晶體管的開關(guān)特性

1、半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性l開關(guān)晶體管開關(guān)原理開關(guān)晶體管開關(guān)原理 （靜態(tài)特性）（靜態(tài)特性）l晶體管到開關(guān)過程晶體管到開關(guān)過程 （延遲過程、上升過程、（延遲過程、上升過程、 超量儲存電荷消失過程、超量儲存電荷消失過程、 下降過程）下降過程）l l 晶體管的開關(guān)時間及減小的方法晶體管的開關(guān)時間及減小的方法半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 晶體管（晶體管（transistor，是轉(zhuǎn)換電阻，是轉(zhuǎn)換電阻transfer resistor的縮寫）是

2、一個多重結(jié)的半導體器件。通常的縮寫）是一個多重結(jié)的半導體器件。通常晶體管會與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、晶體管會與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號功率增益。電流或是信號功率增益。雙極型晶體管雙極型晶體管（bipolar transistor），或稱），或稱雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor，BJT），是最重要的半導體器件），是最重要的半導體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導

3、電過程的半導體器件，與只由一種載流子參與與導電過程的半導體器件，與只由一種載流子參與傳導的傳導的場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管不同。（場效應(yīng)晶體管將在第不同。（場效應(yīng)晶體管將在第七、八兩章中進行討論。）七、八兩章中進行討論。）半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 在在放大電路放大電路中，晶體管是一個優(yōu)良的放大元件，工作中，晶體管是一個優(yōu)良的放大元件，工作在放大區(qū)域。在在放大區(qū)域。在開關(guān)電路開關(guān)電路中，晶體管作為優(yōu)良的開關(guān)元件中，晶體管作為優(yōu)良的開關(guān)元件而被廣泛使用在計算機和自動控制領(lǐng)域中，此時晶體管工而被廣泛使用在計算機和自動控制領(lǐng)域中，此時晶體管工作在截止區(qū)（斷

4、開）或飽和區(qū)（接通），從而在電路中起作在截止區(qū)（斷開）或飽和區(qū)（接通），從而在電路中起到開關(guān)的作用。到開關(guān)的作用。 晶體管的開關(guān)特性包括兩部分，一部分是晶體管處于晶體管的開關(guān)特性包括兩部分，一部分是晶體管處于開態(tài)和關(guān)態(tài)時端電流電壓間的開態(tài)和關(guān)態(tài)時端電流電壓間的靜態(tài)特性靜態(tài)特性，另一部分是在開，另一部分是在開態(tài)和關(guān)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，電流電壓隨時間變化的態(tài)和關(guān)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，電流電壓隨時間變化的瞬態(tài)特性瞬態(tài)特性。 晶體管由截止區(qū)轉(zhuǎn)換到飽和區(qū)，或由飽和區(qū)轉(zhuǎn)換到截晶體管由截止區(qū)轉(zhuǎn)換到飽和區(qū)，或由飽和區(qū)轉(zhuǎn)換到截止區(qū)，可以通過加在其輸入端的外界信號來實現(xiàn)，因此止區(qū)，可以通過加在其輸入端的外界信號來實現(xiàn)，因此轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)

5、換速度極快換速度極快，可達每秒幾十萬次到幾百萬次，甚至更高。，可達每秒幾十萬次到幾百萬次，甚至更高。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性5.1 二極管的開關(guān)作用和反向恢復時間二極管的開關(guān)作用和反向恢復時間 利用二極管利用二極管正、反向電流相差懸殊正、反向電流相差懸殊這一特這一特性，可以把二極管作開關(guān)使用。當開關(guān)性，可以把二極管作開關(guān)使用。當開關(guān)K打向打向A時，二極管處于正向，電流很大，相當于接時，二極管處于正向，電流很大，相當于接有負載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路有負載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接通狀態(tài)（開態(tài)）；若把處于接通狀態(tài)（開態(tài)）；若

6、把K打向打向B，二極，二極管處于反向，反向電流很小，相當于外回路的管處于反向，反向電流很小，相當于外回路的開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)（關(guān)態(tài)）。開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)（關(guān)態(tài)）。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性在開態(tài)時，流過負載的穩(wěn)態(tài)電流為在開態(tài)時，流過負載的穩(wěn)態(tài)電流為I1LJRVVI11 V1為外加電源電壓，為外加電源電壓，VJ為二極管為二極管的正向壓降，對硅管的正向壓降，對硅管VJ約為約為0.7V，鍺管鍺管VJ約為約為0.25V，RL為負載電阻。為負載電阻。通常通常VJ遠小于遠小

7、于V1，所以上式可近似，所以上式可近似寫為寫為LRVI11 在關(guān)態(tài)時，流過負在關(guān)態(tài)時，流過負載的電流就是二極管載的電流就是二極管的反向電流的反向電流IR。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 把二極管作為開關(guān)使用時，若回路處把二極管作為開關(guān)使用時，若回路處于開態(tài)，在于開態(tài)，在“開關(guān)開關(guān)”（即二極管）上有微（即二極管）上有微小壓降；當回路處于關(guān)態(tài)時，在回路中有小壓降；當回路處于關(guān)態(tài)時，在回路中有微小電流，這微小電流，這與一般的機械開關(guān)有所不同與一般的機械開關(guān)有所不同。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性二極管的反向恢復時間二

8、極管的反向恢復時間 假設(shè)外加脈沖的波形如圖假設(shè)外加脈沖的波形如圖5-6(a)所示，則流過二極所示，則流過二極管的電流就如圖管的電流就如圖5-6(b)所示。所示。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 導通過程導通過程中（外電路加以正脈沖），二極管中（外電路加以正脈沖），二極管P區(qū)向區(qū)向N區(qū)輸運大量空穴，區(qū)輸運大量空穴，N區(qū)向區(qū)向P區(qū)輸運大量電區(qū)輸運大量電子。子。 隨著時間的延長，隨著時間的延長，N區(qū)內(nèi)空穴和區(qū)內(nèi)空穴和P區(qū)內(nèi)電子區(qū)內(nèi)電子不斷增加，直到穩(wěn)態(tài)時停止。在穩(wěn)態(tài)時，流入不斷增加，直到穩(wěn)態(tài)時停止。在穩(wěn)態(tài)時，流入N區(qū)的空穴正好與區(qū)的空穴正好與N區(qū)內(nèi)復合掉的空穴

9、數(shù)目相等，區(qū)內(nèi)復合掉的空穴數(shù)目相等，流入流入P區(qū)的電子也正好與區(qū)的電子也正好與P區(qū)內(nèi)復合掉的電子數(shù)區(qū)內(nèi)復合掉的電子數(shù)目相等，達到動態(tài)平衡，流過目相等，達到動態(tài)平衡，流過P-N結(jié)的電流為一結(jié)的電流為一常數(shù)常數(shù)I1。 隨著勢壘區(qū)邊界上的空穴和電子密度的增隨著勢壘區(qū)邊界上的空穴和電子密度的增加，加，P-N結(jié)上的電壓逐步上升，在穩(wěn)態(tài)即為結(jié)上的電壓逐步上升，在穩(wěn)態(tài)即為VJ。此時，二極管就工作在導通狀態(tài)。此時，二極管就工作在導通狀態(tài)。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 當某一時刻在外電路上加的當某一時刻在外電路上加的正脈沖跳變?yōu)樨撁}沖正脈沖跳變?yōu)樨撁}沖，此時，正向時積

10、累在各區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓此時，正向時積累在各區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓拉回到原來的區(qū)域，開始時的瞬間，流過拉回到原來的區(qū)域，開始時的瞬間，流過P-N結(jié)的反向結(jié)的反向電流很大，經(jīng)過一段時間后，原本積累的載流子一部分電流很大，經(jīng)過一段時間后，原本積累的載流子一部分通過復合，一部分被拉回原來的區(qū)域，反向電流才恢復通過復合，一部分被拉回原來的區(qū)域，反向電流才恢復到正常情況下的反向漏電流值到正常情況下的反向漏電流值IR。正向?qū)〞r少數(shù)載流正向?qū)〞r少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象稱為電荷儲存效應(yīng)。子積累的現(xiàn)象稱為電荷儲存效應(yīng)。二極管的反向恢復過二極管的反向恢復過程就是由于電荷儲存所引起的。反向電流保持不

11、變的這程就是由于電荷儲存所引起的。反向電流保持不變的這段時間就稱為段時間就稱為儲存時間儲存時間ts。在。在ts之后，之后，P-N結(jié)上的電流到結(jié)上的電流到達反向飽和電流達反向飽和電流IR，P-N結(jié)達到平衡。定義流過結(jié)達到平衡。定義流過P-N結(jié)結(jié)的反向電流由的反向電流由I2下降到下降到0.1 I2時所需的時間為時所需的時間為下降時間下降時間tf。儲存時間和下降時間之和（儲存時間和下降時間之和（ts+tf）稱為）稱為P-N結(jié)的結(jié)的關(guān)斷時關(guān)斷時間間（反向恢復時間反向恢復時間）。）。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 反向恢復時間限制了二極管的開關(guān)速度。反向恢復時間

12、限制了二極管的開關(guān)速度。 如果如果脈沖持續(xù)時間比二極管反向恢復時間長得脈沖持續(xù)時間比二極管反向恢復時間長得多多，這時負脈沖能使二極管徹底關(guān)斷，起到良好的，這時負脈沖能使二極管徹底關(guān)斷，起到良好的開關(guān)作用；開關(guān)作用； 如果如果脈沖持續(xù)時間和二極管的反向恢復時間差脈沖持續(xù)時間和二極管的反向恢復時間差不多甚至更短的話不多甚至更短的話，這時由于反向恢復過程的影響，這時由于反向恢復過程的影響，負脈沖不能使二極管關(guān)斷。負脈沖不能使二極管關(guān)斷。 所以要保持良好的開關(guān)作用，脈沖持續(xù)時間不所以要保持良好的開關(guān)作用，脈沖持續(xù)時間不能太短，也就意味著脈沖的重復頻率不能太高，這能太短，也就意味著脈沖的重復頻率不能太高

13、，這就限制了開關(guān)的速度。就限制了開關(guān)的速度。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性5.2 開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性晶體管共射開關(guān)電路原理圖晶體管共射開關(guān)電路原理圖VBB 偏置電壓偏置電壓RL 負載電阻負載電阻半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性當基極回路中輸入一幅值當基極回路中輸入一幅值VI遠大于遠大于VBB的正脈沖信號時，的正脈沖信號時，基極電流立即上升到基極電流立即上升到BBEBBIBRVVVI 在驅(qū)動電流在驅(qū)動電流IB的作用下，發(fā)射結(jié)電壓降逐漸由反偏變?yōu)檎淖饔孟?，發(fā)射結(jié)電壓降逐漸由反偏變?yōu)檎w管

14、由截止變?yōu)閷ǎ姌O電流也將隨著發(fā)射結(jié)正向偏，晶體管由截止變?yōu)閷ǎ姌O電流也將隨著發(fā)射結(jié)正向壓降的上升而增大。壓降的上升而增大。 當集電極電流增加到負載電阻上的壓降當集電極電流增加到負載電阻上的壓降ICRL達到或者超過達到或者超過VCC-VBE時，集電結(jié)將變?yōu)榱闫踔琳?，發(fā)射結(jié)上的壓降時，集電結(jié)將變?yōu)榱闫?，甚至正偏，發(fā)射結(jié)上的壓降很小，很小，C和和E之間近似短路，相當于圖中之間近似短路，相當于圖中CE間的開關(guān)間的開關(guān)K閉合。閉合。 因此，因此，當晶體管導通后，在集電極回路中，晶體管相當于當晶體管導通后，在集電極回路中，晶體管相當于一個閉合開關(guān)。一個閉合開關(guān)。半導體器件物理半導體器件物

15、理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 當基極回路的輸入脈沖為負或等于零時，晶體管當基極回路的輸入脈沖為負或等于零時，晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)。這時晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)。這時晶體管工作在截止區(qū)，集電極電流工作在截止區(qū)，集電極電流IC=ICEO，對于性能良好的，對于性能良好的晶體管，晶體管，ICEO一般很小，負載電阻上壓降很小，集電極一般很小，負載電阻上壓降很小，集電極和發(fā)射極之間的壓降和發(fā)射極之間的壓降VCEVCC。 因此，因此，當晶體管處于截止狀態(tài)時，晶體管相當于當晶體管處于截止狀態(tài)時，晶體管相當于一斷開的開關(guān)。一斷開的開關(guān)。 將晶體管導通后，工作

16、在飽和區(qū)的開關(guān)電路，稱為將晶體管導通后，工作在飽和區(qū)的開關(guān)電路，稱為飽和開關(guān)飽和開關(guān)。飽和開關(guān)接近于理想開關(guān)。飽和開關(guān)接近于理想開關(guān)。 而把晶體管工作在放大區(qū)的開關(guān)電路，稱為而把晶體管工作在放大區(qū)的開關(guān)電路，稱為非飽和非飽和開關(guān)開關(guān)。這種工作模式，一般用在高速開關(guān)電路中。這種工作模式，一般用在高速開關(guān)電路中。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性晶體管的開關(guān)作用，是通過晶體管的開關(guān)作用，是通過基極控制信號基極控制信號（IB），），使晶體管在飽和（或?qū)ǎB(tài)與截止態(tài)之間往復使晶體管在飽和（或?qū)ǎB(tài)與截止態(tài)之間往復轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的。它它與理想開關(guān)的主要

17、差別與理想開關(guān)的主要差別在于開態(tài)時晶體管開關(guān)在于開態(tài)時晶體管開關(guān)上的壓降上的壓降；關(guān)態(tài)時回路中還存在一；關(guān)態(tài)時回路中還存在一定的電流定的電流ICEO，因而回路電流，因而回路電流0VCE0VCE0IC半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性開關(guān)晶體管的工作狀態(tài)開關(guān)晶體管的工作狀態(tài) 晶體管的工作狀態(tài)完全由直流偏置情況決定。從共射輸出晶體管的工作狀態(tài)完全由直流偏置情況決定。從共射輸出特性曲線上可以看出，隨著偏置電壓的不同，晶體管的工作區(qū)域特性曲線上可以看出，隨著偏置電壓的不同，晶體管的工作區(qū)域可以分為可以分為飽和區(qū)飽和區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和和截止區(qū)截止區(qū)三個區(qū)域。三個區(qū)域

18、。 此外，當晶體管的發(fā)射極和集電極相互交換，晶體管處于倒此外，當晶體管的發(fā)射極和集電極相互交換，晶體管處于倒向運用狀態(tài)時，也應(yīng)該同樣存在上述三個區(qū)域。向運用狀態(tài)時，也應(yīng)該同樣存在上述三個區(qū)域。 為了分析開關(guān)為了分析開關(guān)特性的需要，我們特性的需要，我們將倒向（反向）放將倒向（反向）放大區(qū)也一并提出進大區(qū)也一并提出進行分析。行分析。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置情況，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置情況，集電極輸出電流集電極輸出電流IC和基極輸入電流和基極輸入電流IB之間的關(guān)系之間的關(guān)系半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管

19、的開關(guān)特性飽和區(qū)飽和區(qū) 飽和區(qū)的特點是發(fā)射結(jié)正偏飽和區(qū)的特點是發(fā)射結(jié)正偏VBE0，集電結(jié)，集電結(jié)也處于正偏，也處于正偏，VBC0，集電極電流和基極電流間，集電極電流和基極電流間滿足滿足ICIB的關(guān)系。的關(guān)系。 基極回路中輸入一幅值基極回路中輸入一幅值VIVBB的正脈沖，基極的正脈沖，基極電流電流IB將立即跳變，晶體管將沿著輸出特性的負載線，將立即跳變，晶體管將沿著輸出特性的負載線，由截止區(qū)進入放大區(qū)。這時，集電極電流由截止區(qū)進入放大區(qū)。這時，集電極電流IC隨著隨著IB的的增大而很快上升，管壓降增大而很快上升，管壓降VCE則隨著則隨著IC的增大而下降。的增大而下降。當管壓降下降到當管壓降下降到V

20、CE=VCC-ICRL=VBE時，集電結(jié)由反時，集電結(jié)由反偏變?yōu)槠優(yōu)榱闫闫辜娊Y(jié)收集載流子的能力減弱，使集電結(jié)收集載流子的能力減弱，IC隨隨IB增長的速度開始變慢，這時晶體管即進入增長的速度開始變慢，這時晶體管即進入臨界飽和臨界飽和狀態(tài)狀態(tài)。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性臨界飽和時集電極電流臨界飽和時集電極電流LCCLCCCSRVRVI臨界飽和壓降晶體管達到臨界飽和時的基極驅(qū)動電流，稱為晶體管達到臨界飽和時的基極驅(qū)動電流，稱為臨界臨界飽和基極電流飽和基極電流IBS。LCCCSBSRVII半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶

21、體管的開關(guān)特性 若基極驅(qū)動電流若基極驅(qū)動電流IBIBS，則晶體管將處于過驅(qū)動，則晶體管將處于過驅(qū)動狀態(tài)，狀態(tài)，過驅(qū)動電流過驅(qū)動電流LCCBBSBBXRVIIII晶體管的飽和程度，可以用晶體管的飽和程度，可以用飽和深度飽和深度S來描述。來描述。CSBBSBIIIIS半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性截止區(qū)截止區(qū) 基極電流基極電流IB則則由這兩個電流組成，由這兩個電流組成，因而因而IBIEBO+ICBO。由于基極電流很小，由于基極電流很小，因此，可以用輸出特因此，可以用輸出特性曲線中性曲線中IB=0的一條的一條線作為放大區(qū)和截止線作為放大區(qū)和截止區(qū)的分界線。區(qū)

22、的分界線。半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性5.3 晶體管開關(guān)的動態(tài)特性晶體管開關(guān)的動態(tài)特性半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 為使晶體管具有良好的開關(guān)狀態(tài)，有以下為使晶體管具有良好的開關(guān)狀態(tài)，有以下五個要求五個要求：（1）ICE0小，使開關(guān)電路截止時接近于斷路（開路），關(guān)小，使開關(guān)電路截止時接近于斷路（開路），關(guān)斷性良好；斷性良好；（2）VCES小，使開關(guān)電路接通時接近于短路狀態(tài)，接通小，使開關(guān)電路接通時接近于短路狀態(tài)，接通性良好；性良好；（3）

23、開關(guān)時間盡可能短，這點將在以后內(nèi)容中詳細分析；開關(guān)時間盡可能短，這點將在以后內(nèi)容中詳細分析；（4）啟動功率小，啟動功率是晶體管從截止態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱枂庸β市?，啟動功率是晶體管從截止態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蛻B(tài)時所需的功率和態(tài)時所需的功率IBVBES；（5）開關(guān)功率大，即要求在截止態(tài)時能承受較高的反向開關(guān)功率大，即要求在截止態(tài)時能承受較高的反向電壓，在導通時，允許通過較大的電流；電壓，在導通時，允許通過較大的電流；半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理晶體管的開關(guān)特性 非飽和開關(guān)電路非飽和開關(guān)電路：工作在截止區(qū)和放大區(qū)，開關(guān)：工作在截止區(qū)和放大區(qū)，開關(guān)速度快，但對晶體管的參數(shù)均勻性要求高，輸出電速度快，但對晶體管的參數(shù)均勻性要求高，輸出電平也不夠穩(wěn)定。平也不夠穩(wěn)定。 飽和開關(guān)電路：飽和開關(guān)電路：工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，輸出電工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，輸出電平較穩(wěn)定，對晶體管參數(shù)的均勻性要求不高，電路平較穩(wěn)定，對晶體管參數(shù)的均勻性要求不高，電路設(shè)計簡單；只是開關(guān)速度慢。設(shè)計簡單；只是開關(guān)速度慢。