Работа биполярного транзистора в импульсном режиме

Транзисторы широко применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных ха­рактеристик для схемы ОЭ. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки . Соответственно этому на рис. 9-1 построена линия нагрузки. До поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения тран­зистор находится в запертом состоянии (в режиме отсечки), что соответствует точке .  В цели коллектора проходит малый ток (в данном случае сквозной ток  и, следова­тельно, эту цепь приближенно можно считать ра­зомкнутой. Напряжение источника  почти все полностью приложено к транзистору.

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).