Главная | Обратная связь

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 .

 

 

 

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