Ключевой режим работы транзистора

В ключевом режиме транзистор находится в одном из состояний – либо отсечки, либо насыщения. Задержка переключения из одного состояния в другое связана с переходными процессами, обусловленными зарядом-разрядом барьерных и диффузионных емкостей p-n переходов, накоплением и рассасыванием носителей в базе транзистора и конечным временем перемещения носителей в области базы. На передаточной характеристике кремниевого транзистора при U_вх<0,6 В выходное напряжение близко к напряжению источника питания, что соответствует режиму отсечки. С возрастанием входного напряжения на участке АВ характеристики происходит резкое изменение выходного напряжения до значений, близких нулю. В режиме насыщения напряжение на переходе база-эмиттер достигает примерно 0,8 В. Соответственно, коллекторное напряжение снижается до значений от 0,02 до 0,4 В, а переход коллектор-эмиттер смещается в прямом направлении. Состояние насыщения наступает, когда ток базы . Минимальный ток базы, при котором наступает насыщение, соответствует условию . Для характеристики глубины насыщения используют степень насыщения .

Рис. 4. Передаточная характеристика (а) и временные зависимости токов базы и коллектора транзистора (б) в ключевом режиме

При поступлении импульса положительной полярности генератора Е_Г на базу транзистора, находящегося в состоянии отсечки, вначале происходит заряд входной емкости и емкостей коллекторного и эмиттерного переходов. Поэтому ток базы начинает протекать с запаздыванием на время t₁ (Рис. 4,б). По мере накопления носителей в области базы происходит нарастание тока коллектора, который достигает к моменту t_вкл значения тока насыщения. В момент отрицательного перепада напряжения на базе ток базы протекает в обратном направлении и в течение времени t₂ происходит рассасывание избыточного заряда в области базы. После выхода транзистора из насыщения ток коллектора снижается пропорционально уменьшению тока базы. Через промежуток времени t_выкл транзистор закрывается, переходя в состояние отсечки.

Таким образом в ключевом режиме работы транзистора задержка включения t_вкл обусловлена временем заряда входной емкости и емкостей коллекторного и эмиттерного переходов t₁ и процессом накопления заряда в базовой области. При достаточно большой мощности входного сигнала транзистор переходит из первоначального состояния отсечки тока коллектора в состояние насыщения. В процессе закрывания транзистора отрицательным перепадом напряжения происходит обратный процесс – вначале за время t₂ происходит рассасывание носителей в области базы током обратной полярности, а затем снижение тока коллектора и переход транзистора в состояние отсечки.

Процессы накопления и рассасывания заряда при переключении транзистора значительно снижают скорость переключения транзистора, ухудшая его динамические качества. Чтобы повысить быстродействие транзистора в ключевом режиме стремятся использовать активный режим работы транзистора, исключающий состояние насыщения. Для этого между коллектором и базой включают диод Шоттки (Рис. 5). Особенностью перехода Шоттки является малое падение напряжения на нем в открытом состоянии (0,3 - 0,4 В) и отсутствие накопления заряда, а значит и барьерной емкости в выпрямляющем переходе металл-полупроводник, а диффузионная емкость не превышает 1 пФ. При достижении напряжения база-эмиттер значений 0,7 - 0,8 В диод Шоттки открывается и напряжение на переходе база-коллектор ограничивается на уровне 0,35 - 0,4 В.

Рис. 5. Схема каскада с диодом Шоттки