第五章晶体管的开关特性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体器件物理,第五章 晶体管的开关特性,半导体器件物理,第,5,章,晶体管的开关特性,5.1,二极管的开关作用和,反向恢复时间,5.2,开关晶体管的静态特性,5.3,晶体管开关的动态特性,本章重点,开关晶体管开关原理,（静态特性）,晶体管到开关过程,（延迟过程、上升过程、,超量储存电荷消失过程、,下降过程）,晶体管的开关时间及减小的方法,晶体管（,transistor,，是转换电阻,transfer resistor,的缩写）是一个多重结的半导体器件。通常晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、电流或是信号功率增益。,双极型晶体管,（,bipolar transistor,），或称,双极结型晶体管,（,bipolar junction transistor,，,BJT,），是最重要的半导体器件之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参与导电过程的半导体器件，与只由一种载流子参与传导的,场效应晶体管,不同。（场效应晶体管将在第七、八两章中进行讨论。）,在,放大电路,中，晶体管是一个优良的放大元件，工作在放大区域。在,开关电路,中，晶体管作为优良的开关元件而被广泛使用在计算机和自动控制领域中，此时晶体管工作在截止区（断开）或饱和区（接通），从而在电路中起到开关的作用。,晶体管的开关特性包括两部分，一部分是晶体管处于开态和关态时端电流电压间的,静态特性,，另一部分是在开态和关态之间转换时，电流电压随时间变化的,瞬态特性,。,晶体管由截止区转换到饱和区，或由饱和区转换到截止区，可以通过加在其输入端的外界信号来实现，因此,转换速度极快,，可达每秒几十万次到几百万次，甚至更高。,5.1,二极管的开关作用和反向恢复时间,利用二极管,正、反向电流相差悬殊,这一特性，可以把二极管作开关使用。当开关,K,打向,A,时，二极管处于正向，电流很大，相当于接有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路处于接通状态（开态）；若把,K,打向,B,，二极管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的开关断开，回路处于断开状态（关态）。,在开态时，流过负载的稳态电流为,I,1,V,1,为外加电源电压，,V,J,为二极管的正向压降，对硅管,V,J,约为,0.7V,，锗管,V,J,约为,0.25V,，,R,L,为负载电阻。通常,V,J,远小于,V,1,，所以上式可近似写为,在关态时，流过负载的电流就是二极管的反向电流,I,R,。,把二极管作为开关使用时，若回路处于开态，在“开关”（即二极管）上有微小压降；当回路处于关态时，在回路中有微小电流，这,与一般的机械开关有所不同,。,说明,二极管的反向恢复时间,假设外加脉冲的波形如图,5-6(a),所示，则流过二极管的电流就如图,5-6(b),所示。,导通过程,中（外电路加以正脉冲），二极管,P,区向,N,区输运大量空穴，,N,区向,P,区输运大量电子。,随着时间的延长，,N,区内空穴和,P,区内电子不断增加，直到稳态时停止。在稳态时，流入,N,区的空穴正好与,N,区内复合掉的空穴数目相等，流入,P,区的电子也正好与,P,区内复合掉的电子数目相等，达到动态平衡，流过,P-N,结的电流为一常数,I,1,。,随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增加，,P-N,结上的电压逐步上升，在稳态即为,V,J,。此时，二极管就工作在导通状态。,当某一时刻在外电路上加的,正脉冲跳变为负脉冲,，此时，正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过,P-N,结的反向电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复到正常情况下的反向漏电流值,I,R,。,正向导通时少数载流子积累的现象称为电荷储存效应。,二极管的反向恢复过程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这段时间就称为,储存时间,t,s,。在,t,s,之后，,P-N,结上的电流到达反向饱和电流,I,R,，,P-N,结达到平衡。定义流过,P-N,结的反向电流由,I,2,下降到,0.1 I,2,时所需的时间为,下降时间,t,f,。储存时间和下降时间之和（,t,s,+t,f,）称为,P-N,结的,关断时间,（,反向恢复时间,）。,反向恢复时间限制了二极管的开关速度。,如果,脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得多,，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的开关作用；,如果,脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差不多甚至更短的话,，这时由于反向恢复过程的影响，负脉冲不能使二极管关断。,所以要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不能太短，也就意味着脉冲的重复频率不能太高，这就限制了开关的速度。,5.2,开关晶体管的静态特性,晶体管共射开关电路原理图,V,BB,偏置电压,R,L,负载电阻,当基极回路中输入一幅值,V,I,远大于,V,BB,的正脉冲信号时，,基极电流立即上升到,在驱动电流,I,B,的作用下，发射结电压降逐渐由反偏变为正偏，晶体管由截止变为导通，集电极电流也将随着发射结正向压降的上升而增大。,当集电极电流增加到负载电阻上的压降,I,C,R,L,达到或者超过,V,CC,-V,BE,时，集电结将变为零偏，甚至正偏，发射结上的压降很小，,C,和,E,之间近似短路，相当于图中,CE,间的开关,K,闭合。,因此，,当晶体管导通后，在集电极回路中，晶体管相当于一个闭合开关。,当基极回路的输入脉冲为负或等于零时，晶体管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。这时晶体管工作在截止区，集电极电流,I,C,=I,CEO,，对于性能良好的晶体管，,I,CEO,一般很小，负载电阻上压降很小，集电极和发射极之间的压降,V,CE,V,CC,。,因此，,当晶体管处于截止状态时，晶体管相当于一断开的开关。,将晶体管导通后，工作在饱和区的开关电路，称为,饱和开关,。饱和开关接近于理想开关。,而把晶体管工作在放大区的开关电路，称为,非饱和开关,。这种工作模式，一般用在高速开关电路中。,晶体管的开关作用，是通过,基极控制信号,（,I,B,），使晶体管在饱和（或导通）态与截止态之间往复转换来实现的。,它,与理想开关的主要差别,在于开态时晶体管开关,上的压降,；关态时回路中还存在一,定的电流,I,CEO,，因而回路电流,。,小结,开关晶体管的工作状态,晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出特性曲线上可以看出，随着偏置电压的不同，晶体管的工作区域可以分为,饱和区,、,放大区,和,截止区,三个区域。,此外，当晶体管的发射极和集电极相互交换，晶体管处于倒向运用状态时，也应该同样存在上述三个区域。,为了分析开关特性的需要，我们将倒向（反向）放大区也一并提出进行分析。,发射结和集电结的偏置情况，,集电极输出电流,I,C,和基极输入电流,I,B,之间的关系,饱和区,饱和区的特点是发射结正偏,V,BE,0,，集电结也处于正偏，,V,BC,0,，集电极电流和基极电流间满足,I,C,I,B,的关系。,基极回路中输入一幅值,V,I,V,BB,的正脉冲，基极电流,I,B,将立即跳变，晶体管将沿着输出特性的负载线，由截止区进入放大区。这时，集电极电流,I,C,随着,I,B,的增大而很快上升，管压降,V,CE,则随着,I,C,的增大而下降。当管压降下降到,V,CE,=V,CC,-I,C,R,L,=V,BE,时，集电结由反偏变为,零偏,，使集电结收集载流子的能力减弱，,I,C,随,I,B,增长的速度开始变慢，这时晶体管即进入,临界饱和状态,。,临界饱和时集电极电流,晶体管达到临界饱和时的基极驱动电流，称为,临界饱和基极电流,I,BS,。,若基极驱动电流,I,B,I,BS,，则晶体管将处于过驱动状态，,过驱动电流,过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和状态，过驱动电路越大，饱和深度越深。,晶体管的饱和程度，可以用,饱和深度,S,来描述。,临界饱和，,S=1,深度饱和，,S1,截止区,发射结反偏，集电结反偏，,I,C,=I,CEO,0,。,基极电流,IB,则由这两个电流组成，因而,I,B,I,EBO,+I,CBO,。由于基极电流很小，因此，可以用输出特性曲线中,I,B,=0,的一条线作为放大区和截止区的分界线。,5.3,晶体管开关的动态特性,为使晶体管具有良好的开关状态，有以下,五个要求,：,（,1,）,I,CE0,小，使开关电路截止时接近于断路（开路），关断性良好；,（,2,）,V,CES,小，使开关电路接通时接近于短路状态，接通性良好；,（,3,）,开关时间尽可能短，这点将在以后内容中详细分析；,（,4,）,启动功率小，启动功率是晶体管从截止态转变为饱和态时所需的功率,I,B,V,BES,；,（,5,）,开关功率大，即要求在截止态时能承受较高的反向电压，在导通时，允许通过较大的电流；,非饱和开关电路,：工作在截止区和放大区，开关速度快，但对晶体管的参数均匀性要求高，输出电平也不够稳定。,饱和开关电路：,工作在截止区和饱和区，输出电平较稳定，对晶体管参数的均匀性要求不高，电路设计简单；只是开关速度慢。,饱和开关电路和非饱和开关电路的比较,开关过程的动态分析（,NPN,管）,延迟过程,上升过程,超量储存电荷消失过程,下降过程,延迟过程,t=t,1,时，,I,C,才上升到,0.1I,CS,，时间,t,d,=t,1,-t,0,称为,延迟时间,。,上升过程,在,t=t,2,时刻，,I,C,达到,0.9I,CS,，,t,r,=t,2,-t,1,称为,上升时间,。,上升过程中，由于电流过驱动而储存电荷，载流子积累过程中存在载流子的复合，复合使积累速度变慢。,超量储存电荷消失过程,当,t=t,4,时，,I,C,=0.9I,CS,，定义,t,s,=t,4,-t,3,为,储存时间,。,下降过程,集电极电流,I,C,也就从,0.9I,CS,逐步下降到,0.1I,CS,，在,t=t,5,时，,I,C,=0.1I,CS,，定义,t,f,=t,5,-t,4,为,下降时间,。,下降过程是上升过程的逆过程，下降过程中同样存在载流子的复合，而复合使下降速度变快。,开启时间（关态,开态,）,关断时间（开态,关态,）,开关时间与脉冲持续时间的关系,若晶体管的开关时间比输入脉冲持续时间短，它就有良好的开关作用；反之，开关时间与脉冲持续时间相近甚至更长时，晶体管就难以起到开关的作用了。,