Технические дисциплины - Микроэлектроника

 

Лекция №9.


1.4. Переходные процессы в ключе

Чем быстрее транзистор проходит стадию активного режима, тем меньше потребляемая мощность и выше быстродействие ключа.

 

Время включения.

Пусть  на вход инвертора подают идеальный импульс входного напряжения (время фронта равно нулю), обеспечивающее быстрый рост тока базы и  быстрый переход в режим двойной инжекции.

Чтобы появился Ik и Iб, необходимо, чтобы входная емкость зарядилась, в базовом слое должен накопиться заряд, которые приведет к появлению разности потенциалов между эмиттером и базой необходимой для того, чтобы эмиттерный p-n-переход открылся.

Ток базы появится не сразу, а только тогда когда заряд достигнет величины Q1, при котором прямое напряжение на p-n переходе база-эмиттер достигнет порогового значения (Uвх (пороговое) ~ 0.7 вольт). Ток базы (Iб) будет нарастать несколько позже начнёт расти и ток коллектора (Ik). Напряжение на коллекторе  Uк начнет уменьшаться. Заряд в базовом слое будет продолжать увеличиваться и после завершения процесса включения.

Интервал времени t1-t2 называют временем задержки включения, и определяется оно временем  заряда  входной  ёмкости  и накоплением  заряда в базе до величины Q1.   τз = t1-t2;  τз = Свх ∙ Uпор / Iб. Чем больше базовый ток, тем меньше время задержки, однако при большом базовом токе будет возрастать и максимальный заряд в базовом слое (Qмах), что отрицательно отразится на времени выключения.

Интервал времени  t2-t3 называют временем фронта (tф). За это время ток коллектора достигает максимального значения (Ik (мах)), напряжение на коллекторе и на выходе – минимального (Uк (нас)), а заряд в базовом  слое, продолжая расти, достигает граничного значения (Qгр). Именно при Q = Qгр ток коллектора достигает максимального значения, а транзистор переходит в устойчивое состояние режима двойной инжекции. Величина максимального тока коллектора определяется напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки в цепи коллектора.                           Ток коллектора равен Ik (мах) =  (Uп-Uк (нас))/Rн,  но  так  как Uп >>Uк (нас), то Ik (мах)»Uп/Rн.

Время фронта можно рассчитать следующим образом: tф = t0 lnIб /(βIбIк (нас))} где t0 = (tпрол + Cэ rэ +CкRн), tпрол - время пролёта электронов через базу,  β – коэффициент   передачи  базового  тока       (IкIб).

В интервале времени t3-t4 транзистор работает в режиме двойной инжекции, напряжения и токи не меняются и только заряд в базовом (и не только в базовом, но и в коллекторном и эмиттерном) слое продолжает накапливаться. Это накопление  заряда вредное, так как затем (при выключении) этот заряд должен будет «исчезнуть» частично уйти, частично рекомбинировать на месте. Этот процесс требует времени, это время и будет определять длительность выключения.

Время выключения или время спада (tвыкл) коллекторного тока и нарастания коллекторного и выходного напряжений до первоначального уровня после прекращения входного импульса. Время выключения интервал  t4-t6 = tвыкл разделяется на два временных интервала t4-t5 и t5-t6. Интервал t4-t5 – время рассасывания избыточного заряда до величины Qгр. Избыточные заряды в этот интервал времени уходят и рекомбинируют на месте. Уход их (например, из базы) можно проследить по осциллограмме базового тока. После подачи на вход запирающего импульса базовый ток меняет направление, и пока избыточный заряд не достигнет величины Qгр, транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения. Напряжение на коллекторе и ток коллектора в интервале времени t4-t5 не меняются. В интервале времени t5-t6 (после того как Q < Qгр) транзистор вновь проходит этап работы в активном режиме. И при уменьшении Q до нуля переходит в режим отсечки. Время выключения (tвыкл) зависит от степени насыщения транзистора избыточными зарядами, степень насыщения определяется отношением Qмах /Qгр.  Процесс выключения зависит от размеров слоев и степени их легирования. Время рассасывания избыточного заряда самое большое для коллекторного слоя. В базе время рассасывания в несколько раз меньше  (подвижность электронов выше, чем дырок, а базовый слой имеет малую толщину). В эмиттерном слое самая высокая концентрация примесей, поэтому рекомбинация идет очень интенсивно. Так что, основным слоем, влияющим на скорость рассасывания избыточного заряда, является пассивная область  коллектора, в которой накапливаются избыточные дырки.

Время в включения может быть уменьшено двумя способами: - увеличением базового тока; - включением во входную цепь ускоряющей ёмкости, параллельно сопротивлению в цепи базы.  Однако просто увеличение базового тока приведёт к возрастанию степени насыщения, вследствие чего вырастет время выключения.

В схеме с ускоряющей ёмкостью степень насыщения не увеличивается.

 

 

 

Во время нарастания напряжения на входе ток через ускоряющую ёмкость достигает значительной величины.


Iб » Uб+/Rвх(эм) (ёмкость  заряжается).

 

 

 

Заряд в базовом  слое быстро достигает граничного значения (Qгр). После завершения фронта ток базы уменьшается до значения, такого же как и без ускоряющей ёмкости      Iб » {Uб+ -  Uбэ(нас)} /Rвх(эм) (ёмкость полностью заряжена).

Ускоряющая ёмкость (Су) способствует также сокращению времени спада. Когда транзистор открыт падение напряжения

на резисторе Rвх и на Су равно {Uб+ -  Uбэ(нас)}. При подаче на вход запирающего напряжения (Uб-) напряжение на ёмкости складывается с запирающим напряжением и начальный ток выключения Iвык(начальный)= { Uб- + Uб+ -  Uбэ(нас)} / Rвх, что на много больше тока выключения без ускоряющей ёмкости.

Ускоряющая ёмкость не может быть произвольной. При очень маленькой ёмкости выплески базового тока малы и влияние ёмкости незначительно, при очень большой переходной процесс становится сравним с длительностью импульса. величина ускоряющей ёмкости зависит от Rвх и tфронта

Су » tфронта / Rвх.

 

Одним из способов снижения степени насыщения (Qмах /Qгр) является включение параллельно p-n переходу коллектор-база диода Шоттки.

 

 

Во время работы транзистора в режиме двойной инжекции электроны из эмиттера и коллектора инжектируются в базу, образуя в ней избыточный заряд электронов. Дырки из базы инжектируются в коллектор и эмиттер, образуя там избыточный положительный заряд. Заряд, накапливаемый в коллекторе, составляет значительную часть избыточного заряда и именно этим зарядом и определяется время рассасывания (десятки наносекунд).

Характеристика диода Шоттки отличается от характеристики кремниевого диода на p-n переходе тем, что участок резкого нарастания ток у диода Шоттки начинается при  прямом напряжении 0.3 – 0.4 вольта (у Si p-n перехода 0.6-0.7 вольта). Диод Шоттки, включенный параллельно p-n переходу коллектор-база, ограничивает прямое напряжение на p-n переходе коллектор-база на уровне 0.3 – 0.4 вольта, что очень резко (почти на порядок) уменьшает накапливаемый избыточный заряд. Результат – уменьшение времени выключения (tвыкл). Отметим, что чем хуже параметры транзистора (больше время жизни дырок в коллекторном слое), там эффективнее проявляется влияние  диода Шоттки.

 

Транзисторы с диодом Шоттки применяются в интегральных схемах высокого быстродействия.

 

Лекции полностью!

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить