжение на тиристоре, уменьшается. При достижении точки B все три перехода тиристора оказываются смещенными в прямом направлении, и тиристор открывается (напряжение u_А» 1 В). Вид ВАХ на участке ВС (открытого тиристора) в основном определяется объемными сопротивлениями тиристорной структуры.
3. Реально используется источник напряжения с сопротивлением R намного меньшим, чем отрицательное дифференциальное сопротивление тиристора на участке AB. При этом переключение из закрытого состояния в открытое произойдет скачком (работает положительная ОС при недостаточном ограничении тока) вдоль нагрузочной линии A - B' (пунктир на рис. 3.51). Аналогично вдоль нагрузочной линии произойдет и выключение тиристора (пунктир В - А') при уменьшении напряжения. Точке В соответствует ток i_УД - удерживающий ток тиристора, то есть минимальный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора.

При подаче отрицательного напряжения на анод тиристора коллекторный переход оказывается смещенным в прямом направлении, а эмиттерные переходы ЭП1 и ЭП2 - в обратном. Ток через тиристор мал. С ростом отрицательного напряжения может произойти пробой эмиттерных переходов, однако, этот режим является нерабочим.

Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 3.52).

При подаче в цепь управляющего электрода тока i_У ток через эмиттерный переход ЭП1 увеличивается, следовательно условие перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (a ₁+ a ₂)» 1, будет достигаться при меньшем напряжения включения u_ВКЛ (рис.3.52б). Таким образом, изменяя ток управляющего электрода i_У можно изменять величину напряжения включения u_ВКЛ. Некоторые маломощные тиристоры можно и выключить, подавая отрицательный ток в цепь управляющего электрода.

В настоящее время, наряду с рассмотренными диодным и триодным тиристорами, выпускаются тиристоры, у которых вольтамперная характеристика одинакова в I и III квадрантах (рис. 3.53,а). Такие тиристоры выполняются на основе пятислойных структур и называются семисторами (рис.3.53,б).

Тиристоры находят широкое применение в радиосвязи, радиолокации, устройствах автоматики как управляющие ключи. Основным достоинством тиристоров, по сравнению с биполярными транзисторами, является возможность переключения короткими импульсами тока управляющего электрода (меньшее потребление энергии в цепи управления). К недостаткам тиристоров следует отнести значительно большие времена переключения (единицы миллисекунд - сотни микросекунд).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: