Время включения.

Пусть на вход инвертора подают идеальный импульс входного напряжения (время фронта равно нулю), обеспечивающее быстрый рост тока базы и быстрый переход в режим двойной инжекции.

Чтобы появился I_k и I_б, необходимо, чтобы входная емкость зарядилась, в базовом слое должен накопиться заряд, которые приведет к появлению разности потенциалов между эмиттером и базой необходимой для того, чтобы эмиттерный p-n-переход открылся.

Ток базы появится не сразу, а только тогда когда заряд достигнет величины Q₁, при котором прямое напряжение на p-n переходе база-эмиттер достигнет порогового значения (U_{вх (пороговое)} ~ 0.7 вольт). Ток базы (I_б) будет нарастать несколько позже начнёт расти и ток коллектора (I_k). Напряжение на коллекторе U_к начнет уменьшаться. Заряд в базовом слое будет продолжать увеличиваться и после завершения процесса включения.

Интервал времени t₁-t₂ называют временем задержки включения, и определяется оно временем заряда входной ёмкости и накоплением заряда в базе до величины Q₁. τ_з = t₁-t₂; τ_з = С_вх ∙ U_пор / I_б. Чем больше базовый ток, тем меньше время задержки, однако при большом базовом токе будет возрастать и максимальный заряд в базовом слое (Q_мах), что отрицательно отразится на времени выключения.

Интервал времени t₂-t₃ называют временем фронта (t_ф). За это время ток коллектора достигает максимального значения (I_{k (мах)}), напряжение на коллекторе и на выходе – минимального (U_{к (нас)}), а заряд в базовом слое, продолжая расти, достигает граничного значения (Q_гр). Именно при Q = Q_гр ток коллектора достигает максимального значения, а транзистор переходит в устойчивое состояние режима двойной инжекции. Величина максимального тока коллектора определяется напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки в цепи коллектора. Ток коллектора равен I_{k (мах)} = (U_п-U_{к (нас)})/R_н, но так как U_п >>U_{к (нас)}, то I_{k (мах)}»U_п/R_н.

Время фронта можно рассчитать следующим образом: t_ф = t₀ ln{βI_б /(βI_б – I_{к (нас)})} где t₀ = (t_прол + C_э r_э +C_кR_н), t_прол - время пролёта электронов через базу, β – коэффициент передачи базового тока (I_к =βI_б).

В интервале времени t₃-t₄ транзистор работает в режиме двойной инжекции, напряжения и токи не меняются и только заряд в базовом (и не только в базовом, но и в коллекторном и эмиттерном) слое продолжает накапливаться. Это накопление заряда вредное, так как затем (при выключении) этот заряд должен будет «исчезнуть» частично уйти, частично рекомбинировать на месте. Этот процесс требует времени, это время и будет определять длительность выключения.

Время выключения или время спада (t_выкл) коллекторного тока и нарастания коллекторного и выходного напряжений до первоначального уровня после прекращения входного импульса. Время выключения интервал t₄-t₆ = t_выкл разделяется на два временных интервала t₄-t₅ и t₅-t₆. Интервал t₄-t₅ – время рассасывания избыточного заряда до величины Q_гр. Избыточные заряды в этот интервал времени уходят и рекомбинируют на месте. Уход их (например, из базы) можно проследить по осциллограмме базового тока. После подачи на вход запирающего импульса базовый ток меняет направление, и пока избыточный заряд не достигнет величины Q_гр, транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения. Напряжение на коллекторе и ток коллектора в интервале времени t₄-t₅ не меняются. В интервале времени t₅-t₆ (после того как Q < Q_гр) транзистор вновь проходит этап работы в активном режиме. И при уменьшении Q до нуля переходит в режим отсечки. Время выключения (t_выкл) зависит от степени насыщения транзистора избыточными зарядами, степень насыщения определяется отношением Q_мах /Q_гр. Процесс выключения зависит от размеров слоев и степени их легирования. Время рассасывания избыточного заряда самое большое для коллекторного слоя. В базе время рассасывания в несколько раз меньше (подвижность электронов выше, чем дырок, а базовый слой имеет малую толщину). В эмиттерном слое самая высокая концентрация примесей, поэтому рекомбинация идет очень интенсивно. Так что, основным слоем, влияющим на скорость рассасывания избыточного заряда, является пассивная область коллектора, в которой накапливаются избыточные дырки.

Время в включения может быть уменьшено двумя способами: - увеличением базового тока; - включением во входную цепь ускоряющей ёмкости, параллельно сопротивлению в цепи базы. Однако просто увеличение базового тока приведёт к возрастанию степени насыщения, вследствие чего вырастет время выключения.

В схеме с ускоряющей ёмкостью степень насыщения не увеличивается.

 

 

Во время нарастания напряжения на входе ток через ускоряющую ёмкость достигает значительной величины.

I_б » U_б⁺/R_вх(эм) (ёмкость заряжается).

 

Заряд в базовом слое быстро достигает граничного значения (Q_гр). После завершения фронта ток базы уменьшается до значения, такого же как и без ускоряющей ёмкости I_б » {U_б⁺ - U_бэ(нас)} /R_вх(эм) (ёмкость полностью заряжена).

Ускоряющая ёмкость (С_у) способствует также сокращению времени спада. Когда транзистор открыт падение напряжения

на резисторе R_вх и на С_у равно {U_б⁺ - U_бэ(нас)}. При подаче на вход запирающего напряжения (U_б^-) напряжение на ёмкости складывается с запирающим напряжением и начальный ток выключения I_{вык(начальный)}= { U_б^- + U_б⁺ - U_бэ(нас)} / R_вх, что на много больше тока выключения без ускоряющей ёмкости.

Ускоряющая ёмкость не может быть произвольной. При очень маленькой ёмкости выплески базового тока малы и влияние ёмкости незначительно, при очень большой переходной процесс становится сравним с длительностью импульса. величина ускоряющей ёмкости зависит от R_вх и t_фронта

С_у» t_фронта / R_вх.

 

Одним из способов снижения степени насыщения (Q_мах /Q_гр) является включение параллельно p-n переходу коллектор-база диода Шоттки.

 

 

Во время работы транзистора в режиме двойной инжекции электроны из эмиттера и коллектора инжектируются в базу, образуя в ней избыточный заряд электронов. Дырки из базы инжектируются в коллектор и эмиттер, образуя там избыточный положительный заряд. Заряд, накапливаемый в коллекторе, составляет значительную часть избыточного заряда и именно этим зарядом и определяется время рассасывания (десятки наносекунд).

Характеристика диода Шоттки отличается от характеристики кремниевого диода на p-n переходе тем, что участок резкого нарастания ток у диода Шоттки начинается при прямом напряжении 0.3 – 0.4 вольта (у Si p-n перехода 0.6-0.7 вольта). Диод Шоттки, включенный параллельно p-n переходу коллектор-база, ограничивает прямое напряжение на p-n переходе коллектор-база на уровне 0.3 – 0.4 вольта, что очень резко (почти на порядок) уменьшает накапливаемый избыточный заряд. Результат – уменьшение времени выключения (t_выкл). Отметим, что чем хуже параметры транзистора (больше время жизни дырок в коллекторном слое), там эффективнее проявляется влияние диода Шоттки.

Транзисторы с диодом Шоттки применяются в интегральных схемах высокого быстродействия.