Реферат: Анализ и моделирование биполярных транзисторов

Рис. 9-1. Определение параметров импульсного режима транзисторов с помощью выходных характеристик.

Если на вход подан импульс тока , то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке . Получается импульс тока коллектора , очень близкий по значению к . Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на , а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения .

Хотя напряжение в точке не изменило свой знак, но на самом кол­лекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка действительно соответствует режиму насыщения. Покажем это на следующем примере. Пусть имеется транзистор n-p-n и , а напряжение на базе . Тогда на коллекторе по отношению к базе будет напряжение , т.е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,4 В.

Конечно, если импульс входного тока будет меньше , то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, максимальное возможное значение импульса тока коллектора

(9.1)

Помимо , и импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от определяется не через приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке :

(9.2)

Иначе говоря, является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а В относится к усилению больших сигналов, в частности им­пульсов, и по значению несколько отличается от .

Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопро­тивление насыщения

(9.3)

Значение у транзисторов для импульсной работы обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.

Аналогично рассмотренной схеме ОЭ работает в импульсном режиме и схема ОБ.

Рис. 9-2. Искажение формы импульса тока транзистором.

Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания за­рядов в базе транзистора, то импульс выходного тока имеет почти такую же длительность и форму, как и входной импульс. Но при коротких импульсах, т. е. если составляет единицы микросекунд и меньше, может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длитель­ности.

Для примера на рис. 9-2 показаны графики ко­роткого импульса входного тока прямоугольной фор­мы и импульса выходного тока при включении тран­зистора по схеме ОБ. Как видно, импульс коллек­торного тока начинается с запаздыванием на время (время задержки), что объясняется конечным временем пробега носителей через базу. Этот ток нарастает постепенно в течение времени (длительности фронта), составляющего заметную часть . Такое посте­пенное увеличение тока связано с накоплением носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости и не все сразу достигают коллектора. Время + явля­ется временем включения . После окончания входного импульса за счет рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток продолжается некоторое время (время рассасывания), а затем постепенно спадает в течение вре­мени спада . Время + есть время выключения . В итоге импульс коллекторного тока значительно отличается по форме от прямоугольного и рас­тянут во времени по сравнению с входным импульсом. Следовательно, за­медляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого эта цепь находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.

На рис. 9-2 показан еще график тока базы, построенный на основании соотношения . Как видно, ток этот имеет сложную форму.

Специальные транзисторы для работы короткими импульсами должны иметь малые емкости и тонкую базу. Как правило, это маломощные дрейфовые транзисторы. Чтобы быстрее рассасывался заряд, накапливающийся в базе, в нее добавляют в небольшом количестве примеси, способствующие быстрой рекомбинации накопленных носителей (например, золото).

10. Математическая модель биполярного транзистора.

Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математичес­кой модели, показана на рис.10-1. Каждый p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено гене­раторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обес­печивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направ­лении и прямому коллекторному току соответствует эмит­терный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где - коэффициент передачи коллек­торного тока.

Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую ( или ) и собираемую ( или ):

, (10.1)

Эмиттерный и коллекторный p-n -переходы транзистора аналогичны p-n -переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная харак­теристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n -переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n -перехода замкнуть между собой накорот­ко, то ток, протекающий через p-n -переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределе­ния неосновных носителей заряда в базе. Тогда:

, (10.2)

где - тепловой ток эмиттерного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выво­дах базы и коллектора; - тепловой ток коллекторного p-n -перехода, измеренный при за­мкнутых накоротко выводах ба­зы и эмиттера.

Рис. 10-1. Эквивалентная схема идеализированного транзистора