Процесс выключения транзистора

В момент времени t₄ напряжение на базе скачком уменьшается от значения U_г1 до значения U_г0, и в цепи базы возникает отрицательный ток , обусловленный рассасыванием накопленного в базе избыточного заряда. Этот процесс протекает так же, как и в импульсном режиме диода. При R_к = 0 измене­ние заряда сопровождается уменьшением градиента концентрации в сечении х'_р (см. рис. 4.38, в) и уменьшением тока по закону

(4.145)

Здесь τ — постоянная времени, обусловленная скоростью рассасывания избыточ­ного заряда.

При R_к ≠0 в интервале времени от t₄ до t₅ градиент концентрации в сечении x'_p сохраняется постоянным (см. рис. 4.38, г), что обусловливает постоянство тока i_к. Этот промежуток времени называют временем рассасывания. Он находится из соотношения (4.145), в котором надо принять и тогда

(4.146)

Здесь τ ≈ τ_β.

Время рассасывания увеличивается с ростом отпирающего тока базы I₆₁ и умень­шается с увеличением запирающего тока базы I₆₀.

В момент времени t₅ транзистор переходит в активный режим. Ток коллектора начинает убывать по экспоненте с постоянной времени τ_о.э. В момент времени t₆ ток i_к становится равным нулю. Промежуток времени от момента t₅ до момента t ₆ называют временем спада. Он находится из соотношения (4.145), в котором надо принять , и τ ≈ τ_о.э, тогда

(4.147)

Время спада тем меньше, чем больше запирающий ток I_б0. Суммарное время называют временем выключения.

Если ключ работает на емкостную нагрузку, то длительность времени нараста­ния напряжения и_кэ оказывается больше длительности спада тока коллектора i_к (см. штриховую линию на рис. 4.37, д). Объясняется это тем, что из-за наличия емкости нагрузки С_н напряжение и_кэ изменяется с постоянной времени .

Суммируя рассмотренное, можно сделать вывод, что выходной импульс напря­жения и_кэ оказывается инвертированным, растянутым и сдвинутым во времени по отношению к входному импульсу напряжения. Переходные процессы опре­деляют быстродействие ключа, то есть скорость переключения. Быстродействие транзистора зависит от величины накапливаемого в базе заряда, скорости его накопления и рассасывания. Дрейфовые транзисторы предпочтительнее без­дрейфовых, так как в их базе величина накапливаемого избыточного заряда мень­ше. Существенного повышения быстродействия можно добиться, уменьшив инжек-цию электронов в базу со стороны коллектора и дырок в коллектор со стороны базы. Это достигается путем включения между коллектором и базой диода Шотки.

Транзистор с диодом Шотки

В транзисторе с диодом Шотки диод включают между базой и коллектором (рис. 4.39, а). Схемное изображение такого транзистора показано на рис. 4.39, б. Обычно эти транзисторы реализуют в интегральном исполнении (см. раздел «Биполярные транзисторы полупроводниковых ИМС» в главе 6). Шунтирова­ние коллекторного перехода диодом Шотки изменяет выходную характеристику транзистора в области малых напряжений и_кэ.

Для того чтобы понять причину различий характеристик, воспользуемся уравне­нием 4.43, полученным при анализе модели Эберса—Молла,

(4.148)

Учтем, что . Из (4.148) следует, что коллекторный ток формально име­ет две составляющих, одна из которых положительная, другая отрицательная. Поло­жительная составляющая тока создается электронами, перемещающимися из базы в коллектор. Отрицательная составляющая тока создается электронами, перемешающимися из коллектора в базу. Эти две составляющих тока показаны на рис. 4.40, а (графики 1 и 2), Отрицательная составляющая тока появляется при и_к.п = 0, то есть при u_кэ = u_бэ ≈ 0,7 В. При небольших значениях и_к.п этот ток незначителен. Заметный ток появляется при и_к.п около 0,6 В, то есть при u_кэ ≈ 0,1 В. Суммирование положительной и отрицательной составляющих тока дает выходную характерис­тику транзистора (график 3). Точка пересечения выходной характеристики с на­грузочной линией находится в области глубокого насыщения, поэтому в базе на­капливается избыточный заряд из-за инжекции электронов со стороны коллектора.

Если между базой и коллектором включен диод Шотки, то мы имеем дело с дву­мя параллельно включенными электрическими переходами, обладающими разны­ми вольт-амперными характеристиками. Вольт-амперная характеристика диода Шотки показана на рис. 4.40, б (график 2). Она также начинается при и_кэ ≈ 0,7 В. Однако заметный ток диода Шотки возникает при и_к.п около 0,2-0,3 В. Сумми­руя ток диода Шотки с положительной составляющей тока, мы получаем выходную характеристику транзистора с диодом Шотки (график 3). Точка пересече­ния этой выходной характеристики с нагрузочной линией определяет режим работы транзистора при подаче на базу отпирающего импульса тока /_6|. Эта точ­ка соответствует напряжению u_кэ около 0,4-0,5 В, при котором коллекторный переход хотя и открыт, но ток через него настолько мал, что им можно пренебречь и считать, что ток проходит через диод Шотки, в котором, как было рассмотрено в главе 1 (см. подраздел «Контакт полупроводника с металлом»), накопление избыточного заряда не происходит. При этом инжекция электронов в базу со стороны коллектора отсутствует и накопление избыточного заряда в базе транзистора происходит только за счет инжекции со стороны эмиттера, вследствие чего повышается быстродействие.