Исследование характеристик и параметров интегральных резисторов Исследование характеристик и параметров интегральных диодов. Исследование характеристик инвертора на биполярных интегральных транзисторах. Исследование характеристик инвертора на полевых интегральных транзисторах, страница 4

 Режиму насыщения (рис. 6) соответствуют область В на входных характеристиках и точка В' на выходных характеристиках транзистора. Для обеспечения режима насыщения должно выполняться условие I_б ≥ I_бн=I_кн/β, где β – статический коэффициент передачи тока. Необходимое значение тока I_б  при

 U_вх = U_н  обеспечивается выбором сопротивления резистора R_б при условии,  что R_б ≤ (U_н-U_бэн)/I_б, где U_бэн–напряжение на переходе база-эмиттер в режиме насыщения.

Активный режим транзистора является промежуточным при переходе ключа из одного состояния в другое. Время перехода должно быть малым, так как оно существенно влияет на быстродействие схемы. Активному режиму на входных и выходных характеристиках соответствует область С.

			0
							0
	а
					б
									в

 

Рис. 6. Схема ключа и характеристики: а – инвертор на биполярном транзисторе; б – входные характеристики; в – выходные характеристики

Задержка переключения (длительность включения t_вкл) складывается из времени задержки появления тока в цепи коллектора (t_з) и времени нарастания этого тока - времени фронта (t_ф).

Временные диаграммы переходных процессов в ключе на биполярном транзисторе приведены на рис.7. Прямое смещение на эмиттерном переходе не может возникнуть мгновенно, и задержка отпирания транзистора обусловливается временем изменения заряда входной ёмкости (С_вх) и может быть определена как

t_з = t₂ - t₁  ≈ R_б ^. С_вх.

Включение транзистора в активный режим работы (рост коллекторного тока) происходит при некотором "пороговом" напряжении U_п на входе. Для структур на основе кремния это напряжение около 0.6 вольт, при меньших входных напряжениях коллекторный ток составляет единицы процентов от тока открытого транзистора.  Время задержки включения можно записать по-другому: t_з ≈ С_вх ^. U_пор / I_б. За это время в базовом слое должен накопиться положительный заряд, достаточный для того, чтобы начал открываться эмиттерный переход.

Фронт включения    (t_ф = t₃  - t₂). После отпирания эмиттерного перехода заряд в базовом слое продолжает нарастать. В определённый момент времени он достигает некоторого граничного значения Q_гр, при котором коллекторный ток достигает значения (I_кн). Происходит  переход транзистора из активного режима в режим насыщения, рабочая точка

достигает положения В' на выходных характеристиках (рис.6,в). Дальнейший рост заряда в базовом слое (до Q_мах) не приводит к росту коллекторного тока, потому что почти всё напряжение источника питания коллекторной цепи падает на R_к. При достижении заряда в базе  Q_гр переход коллектор-база открывается и транзистор начинает работать в режиме двойной инжекции.

Время фронта может быть определено выражением

t_ф = τ_olnβI_б  ∕ (βI_б - I_кн),

где τ_o –  постоянная       времени,  

τ_o = (t_пр + С_эr_э + С_кR_к),

t_пр – время пролёта носителей через базу; С_э – ёмкость эмиттерного перехода; r_э – сопротивление эмиттерного слоя.

Общая длительность включения t_вкл = t_з + t_ф, к этому времени добавляется время заряда паразитных ёмкостей, шунтирующих коллекторную цепь транзистора.   Сокращение длительности включения можно достигнуть при увеличении отпирающего тока базы, например включив ускоряющую емкость параллельно резистору R_б.

Время задержки выключения. Когда на входе транзистора устанавливается низкий уровень напряжения  (момент времени t₄, рис.7), ток базы меняет направление, оставаясь постоянным по величине. Это происходит потому, что напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах не могут измениться мгновенно, они остаются открытыми до тех пор, пока заряд в базовом слое не уменьшится до Q_гр. В интервале времени t₄ - t₅ (так называемое время рассасывания избыточного заряда t_р) и базовый и коллекторный токи поддерживаются  на постоянном уровне избыточным положительным зарядом в базовом слое. После уменьшения этого заряда до величины Q_гр  начинают уменьшаться базовый и коллекторный токи и расти напряжение на коллекторе (транзистор переходит в активный режим работы). За интервал времени t₅ - t₆  (время спада t_с) транзистор проходит через активный режим от насыщения к отсечке. Время выключения (t_выкл = t_р + t_с) зависит от степени насыщения транзистора, которая определяется отношением максимального заряда, накопленного в базовом слое, к граничному. Одним из способов снижения степени насыщения является включение параллельно переходу коллектор-база диода Шоттки. На длительность задержки выключения существенное влияние оказывают выходные ёмкости, шунтирующие транзистор.

Производство цифровых интегральных микросхем на основе полевых МОП транзисторов является серьёзной альтернативой биполярной технологии. Относительно малое число этапов технологического процесса, поскольку МОП - транзисторы не требуют изоляции от подложки, приводит к снижению цены микросхемы и высокому проценту выхода годных изделий. Благодаря слою изоляции между затвором и каналом входное сопротивление МОП - транзистора при постоянном входном сигнале очень высокое, порядка 10¹⁵ Ом.