Импульсные устройства. Основные понятия и определения импульсной техники. Электронные ключи. Интегральные логические схемы, страница 10

Для определения коллекторного тока в режиме насыщения используем эквивалентную схему коллекторной цепи   (рис.2.6б)  при , откуда:       

 .                                      (2.7)

Во многих случаях  можно считать , тогда .

Рис. 2.6

Для определения создаваемого генератором  в схеме рис.2.2  базового тока составим эквивалентную схему рис.2.6а, используя апроксимацию характеристики открытого базо-эмиттерного перехода (рис.2.3) ступенчатой функцией с напряжением .  Тогда

.                          (2.8)

Это выражение представляет управляющее воздействие как модель генератора тока, не зависящего от напряжения . Погрешность такой апроксимации невелика и обсуждалась в 2.1.1.

Теперь можно определить минимально необходимый базовый ток для обеспечения режима насыщения. На границе  перехода  транзистора из активного режима в насыщение (рис.2.5)  ещё действует формула: 

 .                                                 (2.9)

Сравнение величин (2.8) и (2.9) определяет условие нахождения транзистора в насыщении:

 .                                 (2.10)

Сила неравенства   (2.10)  определяет важный физический параметр транзисторного ключа, называемый глубиной насыщения  и влияющий на показатели скорости переключения:

 .                                                           (2.11)

Величина разности   в (2.11) определяет величину тока помехи запирающей полярности, при которой транзистор выходит на границу насыщения. Дальнейшее уменьшение тока переводит транзистор в активный  режим. Помехоустойчивость ключа в состоянии насыщения определяется  максимальной величиной тока (напряжения) помехи, при которой это допустимо.

2.2 Динамические свойства  биполярных транзисторов

Динамические  свойства  электронных ключей проявляются при переходе транзистора из отсечки в насыщение и обратно.  Этот процесс происходит при нахождении транзистора в линейном режиме  и изменении его коллекторного тока от состояния отсечки () до насыщения ().  Длительность переходного процесса определяется инерционными элементами  транзистора и схемы ключа. В эквивалентной схеме транзистора, используемой при анализе линейных схем [ ], в качестве моделей инерционности используют диффузионную ёмкость  и ёмкость коллекторно-базового перехода . Свойства схемы ключа, определяемые уровнем используемой технологии, обычно моделируются паразитной ёмкостью монтажа (ёмкостью нагрузки) . Для выяснения роли каждой ёмкости рассмотрим их действие порознь. Возможность и способ объединения результатов раздельного анализа будут рассмотрены позже.

2.2.1  Переходный процесс, определяемый   током диффузии

В биполярных транзисторах протекание тока от эмиттера к коллектору  происходит  как процесс диффузии неосновных носителей за счёт неравномерной плотности их распределения вдоль базы  [ ]. Ток диффузии пропорционален градиенту плотности зарядов    и  скорости диффузии   (свойству материала базы):

 .                                                                     

Интегрируя распределение зарядов вдоль базы, определим, что  величины диффузионного тока  (постоянного вдоль базы) и суммарного  заряда в базе  связаны пропорциональной зависимостью:

 .             (2.12)

Здесь  Б = К-Э – толщина базы, - скорость диффузии, а   -  время диффузии  носителей от эмиттера до коллектора, основной показатель быстродействия дифузионного процесса. .  Оба показателя, влияющие на величину , определяются технологией изготовления транзистора: минимально реализуемой  толщиной базы и скоростью диффузии, зависящей от материала базы и  использования его легирования.

В режиме отсечки   и . При ступенчатом напряжении  управляющий ток схемы ключа на рис.2.2 согласно (2.7)  изменяется скачком: .    Тогда заряд в базе при  начинает накапливаться по линейному закону:

                                     (2.13)

и согласно с (2.12) коллекторный  ток увеличивается со скоростью:

 .                                  (2.14)

При этом рекомбинация неосновных носителей в базе определяет появление базового тока, пропорционального накопленному заряду: