лекторного перехода 1кв при том же напряжении коллектора и дайной температура Для сохранения запертого режима транзистора во всем диапазоне рабочих температур э. д. с. эквивалентного источника смещения £6.3 (рис. 9-87, й) должна удовлетворять условию

£б.з>/кОмакс/?б. (9-192)

где /комакс - максимально возможный обратный ток коллекторного перехода при наивысшей рабочей температуре.

Hfc-

;

Рис. 9-87. Схемы траизистора-ключа в запертом (а) и отпертом (6) состояниях.

Ток насыщения коллектора / .нас - максимальный ток в цепи коллектора (он же в цепи нагрузки, рис. 9-87,6), который может проходить при данных значениях напряжения источника питания коллекторной цепи и сопротивления 7?н нагрузки (рис. 9-86). Так как остаточное напряжение на открытом транзисторе весьма мало, то практически

/к.нас=-- - (9-193)

Величина /к.нас не является параметром транзистора, а лишь характеризует рабочий режим транзистора в данной схеме. Но в связи с тем что особенно большие токи в цепи коллектора могут привести к разрушению транзистора, иногда указывают предельно допустимые для данного транзисторазначения /к.нас.доп в режиме переключения.

Коэффициент уснЛешя по постоянному току В в схеме ключа показывает, во сколько раз постоянный ток коллектора превышает постоянный ток базы:

(9-194)

В общем случае значение В отличается от аналогичного параметра р для малых сигналов и зависит от тока коллектора /к, при котором оно определяется. При расчетах переключающих схем пользуются величиной В, соответствующей минимальным напряжениям коллектора (<7к.э=0,5-ь 1 в).

Ток насыщения базы /е.нас - это-минимальное значение тока базы, при котором ток коллектора достигает насыщения:

Поскольку величина /к.нас зависит от схемы, в которую включен транзистор, то и ток /б.нас у одного и того же транзистора в различных схемах может принимать различные значения.

Коэффициент насыщения Кнас Для того чтобы при небольших случайных отклонениях параметров схемы или параметров самого транзистора (например, в связи с изменением температуры) гарантировать надежное насыщение транзистора в открытом состоянии, в схеме переключения всегда выбирают ток базы больше значения /й.нае-Отношение рабочего тока базы транзистора в открытом состоянии к току базы насыщения называют коэффициентом насыщения:

Кнас = 7 = 7. (9-196) б.иас - к-нас

Обычно величина Кнас выбирается в пределах 2-3. Поскольку избыточная (сверх /б.нас) часть тока базы не вызывает увеличения тока коллектора выше значения /к.нас, рцочий крэффициент усиления по току транзистора в схеме ключа оказывается меньше значения В в /Спас раз:

/к.нас В /о ,Qvv

А/ кл= г. ~ 9-197)

/б.нас -

/к.н

(9-195)

Остаточное напряжение коллектора в режиме насыщения <7к,нас - напряжение между выводами коллектор - эмиттер при насыщении транзистора. Эта величина зависит от выбранного значения тока / .нас и от коэффициента насыщения, несколько снижаясь по мере увеличения /Снас Однако даже на границе насыщения при /Снас = = 1 -ь 1,1 она, как правило, не превышает десятых долей вольта.

Сопротивление насыщения коллектора - отношение остаточного падения напряжения в режиме насыщения к току насыщения коллектора: *

-к.нас =Т. (9-198)

-к.нас

Часто величина Гк.нас слабо зависит от тока насыщения и тогда удобна для расчета остаточного напряжения. У маломощных германиевых транзисторов обычно /к.нас<10 ом, а у кремниевых может достигать сотен ом; у мощных транзисторов при больших токах /к.нас (1 й и более) часто

Гк.нас<1 ОМ.

Напряжение насыщения базы f/е.нас - падение напряжения между электродами база - эмиттер в режиме насыщения. Оно существенно превосходит величину остаточного напряжения коллектора f/к.нас и у маломощных германиевых транзисторов составляет 0,2-;0,5 е, а у кремниевых и мощных транзисторов может превышать 1 в.

На величины напряжений f/к.нас и f/б.нас, в особенности при больших токах

/к.нас, могут сильно ВЛИЯТЬ ОбъСМНЫС СО-

противления областей коллектора, базы и эмиттера (Voбе э.о на рис. 9-61).

к. нас

Но при рациональном выборе параметров транзисторного переключателя эти падения напряжений составляют малую часть напряжений, действующих во внешних цепях:

{/к.нас £к.э; г/б.нас б.э- (9-199)

Пренебрегая напряжениями f/к.нас и fe.Hac, транзистор заменяют непосредственным соединением трех проводников схемы, подключенных к его электродам (рис. 9-88), что упрощает статический расчет схемы. .,

Переходные характеристики транзистора в режиме переключения. Отпирание транзистора происходит в результате включения тока базы /ei в пря- 1 мом для эмиттерного перехода направлении, при этом в режиме ключа /б1>/б.нас, а запирание обеспечивается принудительным смещением эмиттерного перехода в обратном направлении. Последнее обстоятельство допускает возникновение в цепи базы тока обратного направления /ег в момент запирания транзистора (рис. 9-89).

где Кнас выражается соотношением (9-196);

-г = -г,

(9-202)

Твфф-эффективное время жизни неравновесных носителей при работе транзистора в активной области (см. стр. 409, 423), Тск к tea - усредненные постоянные времени перезаряда емкостей коллекторного и эмиттерного переходов:

(9-203) (9-204)

15Ск£/?н В;

3/к.н

Рис. 9-88. Упрощенная эквивалентная схема цепей транзистора-ключа в состоянии включено .

Рис. 9-89. Переходные искажения при работе транзистора в режиме переключения.

При включении тока базы lt\ ток коллектора появляется спустя малый интервал времени h и нарастает по экспоненте, стремящейся к значению б/еь но в связи с заходом в область насыщения его величина ограничивается на уровне тока /к.нас-Время задержки составляет

~ 4 -°>

а время нарастания коллекторного тока

Киас - 1

= т 1п

(9-201)

здесь СкЕ - емкость коллекторного перехода транзистора при напряжении U, соответствующем запертому ключу; Q,a-емкость эмиттерного перехода при <7бэ=0.

После того как прекратится увеличение тока коллектора, переходный процесс в транзисторе еще не заканчивается, он связан с накоплением избыточных носителей в области базы и продолжается в течение времени

уст

:3т:

(9-205)

где Тэфф-эффективное время жизни неравновесных носителей при работе.транзисторов в области насыщения. Величина Тэфф может отличаться от Тэфф, поскольку в области насыщения оба р-п перехода находятся под прямым смещением и это существенно изменяет распределение неравновесных носителей и влияние поверхности и пассивных объемов полупроводниковой пластинки на их время жизни. Часто бывает

эфф <эфф-

После поступления запирающего импульса тока базы /ег проходит некоторое время, прежде чем начнется спад коллекторного тока (рис. 9-89). Задержка начала выключения обусловлена присутствием в области базы избыточного количества неравновесных носителей в связи с насыщением. Лишь после того как произойдет их рассасывание и их распределение будет соответствовать переходу рабочей точки в активную область, начинается спад коллекторного тока. Рассасывание избыточных носителей происходит за счет рекомбинации и тока базы /ег обратного направления,

В обшем случае время рассасывания составляет:

/ т \

р-эфф In

1 е ФФ }+К,

расе ,

1 + /Срасс

(9-206)

где Г -время пребывания транзистора во включенном состоянии, а Красе - коэффициент рассасывания,

В1б2

Красе = -I- - (9-207)

Если T>tyc-r, то выражение для времени рассасывания упрощается:

Кпас Ч~ Красе

(9-208)

расе

В течение этого же времени fp в цеш* базы проходит значительный запирающий ток /б2, поскольку транзистор все еще находится в насыщении.

При особенно большой величине запирающего тока /б2 эмиттерный переход запирается раньще, чем заканчивается рассасывание. При этом неравновесные носители могут уходить из области базы также через эмиттер (эмиттерное рассасывание), запирающий потенциал базы повыщается и передается коллектору в виду выброса напряжения, противоположного полярности источника, питающего коллекторную цепь. На время эмиттерного рассасывания ток коллектора увеличивается сверх значения к.нас (на рис. 9-89 этот выброс изображен штриховой линией).

Спад коллекторного тока происходит по экспоненциальной кривой и продолжается в течение времени спада

/е = т1пЩ52££. (9.209) А расе

Для определения величин т.ф и т*фф помимо приведенных ранее выражений, применяются соотношения, вытекающие из различных методов изучения переходных процессов в транзисторе.

Формулы Молла основаны на двояком представлении транзистора параметрами, характеризующими его работу при норжаль-ном и обратном включениях. Под обратным включением подразумевают взаимную замену эмиттера и коллектора. Если, как обычно, обозначить через а и f коэффициент усиления по току в схеме с общей базой и его граничную частоту, а через обр и / обр-аналогичные параметры при обратном включении, то

эфф =

(1-а)2я/,

эфф /]

д обр

(1- обр)2Я/Лао6р

(9-210)

. (9-211)

Зарядные параметры. Значительное упрощение анализа переходных процессов в транзисторе достигается при использовании вместо уравнения непрерывности (см. стр. 405) уравнений для электрического заряда [Л. 27]. При этом переходы транзистора из запертого состояния в открытое и обратно связываются с зарядом, вводимым из внешних цепей в транзистор или вытягиваемым из транзистора.

Включающий заряд Свкл характеризует изменение заряда Qe, накапливаемого в области базы, и зарядов коллекторного и

эмиттерного переходов (Qck+Qcb) за время включения транзистора:

Qbo = Q6 + Qck + <2c3- (9-212)

Выключающий заряд Свыкл больше включающего на величину избыточного заряда базы Qh36. накапливающегося во время пребывания транзистора в режиме насыщения :

0выкл=<гб+<гск + <гсэ+<гизе =

= <гвКЛ+Сизб- (9-213

Величины составляющих зарядов определяются из соотношений:

Сб = /к.нас кй

Сизб = (61 - /б.нас) - кас;

где Ак.е и Дв.э - изменения напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах при переключении транзистора из запертого состояния в открытое, коэффициенты My и ЛГг зависят от структуры р-п пе-])еходов и пределов изменения напряжений Г/к-б и f/б.э (в среднем равны 1,5), а Тко и Тнас - две постоянные времени, характеризующие изменения заряда в базе за счет изменения токов коллектора и базы:

(9-214) (9-215). (9-216) (9-217)

Тияр -

3/к 3<2изб

tK.6=0

б.изб

к.нас=° *

(9-218)

(9-219)

Значения Тко и Тнас могут быть определены экспериментально [Л. 29] или вычислены через другие известные параметры:

Тко - = (1 - а) Тэфф-, (9-220)

Т - т

нас эфф

(9-2211

где - предельная частота усиления по току в схеме с общим эмиттером (см. стр. 423).

Зная заряды Свкп и Свыкп и установив их связь для конкретной схемы с токами /б и /к в цепях транзистора, можно определить переходную характеристику тока коллектора и вычислить время включения и выключения. Если значения токов Ity и /б2 в течение переходных процессов фиксированы то для tKit-t и выкп=р + *с

получаются выражения, аналогичные приведенным выше.

Предельные эксплуатационные режимы транзисторов

Для предотвращения резкого ухудшения или необратимых изменений электрических характеристик транзисторов устанавливается ряд параметров, ограничивающих эксплуатационные режимы транзисторов.