Статические характеристики биполярных

Транзисторов

 

С точки зрения теории электрических цепей транзистор, имеющий три вывода, представляет собой трехполюсник. При включении трехполюсника один вывод является входным, другой – выходным, а третий вывод является общим. Поэтому трехполюсник можно представить как четырехполюсник (рис. 5.9), обозначив входной ток и входное напряжение индексом «1», а выходные ток и напряжение индексом «2». Одним семейством статических характеристик устанавливается связь между тремя из четырех величин. Одна из этих величин выбирается независимой переменной (аргументом), и величина ее откладывается по оси абсцисс. Вторая величина будет зависимой переменной (функцией), величина которой откладывается по оси ординат. Из оставшихся двух величин одну выбирают постоянной, другую оставляют свободной, т.е. не учитывают. Ряд кривых, полученных для различных постоянных значений третьей величины, называемой параметром, и будет представлять собой семейство статических вольт-амперных характеристик.

 

 

Рис. 5.9. Схема трехполюсника, включенного

как четырехполюсник

 

Наиболее распространенными системами статических вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов являются:

- семейство входных характеристик I₁ = f(U₁) при U₂ = const;

- семейство выходных характеристик I₂ = f(U₂) при I₂ = const.

Входные характеристики транзистора p-n-p- типа в схеме с ОБ определяются зависимостью тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой при постоянном напряжении между коллектором и базой I_э = f(U_эб) при U_кб = const (рис. 5.10, а).

При напряжении U_кб = 0 вольт-амперная характеристика аналогична характеристике полупроводникового диода при прямом включении. Эмиттерный ток экспоненциально возрастает с увеличением напряжения между эмиттером и базой. Увеличение напряжения коллектор – база (в абсолютном значении) и повышение температуры смещает характеристики в сторону оси ординат (то есть влево).

Выходные характеристики транзисторов p-n-p- типа в схеме с ОБ, называемые также коллекторными, определяются зависимостью тока коллектора от напряжения между коллектором и базой при постоянном токе эмиттера I_к = f(U_кб) при I_э = const (рис. 5.10, б). При токе I_э = 0 через коллекторный переход течет обратный ток I_кбо, величина которого слабо зависит от коллекторного напряжения.

 

 

Рис. 5.10. Семейство входных (а) и выходных (б)

характеристик p-n-p- транзистора в схеме с ОБ

 

С ростом эмиттерного тока растет коллекторный ток, что соответствует принципу действия транзистора. Общий характер этих зависимостей аналогичен обратной ветви вольт-амперной характеристики диода, так как коллекторный переход включен в обратном направлении.

На рис. 5.11, а представлены семейства входных характеристик транзистора p-n-p- типа в схеме с ОЭ I_б = f(U_эб) при U_кэ = const. Входным током транзистора при этой схеме включения является ток базы, характеристика которого при напряжении U_кэ = 0 идет из начала координат и представляет собой суммарный ток эмиттерного и коллекторного переходов, соединенных параллельно и подключенных к источнику в прямом направлении.

 

 

Рис. 5.11. Семейство входных (а) и выходных (б)

характеристик p-n-p- транзистора в схеме с ОЭ

 

При увеличении по абсолютной величине напряжения коллектор - эмиттер входные характеристики сдвигаются вправо, так как с ростом напряжения вероятность рекомбинаций неосновных носителей в области базы уменьшается, что приводит к уменьшению тока базы и росту коллекторного тока.

В справочниках обычно приводятся входные характеристики при U_кэ = 0 и U_кэ = –5 В. Все остальные характеристики, снятые при | U_кэ | > 1 В, незначительно отличаются от характеристики, снятой при U_кэ = –5 В.

Коллекторные, т.е. выходные, характеристики транзистора в схеме с ОЭ I_к = f(U_кэ) при I_б = const приведены на рис. 5.11, б. Выходные характеристики в схеме с ОЭ имеют больший наклон, чем в схеме с ОБ, то есть наблюдается большая зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе. С ростом базового тока коллекторные характеристики располагаются выше, так как увеличение базового тока происходит вследствие увеличения тока эмиттера, следовательно, и тока базы. Выходные характеристики транзистора при выборе в качестве параметра тока I_б можно описать с помощью уравнения

 

,

 

где I_кэо – начальный («сквозной») ток, который протекает через структуру при токе I_б = 0, т.е. при обрыве в цепи базы.

Так как I_б = (1 – a) I_э – I_кбо, то при I_б = 0 имеем I_э = I_к = I_кбо, поэтому получим I_кэо = I_кбо / (1 – a)» bI_кбо.

Ток I_кэо в b раз больше тока I_кбо, т.е. тепловой ток в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ, что является недостатком схемы с ОЭ по сравнению со схемой с ОБ.

 

5.6. Эквивалентная схема биполярного транзистора

 

Эквивалентная схема – эта схема, в которой реальные процессы в нелинейных устройствах заменены на набор активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, емкости) элементов, адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных параметров. На основе рассмотренных характеристик представим эквивалентную схему транзистора при включении по схеме с общей базой и общим эмиттером в следующем виде (рис. 5.12, 5.13). Приведенная эквивалентная схема справедлива для рассмотрения статических характеристик биполярного транзистора, а также для рассмотрения этих характеристик в области низких частот. Эта схема называется Т-образной эквивалентной схемой, отражает основные физические процессы, происходящие в транзисторе, и удобна для их анализа.

 

Рис. 5.12. Эквивалентная схема биполярного транзистора

при включении по схеме с общей базой

 

 

Рис. 5.13. Эквивалентная схема биполярного транзистора

при включении по схеме с общим эмиттером

 

На эквивалентных схемах изображены основные пассивные элементы (сопротивления r _э, r _к, r _б, емкости коллекторного С _Б и эмиттерного С _диф переходов), активные элементы (генераторы тока a J _Э, b J _Б в коллекторной цепи, источник ЭДС m _эк U _к в эмиттерной цепи, отражающий обратную связь между эмиттером и коллектором).

Основные параметры эквивалентной схемы транзистора выражаются через конструктивно-технологические параметры следующим образом:

 

;

 

 

 

Величины коэффициентов  a, r _э, r _к, m _эк для биполярного транзистора лежат в пределах: a = 0,95 - 0,995, r _э = 1 - 10 Ом, r _к = 10 - 10⁶ Ом, m _эк = 10^-3÷10^-5.

Для биполярного транзистора при включении по схеме с общим эмиттером эквивалентная схема выглядит аналогично.

Основные параметры эквивалентной схемы имеют тот же вид, что и в схеме с общей базой, кроме С _к^* и r _к^*, равных: С _к^* = С _к(b + 1), r _к^* = r _к(b + 1).

Формулы Эберса – Молла являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики биполярных транзисторов во всех режимах работы.

Для такого рассмотрения представим БТ в виде эквивалентной схемы, приведенной на рис. 5.14. Два диода и два источника тока включены навстречу друг другу. Источники токов управляют токами диодов, сами диоды считаются идеальными.

 

Рис. 5.14. Эквивалентная схема биполярных транзисторов во всех режимах работы

 

При нормальном включении через эмиттерный p- n -переход течет ток I ₁, через коллекторный переход течет ток α _N I ₁ – меньший чем I ₁, вследствие рекомбинации части инжектированных носителей в базе. На рис. 5.14 этот процесс изображен как генератор тока α _N I ₁, где α _N – коэффициент передачи эмиттерного тока. При инверсном включении транзистора прямому коллекторному току I ₂ будет соответствовать эмиттерный ток α _I I ₂, где α _I – коэффициент инверсии. Таким образом, токи эмиттера J _э и коллектора J _к в общем случае состоят из инжектируемого (I ₁ или I ₂) и экстрагируемого (α _N I ₁ или α _I I ₂) токов:

 

                        (5.18)

 

Величины токов I ₁ и I ₂ выражаются для p-n -переходов стандартным способом:

 

             (5.19)

 

где I _э0 ' и I _к0 ' – тепловые (обратные) токи p-n -переходов. Отметим, что токи I _э0 ' и I _к0 ' отличаются от обратных токов эмиттера I _э0 и коллектора I _к0 биполярного транзистора.

Оборвем цепь эмиттера (J _э = 0) и подадим на коллекторный переход большое запирающее напряжение U _к. Ток, протекающий в цепи коллектора при этих условиях, будем называть тепловым током коллектора I _к0. Поскольку J _э = 0, из (5.18) следует, что I ₁ = α _I I ₂, а из (5.19) I ₂ = - I _к0 ', поскольку U >> kT/q.

Полагая J _к = I _к0, получаем в этом случае:

 

,

 

.                     (5.20)

 

Отличие обратных токов I _к0 и I _к0 ' состоит в том, что ток I _к0 определяется при короткозамкнутой цепи эмиттера (U_э = 0), а ток I _к0 ' - при разомкнутой (J _э = 0).

Обозначим ток эмиттера при большом отрицательном смещении и разомкнутой цепи коллектора через I _э0 ' – тепловой ток эмиттера:

.                   (5.21)

 

Величины теплового эмиттерного и коллекторного токов значительно меньше, чем соответствующие тепловые токи диодов.

Подставляя (5.19) в (5.18), получаем:

 

,

 

,   (5.22)

 

,

 

где J _б – ток базы, равный разности токов эмиттера J _э и коллектора J _к.

Формулы (5.22) получили название формул Эберса – Молла и полезны для анализа статических характеристик биполярного транзистора при любых сочетаниях знаков токов и напряжений.

При измерении теплового тока коллектора I _к0 дырки как неосновные носители уходят из базы в коллектор: J _к = J _б(J _э = 0). При этом поток дырок из базы в эмиттер не уравновешен и их переходит из эмиттера в базу больше, чем в равновесных условиях. Это вызовет накопление избыточного положительного заряда в базе и увеличение потенциального барьера на переходе эмиттер – база, что, в конце концов, скомпенсирует дырочные токи.

Таким образом, необходимо отметить, что при изменении теплового тока коллектора эмиттер будет заряжаться отрицательно по отношению к базе.

 

5.7. Дифференциальные параметры

биполярных транзисторов в схеме с общей базой

 

Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора, являются коэффициент передачи тока эмиттера α, сопротивление эмиттерного (r _э) и коллекторного (r _к) переходов, а также коэффициент обратной связи эмиттер – коллектор μ _эк.

Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе:

 

.                   (5.23)

 

Коэффициент передачи эмиттерного тока a характеризует изменение коллекторного тока J _к при вызвавшем его изменении эмиттерного тока J _э. Ток коллектора обусловлен дырками, дошедшими от эмиттерного перехода до коллекторного. Поэтому важны доля дырок, дошедших до коллекторного перехода и нерекомбинировавших в базе, и доля дырочного тока в эмиттерном токе.

Для коэффициента передачи α можно записать:

 

,       (5.24)

где  – коэффициент инжекции, или эффективность эмиттера, – коэффициент переноса.

Таким образом, g – доля полезного дырочного тока в полном токе эмиттера J _э, а коэффициент c показывает долю эмиттерного дырочного тока, без рекомбинации дошедшего до коллекторного перехода.

Поскольку коэффициент передачи a определяется произведением коэффициентов инжекции g и переноса c как a = g c, то у сплавных транзисторов, где ширина базы составляет W = 10 - 20 мкм, в коэффициенте передачи a главную роль играет коэффициент переноса c. У диффузионных транзисторов ширина базы равняется W = (1 - 2) мкм и главную роль в коэффициенте передачи a играет коэффициент инжекции g.

Сопротивление эмиттерного перехода определяется как отношение изменения напряжения на эмиттере к изменению тока эмиттера при постоянном токе коллектора:

 

.                (5.25)

 

Сопротивление коллекторного перехода определяется как отношение изменения напряжения на коллекторе к изменению тока коллектора при постоянном токе эмиттера:

 

.                 (5.26)

 

Коэффициентом обратной связи называется отношение приращения напряжения на эмиттере к приращению напряжения на коллекторе при постоянном токе через эмиттер:

 

.                 (5.27)

 

5.8. Дифференциальные параметры биполярных

транзисторов в схеме с общим эмиттером

 

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рис. 5.15.

Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы J _б и напряжение на коллекторе U _к, а выходными характеристиками будут ток коллектора J _к и напряжение на эмиттере U _э.

 

 

Рис. 5.15. Схема включения транзистора

с общим эмиттером

 

Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде:

 

.                            (5.28)

 

В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа) .

 

, (5.28’)

 

после перегруппирования сомножителей получаем:

 

.        (5.29)

 

Коэффициент  перед сомножителем J _б показывает, как изменяется ток коллектора J _к при единичном изменении тока базы J _б. Он называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент b.

 

.                           (5.30)

 

Поскольку величина коэффициента передачи a близка к единице (a < 1), то из уравнения (5.30) следует, что коэффициент усиления b будет существенно больше единицы (b >> 1). При значениях коэффициента передачи a = 0,98 - 0,99 коэффициент усиления будет лежать в диапазоне β = 50 - 100.

 

5.9. Малосигнальные параметры

биполярного транзистора

 

Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I ₁ и I ₂ и два значения напряжения U ₁ и U ₂ (рис. 5.16).

В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z -параметров, y -параметров и h -параметров. Рассмотрим их более подробно, используя линейное приближение.

 

 

Рис. 5.16. Схема четырехполюсника

 

Система z-параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника токи I ₁ и I ₂, а напряжения U ₁ и U ₂ будем определять как функции этих токов. Тогда связь напряжений и токов в линейном приближении будет иметь вид:

 

;

(5.31)

.

 

Коэффициенты z _ik в этих уравнениях определяются следующим образом:

‑ входное и выходное сопротивления

 

и ;

 

‑ сопротивления обратной и прямой передач

 

 и .

Измерения z ‑параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I ₁ = 0) и выходе (I ₂ = 0). Реализовать режим разомкнутого входа I ₁ = 0 для биполярного транзистора достаточно просто (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому размыкающее сопротивление в цепи эмиттера в несколько кОм уже позволяет считать I ₁ = 0). Реализовать режим разомкнутого выхода I ₂ = 0 для биполярного транзистора сложно (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и размыкающее сопротивление в цепи коллектора в силу этого должно быть порядка ГОм).

 

5.9.2. Система y -параметров

Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника напряжения U ₁ и U ₂, а токи I ₁ и I ₂ будем определять как функции этих напряжений. Тогда связь токов и напряжений в линейном приближении будет иметь вид:

 

;

(5.32)

.

 

Коэффициенты в уравнениях имеют размерность проводимости и определяются следующим образом:

‑ входная и выходная проводимости

 

 и ;

 

‑ проводимости обратной и прямой передач

 и .

 

Измерение y -параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U ₁ = 0) и выходе (U ₂ = 0). Реализовать режим короткого замыкания на входе (U ₁ = 0) для биполярного транзистора достаточно сложно (сопротивление эмиттерного перехода составляет всего десятки Ом и поэтому замыкающее сопротивление в цепи эмиттера должно составлять доли Ома, что достаточно сложно). Реализовать режим короткого замыкания на выходе U ₂ = 0 для биполярного транзистора просто (сопротивление коллекторного перехода равняется десяткам МОм и замыкающие сопротивления в цепи коллектора могут быть даже сотни Ом).

 

5.9.3. Система h -параметров

Система h -параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U ₂ = 0) и режим холостого хода на входе (I ₁ = 0). Поэтому для системы h -параметров в качестве входных параметров задаются ток I ₁ и напряжение U ₂, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I ₂ и напряжение U ₁, при этом система, описывающая связь входных I ₁, U ₂ и выходных I ₂, U₁ параметров, выглядит следующим образом:

 

;

(5.33)

.

 

Значения коэффициентов в уравнении для h -параметров определяются следующим образом:

– входное сопротивление при коротком замыкании на выходе ;

– выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи ;

– коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи ;

– коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе .

Эквивалентная схема четырехполюсника с h - параметрами приведена на рис. 5.17 а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h ‑параметр.

Для различных схем включения биполярного транзистора (схема с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором) h -параметры связаны друг с другом. В табл. 5.2 приведены эти связи, позволяющие рассчитывать h - параметры для схемы включения с общей базой, если известны эти параметры для схемы с общим эмиттером.

 

 

Рис. 5.17. Эквивалентная схема четырехполюсника:

а - биполярный транзистор в схеме с общей базой;

б - биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

 

Таблица 5.2

 

Связи между h-параметрами в схемах включения 

транзистора с общей базой и общим эмиттером

h 11б
h 12б
h 21б
h 22б

 

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов зависят от режимов их работы. Для схемы с общим эмиттером наибольшее влияние испытывает коэффициент усиления эмиттерного тока h _21э в зависимости от тока эмиттера. На рис. 5.18 приведена эта зависимость для транзисторов КТ215 различных типономиналов. В области малых токов (микромощный режим) коэффициент усиления уменьшается вследствие влияния рекомбинационной компоненты в эмиттерном переходе, а в области больших токов (режим высокого уровня инжекции) – коэффициент усиления уменьшается вследствие уменьшения коэффициента диффузии.

 

 

 

Рис. 5.18. Зависимость коэффициента h _21э для различных транзисторов марки КТ215 от эмиттерного тока I _э

 

 

5.10. Частотные и импульсные свойства транзисторов

 

Динамические свойства биполярных транзисторов определяются переходной и частотной характеристиками.

На частотные свойства транзисторов большое влияние оказывают емкости р- п -переходов. С увеличением частоты емкостное сопротивление уменьшается, и шунтирующее действие емкостей возрастает. Поэтому Т-образная эквивалентная схема транзистора на высоких частотах, кроме чисто активных сопротивлений r _э, r _к, и r _б, содержит емкости С _э и С _к, шунтирующие эмиттерный и коллекторный переходы. Особенно вредное влияние на работу транзистора оказывает емкость С _к, так как на высоких частотах емкостное сопротивление 1/ w _в С _к оказывается значительно меньше, чем сопротивление r _ки коллекторный переход теряет свои основные свойства. В данном случае влияние емкости С _к; аналогично влиянию емкости, шунтирующей р- п -переход в плоскостном полупроводниковом диоде.

Второй причиной ухудшения работы транзистора на высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Это обусловлено инерционностью процесса прохождения носителей заряда через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания зарядов в базе.

Время пролета носителей через базу t _пр у обычных транзисторов составляет приблизительно 0,1 мкс. Конечно, это время очень мало, но на частотах порядка единиц - десятков мегагерц становится заметным некоторый сдвиг фаз между переменными составляющими токов I _э и I _к. Это приводит к увеличению переменного тока базы и, как следствие, к снижению коэффициента усиления по току. Это явление иллюстрируется векторными диаграммами, приведенными на рис. 5.19.

 

Рис. 5.19. Векторные диаграммы токов транзистора

на разных частотах

 

Первая из них соответствует относительно низкой частоте, на которой все токи практически совпадают по фазе, а коэффициент b имеет наибольшую величину b = b ₀. На более высокой частоте запаздывание тока I _кна время t_пр относительно тока I _э ведет к появлению заметного сдвига фаз j между этими токами. Теперь ток базы I _Б равен не алгебраической (как на рис. 5.19, а), а геометрической разности токов I _э и I _к, вследствие чего он заметно увеличивается (рис. 5.19, б). На еще более высокой частоте коэффициент b становится еще меньше вследствие увеличения угла сдвига фаз j и тока I _Б (рис. 5.19, в).

Необходимо отметить, что с увеличением частоты коэффициент b уменьшается значительно сильнее, чем a.. Коэффициент a снижается лишь вследствие влияния емкости С _к, а на величину b влияет, кроме этого, еще и сдвиг фаз между I _э и I _к. Следовательно, схема с общей базой имеет лучшие частотные свойства, чем схема с общим эмиттером.

Для определения коэффициентов усиления по току на частоте f могут быть использованы формулы

,            .  (5.34)

 

где a ₀ и b ₀ - коэффициенты усиления по току при частоте f = 0; f _a и f _b - предельные частоты транзистора в схемах с общей базой и общим эмиттером соответственно.

Предельная частота усиления в схеме с ОБ - это частота, на которой модуль коэффициента передача тока эмиттера уменьшается в  раз.

Предельная частота усиления транзистора в схеме с ОЭ – это частота, на которой модуль коэффициента усиления тока базы уменьшается в  раз.

Граничная частота в схеме с ОЭ – это частота, на которой коэффициента усиления тока базы уменьшается до единицы.

Максимальная частота генерации – это частота, на которой коэффициент усиления по мощности становится равным единице.

Частотная характеристика определяет прохождение комплексных переменных токов через транзистор.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость коэффициента передача тока от частоты (рис. 5.20).

Для расширения частотного диапазона транзисторов необходимо увеличивать скорость перемещения неосновных носителей зарядов через базу, уменьшать толщину слоя базы и коллекторную емкость. При выполнении этих условий транзисторы (например, дрейфовые, планарные) могут успешно работать на частотах порядка десятков и сотен мегагерц.

 

 

Рис. 5.20. Амплитудно-частотная характеристика

 

В заключение построим эквивалентную схему биполярного транзистора на высоких частотах для схемы с общей базой (рис. 5.21).

 

 

Рис. 5.21. Эквивалентная схема биполярного транзистора

на высоких частотах для схемы с общей базой

 

На приведенной эквивалентной схеме основные параметры элементов в эмиттерной, базовой и коллекторной цепи такие же, как и для эквивалентной схемы при малых частотах. Различие этих двух схем проявляется в коллекторной цепи, где частотная зависимость коэффициента передачи α (ω) изображена в виде фазосдвигающей RC ‑цепочки С _ф и R _ф в коллекторной цепи.

Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из эмиттера носители достигнут коллектора не ранее чем за время диффузии носителей через базу, определяемое как . Такое запаздывание приведет к сдвигу фаз между током в эмиттерной и коллекторной цепях.

Переходная характеристика – это реакция системы на ступенчатый сигнал единичной амплитуды.

Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 5.22. При включении транзистора (а) в его базу подается прямоугольный импульс тока с крутым фронтом. Ток коллектора достигает установившегося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задержки t _зад, спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени t _нар достигает установившегося значения I _{к вкл}, таким образом время включения транзистора t _вкл = t _зад + t _нар.

При выключении транзистора (б) на его базу подается обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным I _{б вык}. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания t _рас. После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течении времени t _сп. Таким образом время выключения транзистора равно t _выкл = t _рас + t _сп. Следует отметить, что при выключении транзистора, несмотря на изменение направления ток базы, транзистор в течение времени t _рас остается включенным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начнется одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно.

 

 

Рис. 5.22. Процессы при включении транзистора (а) и выключении (б)

 

Тиристоры

 

6.1. Структура и принцип действия

 

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более р- n -переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рис. 6.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р ₁- n ₁ -р ₂- n ₂ прибор, содержащий три последовательно соединенных р- n -перехода (П₁, П₂ и П₃). Обе внешние области называют эмиттерами (Э₁, Э₂), а внутренние области – базами (Б₁, Б₂) тиристора (см. рис. 6.1, а). Переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, переход П₃ – коллекторный переход.

 

 

Рис. 6.1. Схема диодного тиристора:

а - структура диодного тиристора; б - зонная диаграмма

 

Тиристоры с двумя электродами называются диодными тиристорами или динисторами; с тремя электродами – триодными тиристорами или тринисторами, а чаще всего просто тиристорами.

Простейшие динисторы, запираемые в обратном направление, обычно изготавливают из кремния и содержат четыре чередующихся p- и n- области. Область р ₁, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область n ₂ – катодом; области n ₁ и р ₂ – базами. Если на динистор подать напряжение V _G = U плюсом на область р ₁ (то есть на анод), минусом на область n ₂ (то есть на катод), то переходы П₁ и П₂, называемые эмиттерными, окажутся открытыми, а переход П₃ (коллекторный) – закрытым. Практически все напряжение будет приложено к закрытому переходу П₃. И ток в цепи будет равен обратному току коллекторного перехода П₃, то есть будет иметь небольшое значение как и для любого кремниевого диода в запорном направлении. При достаточно большом напряжении (U = U_пер) в переходе П₃ возникает сильное электрическое поле, под действием которого начинается ударная ионизация, вызывающая лавинообразный рост тока и пробой перехода П₃. Сопротивление пробитого перехода П₃ становится очень малым, поэтому напряжение на переходе П₃ скачком снижается до значения U» U_отк = (0,5 – 1,5) В, и ток в цепи динистора теперь определяется практически величиной сопротивления нагрузки и допустимой рассеиваемой мощностью динистора, т.е. динистор переходит в открытое состояние. Ток резко растет с увеличением напряжения U и может достигать очень больших значений.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диодного тиристора, приведенная на рис. 6.2, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению U, подаваемому на первый p ₁-эмиттер тиристора. Участок характеристики между точками 0 и А соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения U падает на коллекторном переходе П₃, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p- n -перехода.

 

Рис. 6.2. Вольт-амперная характеристика динистора

 

При достижении напряжения U, называемого напряжением включения или переключения U _пер, или тока I, называемого током включения или переключения I _пер, ВАХ тиристора переходит на участок между точками В и С, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками А и В находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статиче