Рассасывания носителей

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями р-и-переходов и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

тием в проводимости только основных носителей и отсутствием инерционных процессов рассасывания неосновных носителей при переключении напряжения на переходе с прямого направления на запирающее. Полупроводниковые приборы, в которых использованы гетеропереходы, обеспечивают время переключения в пределах 0,3...1 не.

Процесс выключения транзисторного ключа также можно разделить на время рассасывания неосновных носителей в базе tpac = t4, — t3 и время спада коллекторного тока tc = ts —t4.

из состояния логического нуля в единицу. После запирания VT2 транзистор FT, откроется раньше, чем закроется насыщенный транзистор УТ4, так как для выхода VT4 из режима насыщения потребуется некоторое время для рассасывания неосновных носителей в базе. В результате в течение некоторого промежутка времени оба транзистора VT3 и VT4 открыты и по цепи, состоящей из элементов Ек, VT3, VD и VT4, протекает ток, значение которого определяется эмиттерным током КГ3, находящегося в активном режиме:

Быстродействие И2Л-схемы определяется в основном перезарядом паразитных емкостей, шунтирующих выходные цепи л-р-л-транзисторов, и временем рассасывания неосновных носителей в базе насыщенного транзистора, которое для И2Л-схем составляет 10—50 не. Время переходных процессов при перечислении транзисторов И2Л-схемы уменьшается при увеличении рабочего тока инжектора. Однако при этом возрастает и потребляемая мощность схемы. Типовые значения рабочего тока инвертора современных И2Л-схем лежат в пределах 10"6—1 мА при напряжении питания 1 — 1,5В.

Остановимся подробнее на факторах, определяющих быстродействие базовых элементов рассмотренного типа. Так же как и в БТ, в нормальных закрытых ПТУП, работающих при прямых смещениях на р-л-переходе затвор— исток, происходит накопление избыточного заряда неосновных носителей в затворной, истоковой и канальной областях. Поэтому быстродействие схем с непосредственными связями на ПТУП также зависит от времени рассасывания неосновных носителей, которое и определяет в основном время формирования положительного фронта выходного импульса при переключении инвертора при закрывающемся ПЭ. Кроме того, параметром, характеризующим длительность переходных процессов в схемах с непосредственными связями на ПТУП, является зарядка паразитной выходной емкости инвертора при формировании отрицательного фронта выходного импульса. Разрядка выходной емкости происходит через сопротивление канала открытого ПТУП и зависит в первом приближении от постоянной времени, равной RKCBb[K. Следует отметить, что составляющая времени задержки переключения, обусловленная накоплением избыточного заряда неосновных носителей, больше других составляющих при значениях рабочих токов, соответствующих высокому уровню инжекции p-n-перехода затвор— исток ПТУП. Однако с уменьшением уровня токов влияние эффектов накопления на время задержки переключения уменьшается. При малых уровнях токов, соответствующих низкому уровню инжекции /?-п-перехода затвор—исток ПТУП, их влияние незначительно по сравнению с влиянием времени зарядки—разрядки паразитных емкостей. В инверторах, использующих ПТШ в качестве ПЭ, эффекты, связанные с накоплением неосновных носителей, отсутствуют, поскольку ПТШ является униполярным прибором .

Транзисторы с барьером Шоттки. Быстродействие кремниевых планарных транзисторов в режиме переключения определяется временем рассасывания неосновных носителей, накопленных в базе и коллекторе при открытых эмиттерном и коллекторном переходах. Для увеличения быстродействия транзисторов кремний легируется золотом, однако при этом снижается время жизни неосновных носителей т„, уменьшается коэффициент усиления р и увеличивается обратный ток /кобр- Наиболее эффективным конструктивным способом повышения быстродействия транзисторов является использование диодов Шоттки, шунтирующих коллекторный переход. Транзистор такого типа называется транзистором Шоттки.

ных носителей, накопленных в базе. Время рассасывания неосновных носителей определяет длительность плоской части рабочего импульса. Неосновных носителей по мере рассасывания в базе сталовится меньше, и транзистор выходит из насыщения, обретая усилительные свойства. Уменьшение тока базы вызывает уменьшение тока коллектора. Снижение тока коллектора вызывает появление на базе транзистора ЭДС положительной полярности, что приводит к еще большему снижению тока базы и тока коллектора. Снова развивается лавинный процесс, который называется обратным бло-кинг-процессом. За это время напряжение на конденсаторе С и магнитная энергия сердечника не успевают измениться. После закрывания транзистора отрицательное напряжение продолжает расти. Получается характерный для блокинг-процесса выброс напряжения, который объясняется рассеянием энергии, накопленной в сердечнике трансформатора за время формирования вершины рабочего импульса. Этот выброс, складываясь с напряжением на коллекторе, может достичь значения напряжения UK^.2EK, большего максимально допустимого для данного транзистора. После выброса могут наступить затухающие колебания, которые своими положительными полупериодами могут производить ложные срабатывания блокинг-генератора ( 12.25, в), превращая его в обычный LC-генератор. Для исключения ложных срабатываний в нагрузочную обмотку ставят диод, срезающий отрицательный полупериод. В блокинг-гене-раторах такой диод называют демпфирующим диодом.

Это соотношение отражает процесс рассасывания неосновных носителей в базе транзистора, коллекторный переход которого все время смещен в обратном направлении. Эмиттерный переход сначала смещен в прямом направлении и проводит ток /Э.П31 = /Bxi ~ ^дпь а затем запирается импульсом напряжения, который в течение времени рассасывания обеспечивает ток 13 П32 = /ВХ2 — lmi. ( 6.5). Время рассасывания fpac, определяемое из уравнения 2э.н,пз (грас) = 0> выражается формулой

Диоды с накоплением заряда, в отличие от диодов Шоттки, имеют повышенное значение времени задержки выключения, что вызвано искусственным удлинением стадии рассасывания неосновных носителей. Задержка выключения, обеспечиваемая диодом, является его рабочим параметром и применяется для получения временных задержек срабатывания импульсных устройств.

Ключевой каскад с цепью нелинейной отрицательной обратной связи. Рассмотренные схемы ключевых каскадов, обладая существенным достоинством — большим, приближающимся к единице коэффициентом использования питающего напряжения /С„, в то же время имеют и недостаток — большую задержку выключения. В ключевых каскадах с форсирующим конденсатором (см. 3.89) этот недостаток только ослаблен, но не устранен, так как перед выключением /б > /бн, и выключение, как и в других схемах, начинается с этапа рассасывания неосновных носителей. Этап рассасывания, а следовательно, и задержку включения можно было бы устранить, если создать транзистору во включенном состоянии не насыщенный, а активный режим работы. Однако непосредственное использование активного режима транзистора в схеме 3.81 вызывает новые трудности. Дело в том, что в активном режиме транзистора /н = В/в. Остаточное напряжение на выходе включенного каскада U К9 Ост = = — (Е — /к^к)- Остаточное напряжение может быть значительным, ^кэ ост! > ?/кн» что приводит к уменьшению амплитуды выходного импульса и снижению коэффициента /Си. Но этот недостаток не единственный. Более существен тот факт, что UK3 OCT зависит от коэффициента усиления В транзистора. Если отпирающий ток /б, создаваемый входным источником ывх(0> неизменен, то ток /к — = В/в оказывается прямо пропорционален В. Соответственно напряжение икз ост = — (Е — B/6RK) будет тем меньше, чем больше В. Так как разброс значений В биполярных транзисторов велик, то повторяемость выходных параметров ключевого каскада оказывается неудовлетворительной. Даже в том случае, когда осуществляется индивидуальная подстройка режимов каскадов по уровню U кэ ост, например за счет регулировки включающего тока /б путем подбора значений RQ, что само по себе крайне нежелательно при серийном производстве аппаратуры, температурные отклонения В приведут к разбросу значений (Укэ Оот и V 'т в заданном диапазоне температур. Поэтому ненасыщенный режим транзистора в простейшей схеме включения ( 3.81) обычно не используют, а применяют каскады с дополнительными цепями обратной связи, стабилизирующими выходное напряжение в широком диапазоне изменения В. Для повышения значений коэффициента Ка остаточное напряжение на выходе вклю-

Повысить быстродействие ТТЛ-схем можно, применив в схеме базового элемента (см. 5.18) вместо обычных транзисторов транзисторы Шотки (см. 5.6), работающие в активном режиме. Тем самым сокращается время переключения транзисторов схемы за счет исключения времени рассасывания носителей заряда в базе транзистора при их запирании. Логические ИМС, выполненные на базе транзисторов Шотки, называются микросхемами ТТЛШ.

Дополнение схемы переключателя тока эмиттер-ными повторителями играет важную роль. Благодаря малому выходному сопротивлению эмиттерного повторителя повышается нагрузочная способность схемы и ускоряется перезаряд нагрузочной емкости. Транзисторы ЭСЛ-схемы ( 5.21) работают в активном режиме, что исключает время рассасывания носителей заряда в базе транзистора, т. е. существенно повышается быстродействие схемы. В отсутствие эмиттерных повторителей активный режим работы транзисторов обеспечить крайне сложно, так как коллектор транзистора основной схемы оказывается непосредственно связан с базой входного транзистора нагрузочной схемы, что неизбежно приводит к насыщению последнего. В случае применения эмиттерных повторителей напряжение на базе открытого нагрузочного транзистора, например, VT± нагр равно

8.205. Пояснить особенности работы транзистора в импульсном режиме. Какое влияние оказывают процессы накопления и рассасывания носителей заряда в базе на работу транзистора в импульсном режиме?

Одним из основных требований, предъявляемых к работе триггера, является его быстродействие. Быстродействие схем триггеров зависит в основном от инерционных свойств транзисторов, т. е. от времени рассасывания носителей и вывода транзисторов из состояния насыщения. Для повышения быстродействия триггеров применяют специальные схемы, в которых используется нелинейная обратная связь, предотвращающая насыщение транзисторов. Схема ненасыщенного триггера приведена на 134.

СВЧ диоды. Диоды, работающие на сверхвысоких частотах, обычно точечные, и п — р-переход в mix очень часто образуется контактом металл — полупроводник (такие диоды называются диодами Шоттки). Вследствие этого в области п — р-перехода почти не происходит накопления и сравнительно медленного рассасывания носителей заряда (как это происходит в обычных диодах) и процессы выпрямления, переключения или преобразования СВЧ сигналов протекают весьма быстро.

Дивергенция вектора плотности потока характеризует скорость накопления (или рассасывания) носителей заряда в элементарном объеме полупроводника, обусловленную неравенством втекающих и вытекающих потоков носителей. В одномерном случае

На 8.21,6 показаны эпюры напряжений, иллюстрирующие переходные процессы при перебросе триггера. В исходном состоянии инвертор на TI открыт и насыщен, а инвертор на Тг закрыт. Входной сигнал в виде положительного перепада напряжения подается на базу транзистора Т$. В момент времени ti Транзистор Гз открывается и начинает отбирать часть тока инжектора Т„1. По мере увеличения входного сигнала возрастает ток, отбираемый коллектором транзистора 7"з, поэтому уменьшается ток базы инвертора на Т\. Начинается стадия рассасывания носителей в базе TI, продолжительность которой определяется длительностью грас- После выхода из насыщения инвертора на Tj по мере увеличения его выходного напряжения возрастает потенциал базы транзистора Т 2. Спустя время *зд.от, когда [/ВЫХ1 (?3д.от) == 1;вх.от, отпирается инвертор на Тг и заканчивается стадия подготовки. Обычно после этого начинается стадия восстановления, так как инвертор на Т\ запи-392

Ки х 1,7 В/мВ, максимальны vi напряжением сдвига [/вхсд = 2 мВ, токами смещения и сдвига /вх.См =,20 мкА и /вх сд = 3 мкА, временем задержки Гзд» 80 не. Недостатками данного типа ИКН являются: низкая нагрузочная способность (одна микросхема ТТЛ), несимметричные напряжения питания: +12 В и — 6 В, узкий диапазон допустимых входных парафазных сигналов. Практически их невозможно приспособить для работы на высокоуровневые ИМС, построенные на МДП-транзисторах. Существенным недостатком является зависимость параметров ИКН от разброса коэффициента передачи тока базы Рлг транзисторов. При больших PN уменьшаются входные токи, возрастает коэффициент усиления, но одновременно увеличивается время рассасывания носителей и соответственно время задержки.

ми Tj и Т2) на уровне 17СТ 4 Vлпр (где 1/ст — напряжение стабилизации; 1/д.Пр— падение напряжения на диодах Ц\ и Д2 при их прямом включении). В эмиттерные цепи дифференциальных каскадов на Тз — Т4 и Гу — Т;; задаются токи значением 0,5 мА, вырабатываемые источниками тока на транзисторах Тч\ и Т23 со стабилизирующей структурой Т-2.1- При помощи эмиттерно-го повторителя на Тю и усилительного каскада на Т\\, на эмиттерный и базовый входы которого поступают сигналы с выходов второго дифференциального каскада, производится преобразование двухфазного сигнала в однофазный. Выходное напряжение усилителя на Т\\ через повторитель напряжения на Т\2 поступает на базу ключевого выходного транзистора Т\$. Глубина насыщения транзистора Т\$ регулируется с помощью каскада на транзисторе Т\ц с транзистором Т\з в диодном включении в эмиттере. Когда выходной потенциал становится меньше некоторого значения, транзистор Тц отпирается и, отбирая часть тока базы Т\2, ограничивает ток его эмиттера, насыщающий транзистор TIS. При этом коэффициент насыщения ключевого транзистора Т is определяется резистивным делителем RU, Ri2, а также отношением площадей эмиттеров транзисторов Т12, Т14 и TIS. Ограничение глубины насыщения уменьшает время рассасывания носителей в базе TIS, способствуя повышению быстродействия ИКН. Для предотвращения выхода из строя транзистора TIS при токах нагрузки выше допускаемых предусмотрена защита, обеспечиваемая транзистором Т16, который отпирается, когда перепад напряжения /№К)з> > l/от.т, и, отбирая часть тока базы Т\2, ограничивает ток нагрузки /„.

рой является инерционность процесса рассасывания носителей заряда (электронов и дырок) из /-слоя при переключении диода с прямого направления на обратное, так как толщина /-слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена.

Как отмечалось в § 4.1, при работе транзистора на малом переменном сигнале его свойства определяются процессами переноса, накопления и рассасывания носителей, а также перезарядкой емкостей переходов. Чтобы рассмотреть это подробнее, представим себе, что через отдельные элементы транзистора проходит сигнал в виде небольшого прямоугольного импульса тока либо небольшого тонкого пакета носителей заряда.