第五章雙極型晶體管開關特性

1、1第五章第五章 二極管和雙極型晶體管的二極管和雙極型晶體管的 開關特性開關特性1 P-N結(jié)結(jié)2 直流特性直流特性3 頻率特性頻率特性4 功率特性功率特性5 開關特性開關特性（6，7結(jié)型和絕結(jié)型和絕緣柵場效應晶體緣柵場效應晶體管）管）8 噪聲特性噪聲特性5.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性5.2 晶體管的開關作用晶體管的開關作用5.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間5.4 開關晶體管的正向壓降和飽和開關晶體管的正向壓降和飽和壓降壓降本章介紹二極管和晶體管的本章介紹二極管和晶體管的開關作用開關作用、開開關過程關過程，并討論晶體管，并討論晶體管開關特性開關特性與其

2、基本與其基本電學參數(shù)之間的關系，從而為設計和應用電學參數(shù)之間的關系，從而為設計和應用開關管提供必要的理論根據(jù)。開關管提供必要的理論根據(jù)。 25.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用2. 電荷貯存效應電荷貯存效應3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算4. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施圖圖5-1 二極管的開關狀態(tài)二極管的開關狀態(tài)正電平輸入，二極管導通，開態(tài)正電平輸入，二極管導通，開態(tài)負電平輸入，二極管截止，關態(tài)負電平輸入，二極管截止，關態(tài)與理想開關

3、區(qū)別：與理想開關區(qū)別：1.正向壓降；正向壓降；2.反向漏電流；反向漏電流；3.開關時間。開關時間。35.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性2. 電荷貯存效應電荷貯存效應圖圖5-2 導通過程中導通過程中p+-n結(jié)內(nèi)電流、電壓和少子密度的變化結(jié)內(nèi)電流、電壓和少子密度的變化1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用開關作用3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算4. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施LffRVVI1（5-1）（5-2）（5-3）pfxAqDIdxdp 0) 1ln( RfIIqkTV45

4、.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用作用3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算4. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施圖圖5-3 關斷過程中關斷過程中p+-n結(jié)內(nèi)電流、電壓和少子密度的變化結(jié)內(nèi)電流、電壓和少子密度的變化存儲時間存儲時間ts下降時間下降時間tf關斷時間關斷時間tr=ts+tf，反向恢復時間反向恢復時間2. 電荷貯存效應電荷貯存效應55.1 p-n結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用3. 反向恢復時間的計算4. 薄基區(qū)

5、二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施圖5-4 反向恢復過程對開關速度的限制2. 電荷貯存效應電荷貯存效應？電荷貯存效應？65.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用作用2. 電荷貯存效應電荷貯存效應4. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施 采用采用電荷法電荷法進行計算。電荷法的進行計算。電荷法的優(yōu)點是概念清楚，所得公式簡單而便優(yōu)點是概念清楚，所得公式簡單而便于應用于應用 。貯存時間貯存時間tspfQIdtdQ

6、正向時：正向時：穩(wěn)態(tài)時：穩(wěn)態(tài)時：pfIQdtdQ 0反向時：反向時：prQIdtdQ75.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用作用2. 電荷貯存效應電荷貯存效應4. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施初始條件：初始條件：解得：解得：pfIQt , 0 prtrfpIeIItQp認為認為Ir不變：不變：1線為初始時刻，線為初始時刻，Q=Iftp虛線為虛線為x=0處切線處切線2、3、4線平行（斜率、梯度相同）線平行（斜率、梯度相同）斜率為斜率為Ir/AqDp陰影

7、區(qū)面積陰影區(qū)面積=Q(ts)3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算（5-12）85.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用作用2. 電荷貯存效應電荷貯存效應4. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施解得：解得：上述計算利用邊界少子濃度等于零為標志，實際上上述計算利用邊界少子濃度等于零為標志，實際上應是非平衡少子濃度。應是非平衡少子濃度。由上式可見，由上式可見，ts與與 p、Ir、If有關，分別起復合、抽有關，分別起復合、抽取和貯存作用。取和貯存作用。實際中可

8、用測實際中可用測ts的方法確定的方法確定 p，是測量少子壽命的是測量少子壽命的簡便方法。簡便方法。)2()(ln2frrfrpsIIIIIt 3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算95.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用作用2. 電荷貯存效應電荷貯存效應4. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施下降時間下降時間tf實際下降過程中，結(jié)邊緣附近少子濃度梯度逐漸下降，實際下降過程中，結(jié)邊緣附近少子濃度梯度逐漸下降，反向電流不再是常數(shù)，問題復雜。反向電流不再是常

9、數(shù)，問題復雜?？梢越普J為可以近似認為Ir不變，而用（不變，而用（5-12）計算，即認為整個）計算，即認為整個反向過程為反向過程為Ir抽取抽取Iftp的時間，所得結(jié)果較實際的的時間，所得結(jié)果較實際的tf短。短。)1ln( )ln( 1250rffpfrfrprrIIItIIItQtt）條件代入式（時將3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算105.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用作用2. 電荷貯存效應電荷貯存效應3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施4. 薄基區(qū)

10、二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷 在在IC中常將中常將npn管的管的cb短路，短路，利 用利 用 e b 結(jié) 作 為 二 極 管 ， 因結(jié) 作 為 二 極 管 ， 因Wp(Wb)Lnb，故稱之為故稱之為薄基薄基區(qū)二極管區(qū)二極管。 正向工作時，正向工作時，p區(qū)電子線性區(qū)電子線性分布。分布。向其中注入少子的區(qū)域稱為半導體器件的基區(qū)。 11fnIDWQ22 )0(21)0(nAqWQWnAqDInf 5.1 p-n結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用2. 電荷貯存效應3. 反向恢復時間的計算5. 縮短反向恢復時間的措施pfIQdtdQ 04. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷

11、(平均停留時間)125.1 p-n結(jié)二極管的開關特性結(jié)二極管的開關特性1. p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關作用作用2. 電荷貯存效應電荷貯存效應3. 反向恢復時間的計算反向恢復時間的計算4. 薄基區(qū)二極管中的貯存電荷薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5. 縮短反向恢復時間的措施縮短反向恢復時間的措施兩個原則：兩個原則：1.減少貯存電荷量減少貯存電荷量2.加快貯存電荷的消失過程加快貯存電荷的消失過程減小正向電流減小正向電流減小少子擴散長度，即縮短少子壽命減小少子擴散長度，即縮短少子壽命減薄輕摻雜區(qū)厚度減薄輕摻雜區(qū)厚度縮短少子壽命縮短少子壽命增大抽取電流增大抽取電流135.2 晶體管

12、的開關作用晶體管的開關作用1. 晶體管的三個狀態(tài)及開關作用晶體管的三個狀態(tài)及開關作用2. 晶體管開關與二極管開關比較晶體管開關與二極管開關比較3. 開關運用對晶體管的基本要求開關運用對晶體管的基本要求4. 開關過程簡介開關過程簡介145.2 晶體管的開關作用1. 晶體管的三個狀態(tài)及開關作用線性區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)cLccceIRVV直流負載線15試分析Vce=0時，Ic=?16飽和時，飽和時，eb結(jié)正偏約結(jié)正偏約0.7V，ce間飽和間飽和壓降約壓降約0.2-0.3V，因而集電結(jié)正偏。這因而集電結(jié)正偏。這是進入飽和態(tài)的重要標志。是進入飽和態(tài)的重要標志。處于飽和態(tài)的晶體管處于飽和態(tài)的晶體管ce間壓

13、降稱為間壓降稱為飽和飽和壓降壓降，其值與飽和深度有關，取決于負，其值與飽和深度有關，取決于負載電阻上承受的電源電壓。載電阻上承受的電源電壓。5.2 晶體管的開關作用晶體管的開關作用飽和區(qū)特點：飽和區(qū)特點：l過驅(qū)動過驅(qū)動l飽和壓降（?。╋柡蛪航担ㄐ。﹍集電結(jié)正偏集電結(jié)正偏由于負載電阻限制，集電極電流達到由于負載電阻限制，集電極電流達到集集電極飽和電流電極飽和電流而不能繼續(xù)隨基極電流增而不能繼續(xù)隨基極電流增大。實際的基極電流（大。實際的基極電流（驅(qū)動電流驅(qū)動電流）超過）超過與飽和集電極電流相應的數(shù)值。與飽和集電極電流相應的數(shù)值。1. 晶體管的三個狀態(tài)及開關作用晶體管的三個狀態(tài)及開關作用175.2

14、晶體管的開關作用晶體管的開關作用l集電極飽和電流集電極飽和電流l飽和度飽和度l過驅(qū)動因子過驅(qū)動因子l飽和壓降飽和壓降 如果如果在基極交替地施加正、負脈沖在基極交替地施加正、負脈沖( (或電平或電平) )，使晶體，使晶體管交替地處于飽和態(tài)和截止態(tài)，對于集電極回路而言。則管交替地處于飽和態(tài)和截止態(tài)，對于集電極回路而言。則是交替地處于導通是交替地處于導通( (開開) )和斷開和斷開( (關關) )狀態(tài)，因而可將其作開狀態(tài)，因而可將其作開關使用。關使用。1. 晶體管的三個狀態(tài)及開關作用晶體管的三個狀態(tài)及開關作用LCCCSRVI CSbIIS 185.2 晶體管的開關作用晶體管的開關作用2. 晶體管開關

15、與二極管開關比較晶體管開關與二極管開關比較相似之處：相似之處：(1)(1)正向時正向時( (導通時導通時) )管子本身有壓降。管子本身有壓降。(2)(2)反向時反向時( (截止時截止時) )存在漏電流。存在漏電流。(3)(3)存在開關時間存在開關時間不同之處：不同之處：(1)(1)晶體管開關的輸出波形與輸入波形相位差晶體管開關的輸出波形與輸入波形相位差180180。 而二極管開關是同相位的。前者可在集成電路中而二極管開關是同相位的。前者可在集成電路中 作倒相器。作倒相器。(2)(2)晶體管開關有電流及電壓的放大作用，而二極管晶體管開關有電流及電壓的放大作用，而二極管 開關沒有。開關沒有。195

16、.2 晶體管的開關作用晶體管的開關作用3. 開關運用對晶體管的基本要求開關運用對晶體管的基本要求l開態(tài)和關態(tài)特性好開態(tài)和關態(tài)特性好飽和壓降小，消耗功率??；飽和壓降小，消耗功率??；正向壓降小，啟動功率?。徽驂航敌?，啟動功率小；反向漏電流小。反向漏電流小。l開關時間短開關時間短205.2 晶體管的開關作用晶體管的開關作用4. 開關過程簡介開關過程簡介l開關過程開關過程延遲延遲上升上升貯存貯存下降下降l開關時間開關時間延遲時間延遲時間td d上升時間上升時間tr r貯存時間貯存時間ts s下降時間下降時間tf f開啟時間開啟時間ton關閉時間關閉時間toff開關時間開關時間21225.3 晶體管的

17、開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間1. 電荷控制理論電荷控制理論2. 延遲過程和延遲時間延遲過程和延遲時間3. 上升過程和上升時間上升過程和上升時間4. 電荷貯存效應和貯存時間電荷貯存效應和貯存時間5. 下降過程和下降時間下降過程和下降時間6. 提高開關速度的措施提高開關速度的措施235.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間1. 電荷控制理論電荷控制理論前幾章分析晶體管特性時是將晶體管看做前幾章分析晶體管特性時是將晶體管看做“電流控制器件電流控制器件”。對于。對于穩(wěn)態(tài)及小信號運用情況比較容易用線性微分方程來描述晶體管的特穩(wěn)態(tài)及小信號運用情況比較容易用線性微分方程來

18、描述晶體管的特性。性。在作為開關運用時，晶體管的輸入信號幅度變化很大，且不是工作在作為開關運用時，晶體管的輸入信號幅度變化很大，且不是工作在線性區(qū)，而是在截止區(qū)與飽和區(qū)之間跳變。這時的晶體管表現(xiàn)出在線性區(qū)，而是在截止區(qū)與飽和區(qū)之間跳變。這時的晶體管表現(xiàn)出高度的高度的非線性非線性。若再采用前面的分析方法會使問題變得很復雜。若再采用前面的分析方法會使問題變得很復雜。另一方面，研究晶體管的開關特性時，著重討論的是晶體管在由開另一方面，研究晶體管的開關特性時，著重討論的是晶體管在由開到關及由關到開的過程中到關及由關到開的過程中結(jié)偏壓及內(nèi)部電荷的變化趨勢及結(jié)果結(jié)偏壓及內(nèi)部電荷的變化趨勢及結(jié)果，至，至于變

19、化過程的每一瞬間電荷于變化過程的每一瞬間電荷( (載流子載流子) )的具體分布情況并不需要知道，的具體分布情況并不需要知道，因而可以用因而可以用“電荷控制理論電荷控制理論”來討論晶體管的開關特性。來討論晶體管的開關特性。245.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間1. 電荷控制理論電荷控制理論電荷控制理論的基本思想是從少數(shù)載流子的連續(xù)性方程導出電荷控電荷控制理論的基本思想是從少數(shù)載流子的連續(xù)性方程導出電荷控制分析的基本微分方程，將電流（密度）、電荷和時間聯(lián)系起來，通制分析的基本微分方程，將電流（密度）、電荷和時間聯(lián)系起來，通過開關過程中結(jié)偏壓及內(nèi)部電荷的變化趨勢過開關過程中

20、結(jié)偏壓及內(nèi)部電荷的變化趨勢( (規(guī)律規(guī)律) )及結(jié)果得出各個階及結(jié)果得出各個階段的時間。段的時間。 對于對于npnnpn晶體管，基區(qū)電子連續(xù)性方程為晶體管，基區(qū)電子連續(xù)性方程為 （5-25）（5-26）nnnJqtn )(1nbVnbQdxdydzJtQ )(255.3 晶體管的開關過程和開關時間VsnnnidsnJdxdydzJ)(（5-28）根據(jù)高斯定理（5-29）（5-30）（5-31）（5-31a）1. 電荷控制理論電荷控制理論nbnbQitQ npbiii nbbbQitQ nbbbQidtdQ 進入基區(qū)凈的電子電流in凈流入基區(qū)電子對應的電流(-in)電中性要求：流入基區(qū)電子等于流

21、入基區(qū)空穴265.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間（5-31a）基區(qū)中電荷隨時間的變化率等于單位時間基極基區(qū)中電荷隨時間的變化率等于單位時間基極電流所提供的電荷減去在基區(qū)內(nèi)部的復合損失電流所提供的電荷減去在基區(qū)內(nèi)部的復合損失穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時 ，有，有 （穩(wěn)態(tài)值，角標大寫）（穩(wěn)態(tài)值，角標大寫）0dtdQbnBBQI穩(wěn)態(tài)時，基極電流等于基區(qū)內(nèi)的少子復合電流穩(wěn)態(tài)時，基極電流等于基區(qū)內(nèi)的少子復合電流1. 電荷控制理論電荷控制理論nbbbQidtdQ 275.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間定義定義基極時間常數(shù)基極時間常數(shù) 將穩(wěn)態(tài)下基區(qū)貯存的將穩(wěn)態(tài)下基區(qū)貯存的

22、少子電荷與相應的基極電流聯(lián)系起來。少子電荷與相應的基極電流聯(lián)系起來。nBBBIQ集電極時間常數(shù)集電極時間常數(shù)發(fā)射極時間常數(shù)發(fā)射極時間常數(shù)CBCIQEBEIQ稱為稱為電荷控制參數(shù)電荷控制參數(shù)，其相互關系及數(shù)值與器件本身參數(shù)有關，其相互關系及數(shù)值與器件本身參數(shù)有關1. 電荷控制理論電荷控制理論285.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間此即電荷控制分析中描寫瞬態(tài)基極電流與瞬態(tài)基區(qū)電荷關系的基本方此即電荷控制分析中描寫瞬態(tài)基極電流與瞬態(tài)基區(qū)電荷關系的基本方程。由于此方程是由穩(wěn)態(tài)方程外推所得的。因而是一個近似方程，此程。由于此方程是由穩(wěn)態(tài)方程外推所得的。因而是一個近似方程，此近似方

23、程也只有在一定的條件下才可以使用（頻率限制）。近似方程也只有在一定的條件下才可以使用（頻率限制）。 dtdQQibBBb（5-39）sXXTcTebBbbQdtdQdtdQdtdQdtdQQi（5-40）計及結(jié)電容等非本征參數(shù)，完整的電荷控制方程為計及結(jié)電容等非本征參數(shù)，完整的電荷控制方程為物理意義：物理意義：基極電流所提供的電荷用于基極電流所提供的電荷用于補充基區(qū)積累電荷的補充基區(qū)積累電荷的復合損失復合損失和和基區(qū)電荷的基區(qū)電荷的積累積累，用于，用于發(fā)射結(jié)和發(fā)射結(jié)和集電結(jié)集電結(jié)勢壘電容充電勢壘電容充電，補充超量貯存電荷的補充超量貯存電荷的積累積累及其及其復合損失復合損失。1. 電荷控制理論電

24、荷控制理論295.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間2. 延遲過程和延遲時間延遲過程和延遲時間延遲過程延遲過程：當晶體管從關態(tài)向開態(tài)轉(zhuǎn)化時，輸：當晶體管從關態(tài)向開態(tài)轉(zhuǎn)化時，輸出端不能立即對輸入脈沖作出響應，而產(chǎn)生延出端不能立即對輸入脈沖作出響應，而產(chǎn)生延遲過程。定義延遲過程為從正向脈沖輸入到集遲過程。定義延遲過程為從正向脈沖輸入到集電極電極開始有開始有輸出電流的過程。輸出電流的過程。eb結(jié)反偏結(jié)反偏零偏零偏正偏正偏（?。ㄐ。ヽb結(jié)反偏結(jié)反偏反偏反偏（?。ㄐ。?05.3 晶體管的開關過程和開關時間315.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間 在延遲過

25、程中，基極電流在延遲過程中，基極電流I IB1B1提供的空穴有下列用途：提供的空穴有下列用途：給給ebeb結(jié)充電；結(jié)充電；給給cbcb結(jié)充電；結(jié)充電；在基區(qū)建立與在基區(qū)建立與0.10.1I Icscs相對應的空穴積累以及相對應的空穴積累以及補充維持這一電荷積累的復合損失。補充維持這一電荷積累的復合損失。 延遲過程就是基極注入電流延遲過程就是基極注入電流I IB1B1向發(fā)射結(jié)勢壘電容充向發(fā)射結(jié)勢壘電容充電、集電結(jié)勢壘電容充電、并在基區(qū)內(nèi)建立起某一穩(wěn)定電、集電結(jié)勢壘電容充電、并在基區(qū)內(nèi)建立起某一穩(wěn)定的電荷積累的過程。的電荷積累的過程。2. 延遲過程和延遲時間延遲過程和延遲時間325.3 晶體管的開

26、關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間 延遲時間延遲時間的計算將根據(jù)延遲過程中結(jié)電壓和電流的的計算將根據(jù)延遲過程中結(jié)電壓和電流的變化分兩個階段，分別列出電荷控制方程和求解。變化分兩個階段，分別列出電荷控制方程和求解。第一階段：第一階段： 基極輸入正脈沖基極輸入正脈沖晶體管開始導通晶體管開始導通Ic0第二階段：第二階段： Ic由由00.1Ics實際的延遲過程實際的延遲過程屬于上升過程屬于上升過程2. 延遲過程和延遲時間延遲過程和延遲時間335.3 晶體管的開關過程和開關時間dtdQdtdQiTeTcbsXXTcTebBbbQdtdQdtdQdtdQdtdQQi1000)()(1)()(djB

27、BjccBBcctVVVVVVcbTcebTeBdVVCdVVCdtI2. 延遲過程和延遲時間47)-(5 )1 ()1()1 ()0()1 ()1()1 ()0(101110111cceenDcjCCnDcBBCCcBTcDcnDejnDeBBeBTeDedVVVVVVnICVVVVVnICVt nRTRDTRDTVCVVCVVC 3121345.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間3. 上升過程和上升時間上升過程和上升時間上升過程上升過程：延遲過程結(jié)束，基區(qū)開始積累電荷，：延遲過程結(jié)束，基區(qū)開始積累電荷，并積累相應于并積累相應于Ic從從0(0.1Ics)到到Ics(0.

28、9Ics)的電荷的電荷（梯度）的過程。（梯度）的過程。eb結(jié)反偏結(jié)反偏零偏零偏正偏正偏（?。ㄐ。ヽb結(jié)反偏結(jié)反偏反偏反偏（小）（?。┱ㄐ。ㄐ。┭舆t延遲上升上升355.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間 繼續(xù)向發(fā)射結(jié)勢壘電容充電；繼續(xù)向發(fā)射結(jié)勢壘電容充電； 繼續(xù)向集電結(jié)勢壘電容充電；繼續(xù)向集電結(jié)勢壘電容充電； 增加基區(qū)電荷積累；增加基區(qū)電荷積累； 補充基區(qū)電荷在積累過程的損失補充基區(qū)電荷在積累過程的損失3. 上升過程和上升時間上升過程和上升時間nbbbTcTeBQdtdQdtdQdtdQI 1365.3 晶體管的開關過程和開關時間基區(qū)少子分布集電極電流

29、0-0-0.1Ics-0.9Ics- 發(fā)射結(jié)電壓 -VBB-Vjo(0.5V)-0.7-集電結(jié)電壓 -(Vcc+VBB)- -(Vcc-Vjo)-0V-正偏-時間結(jié)點 0-td1-td2(t1)- 0-t1-t2-延遲時間延遲過程上升過程上升時間t0t1t2td1td2tr37上升過程以Ic為標志，故將電荷方程變換成Ic的關系計算dtdIRCIIdtdIrCdtdIRCdtdIrCIcLTcTDccDccceDecLTcceTeB)1(1 TbeeDeeTeDccnbbceDeceebDecebccbbcLTccLTccbTcTcceTeeeTeebTeTerCrCIQdtdIrCdtdIdI

30、dVCdtdIdIdQdtdIdIdQdtdQdtdIRCdtdIRCdtdVCdtdQdtdIrCdtdIrCdtdVCdtdQ 1式中采用了以下變換:38上升過程以Ic為標志，故將電荷方程變換成Ic的關系計算dtdIRCIIdtdIrCdtdIRCdtdIrCIcLTcTDccDccceDecLTcceTeB)1(1 csDcBcsDcBLTcTDcrcsDcBDcBLTcTDccsccsDcBDcBLTcTDccscLTcTDcDcBctcIIIIRCtttIIIRCtIIttIIIRCtIIttRCtItII9.01.0ln)1(9.0ln)1(9.01.0ln)1(1.0)1(exp

31、(1)(011121122111110時，時，解得：利用初始條件：2dtLTcTBLTcTDcccRCIRCIdtdI 111)(395.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間4. 電荷貯存效應和貯存時間電荷貯存效應和貯存時間電荷貯存效應電荷貯存效應：上升過程結(jié)束時，集電極電流接近：上升過程結(jié)束時，集電極電流接近（達到）飽和值（達到）飽和值Ics，基極復合電流為基極復合電流為Ics/ DC（臨界飽臨界飽和基極電流和基極電流），但實際基極電流大于此值，存在），但實際基極電流大于此值，存在過驅(qū)過驅(qū)動電流動電流IBX，即基極電流除補充基區(qū)復合損失外，多余即基極電流除補充基區(qū)復合損失

32、外，多余部分引起晶體管中電荷的進一步積累，形成部分引起晶體管中電荷的進一步積累，形成超量存貯超量存貯電荷電荷，并導致集電結(jié)正偏，晶體管進入飽和態(tài)。，并導致集電結(jié)正偏，晶體管進入飽和態(tài)。 關斷過程開始時，超量存貯電荷因復合和被基極關斷過程開始時，超量存貯電荷因復合和被基極電流抽取而電流抽取而逐漸逐漸消失，使得集電極電流不能立即對輸消失，使得集電極電流不能立即對輸入負脈沖作出響應。入負脈沖作出響應。405.3 晶體管的開關過程和開關時間4. 電荷貯存效應和貯存時間415.3 晶體管的開關過程和開關時間4. 電荷貯存效應和貯存時間425.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間貯存時

33、間貯存時間的計算即討論超量貯存電荷的消失的計算即討論超量貯存電荷的消失定義貯存時間常數(shù)定義貯存時間常數(shù)BXXBXXsIQdIdQ其中，其中，QX為晶體管中總的為晶體管中總的超量貯存電荷超量貯存電荷。 s則是過驅(qū)動電流則是過驅(qū)動電流IBX對基區(qū)、集電區(qū)充電以形成超量貯存電荷的對基區(qū)、集電區(qū)充電以形成超量貯存電荷的充電時間常數(shù)充電時間常數(shù)。4. 電荷貯存效應和貯存時間電荷貯存效應和貯存時間435.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間sXXTcTebBbbQdtdQdtdQdtdQdtdQQi2BsXXnbBbIQdtdQQi2BsXDCCSXIQIdtdQ超量貯存電超量貯存電荷

34、的消失荷的消失基區(qū)電荷基區(qū)電荷QB的復合電流的復合電流超量貯存電荷超量貯存電荷自身復合的復自身復合的復合電流合電流基極抽取基極抽取電流電流4. 電荷貯存效應和貯存時間電荷貯存效應和貯存時間(5-60)445.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間變換（變換（5-60）為）為)(2DCCSBSXXIIQdtdQ（5-61）初始條件初始條件)(103DCCSBSBXSttXIIIQ解得解得（5-62）)()(221DCCSBStBBSXIIeIIQS4. 電荷貯存效應和貯存時間電荷貯存效應和貯存時間455.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間當當t=ts1時，

35、超量貯存電荷完全消失時，超量貯存電荷完全消失QX=0，代入代入(5-62)得得（5-63） 至此，存貯過程結(jié)束，但至此，存貯過程結(jié)束，但IC尚未減小，即存貯尚未減小，即存貯時間的時間的tS2將在下降過程中計算。將在下降過程中計算。4. 電荷貯存效應和貯存時間電荷貯存效應和貯存時間)ln()ln(2212211CSBDcBDcBDcsDcCSBBBssIIIIIIIIt 465.3 晶體管的開關過程和開關時間貯存時間常數(shù)S的計算eb結(jié)IF形成QBSFcb結(jié)IRn形成QBSRcb結(jié)IRp形成QCS基區(qū)總電荷QBS=QBSF+QBSRIBS對應的QB晶體管中總的超量存貯電荷為QX=QBSF+QBSR

36、+QCS-Qb4. 電荷貯存效應和貯存時間475.3 晶體管的開關過程和開關時間4. 電荷貯存效應和貯存時間BXEERpCSRnERFEsBXBCSBSRBSFsIIIIIIQQQQ 或?qū)懗苫驅(qū)懗?85.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間縮短貯存時間的途徑：縮短貯存時間的途徑：縮短集電區(qū)少子壽命，既可減小縮短集電區(qū)少子壽命，既可減小QCS，又可加速又可加速Q(mào)CS的消失的消失摻金摻金金在硅中有兩個能級，在金在硅中有兩個能級，在n n型硅中，型硅中，金接受電子，受主能級起主要作金接受電子，受主能級起主要作用。在用。在p p型硅中，金釋放電子，施型硅中，金釋放電子，施主能級起主

37、要作用。主能級起主要作用。在在n n型硅中的受主能級對空穴的俘型硅中的受主能級對空穴的俘獲能力約比其在獲能力約比其在P P型硅中施主能級型硅中施主能級對電子的俘獲能力大一倍。因此，對電子的俘獲能力大一倍。因此，在在Si-npnSi-npn管中摻金既可以有效地管中摻金既可以有效地縮短縮短 pcpc而又不至于影響而又不至于影響 nbnb，從而從而不會影響電流放大系數(shù)。不會影響電流放大系數(shù)。4. 電荷貯存效應和貯存時間電荷貯存效應和貯存時間495.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間5. 下降過程和下降時間下降過程和下降時間貯存過程貯存過程結(jié)束時，結(jié)束時，QX=0，QB相相當于上

38、升過程結(jié)束時的狀態(tài)。當于上升過程結(jié)束時的狀態(tài)。IB2繼續(xù)抽取繼續(xù)抽取QB、QTc及及QTeIC由由ICS0.9ICS0.1ICS為上升過程的逆過程：為上升過程的逆過程：QB、IC、Veb、Vcb505.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間于是，于是，nbbBbTcTeQIdtdQdtdQdtdQ2)(（5-75）5. 下降過程和下降時間下降過程和下降時間n基極電流的作用基極電流的作用n在上升過程中，基極在上升過程中，基極驅(qū)動電流驅(qū)動電流IB1注入空穴注入空穴n對對CTe、CTc充電；充電；n積累積累Qb；n補充補充Qb積累積累過程過程中的復合中的復合n基極抽取電流基極抽取電

39、流-IB2抽抽走空穴走空穴n使使CTe、CTc放電放電;n抽走抽走Qbn基區(qū)復合的作用基區(qū)復合的作用n在上升過程中，復合作在上升過程中，復合作用阻礙用阻礙Qb的積累，延緩的積累，延緩上升過程，增大上升過程，增大trn在下降過程中，復合作在下降過程中，復合作用加快用加快Qb的消失，加速的消失，加速下降過程，縮短下降過程，縮短tf515.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間代入相關各量與代入相關各量與Ic關系關系（5-76）利用利用t=t3=0時，時，Ic=Ics為初始條件，解得為初始條件，解得DCBRCtCSDCBCIeIIILTcTDC 2)1(2)( （5-77）5. 下

40、降過程和下降時間下降過程和下降時間)1()1(2LTcTBLTcTDcccRCIRCIdtdI LTcTBLTcTDcccRCIRCIdtdI1)1(1525.3 晶體管的開關過程和開關時間342tttS存貯時間第二段5. 下降過程和下降時間535.3 晶體管的開關過程和開關時間基區(qū)少子分布集電極電流 Ics-Ics-0.9Ics-0.1Ics- 發(fā)射結(jié)電壓 0.7V-0.7V-0.5-零偏-反偏集電結(jié)電壓 正偏-0V-0V-反偏-貯存時間貯存過程下降過程下降時間t3t4t5ts1ts2tf545.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間6. 提高開關速度的措施提高開關速度的措

41、施tdtrtstf減小結(jié)面積，減小結(jié)面積，以減小結(jié)電以減小結(jié)電容容減小減小IB2，增增大大IB1減小結(jié)面積，減小結(jié)面積，以減小結(jié)電容以減小結(jié)電容減小基區(qū)寬度，減小基區(qū)寬度，更快建立梯度更快建立梯度增加基區(qū)少子增加基區(qū)少子壽命，加強基壽命，加強基區(qū)輸運，減小區(qū)輸運，減小復合復合增大增大IB1IB1不要太大，不要太大，不要飽和太深不要飽和太深減小減小Wc或或Lpc加大加大IB2減小減小 pc摻金摻金減小結(jié)面積，減小結(jié)面積，以減小結(jié)電容以減小結(jié)電容減小基區(qū)寬度，減小基區(qū)寬度，更快建立梯度更快建立梯度增大增大IB2555.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間 綜合分析晶體管的開關過

42、程，要想提高開關速度，也就是要求綜合分析晶體管的開關過程，要想提高開關速度，也就是要求ebeb結(jié)、結(jié)、cbcb結(jié)勢壘電容充電快，基區(qū)電荷積累快結(jié)勢壘電容充電快，基區(qū)電荷積累快“開開”快；飽和深度快；飽和深度不要太深，超量存貯電荷少，并能盡快被抽走或復合不要太深，超量存貯電荷少，并能盡快被抽走或復合“關關”快?？?。但這些要求往往是互相矛盾的。如增大但這些要求往往是互相矛盾的。如增大I IB1B1，可使可使C CTeTe、C CTcTc充電快，充電快，Q Qb b積積累快，但這會增加飽和深度累快，但這會增加飽和深度S S，使使t tS S增加；又如增大增加；又如增大(-(-I IB2B2) )，可

43、有效地可有效地降低降低t tf f但若通過減小但若通過減小R Rb b來實現(xiàn)，又會使來實現(xiàn)，又會使I IB1B1、t tS S增大；若增加增大；若增加(-(-V VBBBB) )，又又會使會使t td d增加，所以四個時間不能同時縮短。增加，所以四個時間不能同時縮短。 其中以貯存時間其中以貯存時間t tS S為最長，所以如何縮短為最長，所以如何縮短t tS S便成了縮短開關時間便成了縮短開關時間的主要目標。的主要目標。 6. 提高開關速度的措施提高開關速度的措施565.3 晶體管的開關過程和開關時間6. 提高開關速度的措施其中以貯存時間其中以貯存時間tS為最長為最長575.3 晶體管的開關過程

44、和開關時間晶體管的開關過程和開關時間( (一一) )開關管的設計思想開關管的設計思想 (1) (1)Si-npnSi-npn管摻金管摻金：既不影響電流增益又可有效地減小集電區(qū)少子：既不影響電流增益又可有效地減小集電區(qū)少子空穴壽命一方面減少導通時的超量存貯空穴壽命一方面減少導通時的超量存貯QQcscs，同時加速關閉時的同時加速關閉時的復合。復合。 (2) (2)采用外延結(jié)構采用外延結(jié)構并：減小外延層厚度，并：減小外延層厚度，降低外延層電阻率，以降低外延層電阻率，以減小集電區(qū)少于壽命。前者從空間、后者從時間上限制減小集電區(qū)少于壽命。前者從空間、后者從時間上限制QQcscs。這兩項這兩項措施也同時減

45、小集電區(qū)串聯(lián)電阻措施也同時減小集電區(qū)串聯(lián)電阻r rcscs，從而對減小飽和壓降從而對減小飽和壓降V Vcesces有利。有利。但它們都會影響集電結(jié)耐壓能力。所以在考慮采用時要注意兼顧。但它們都會影響集電結(jié)耐壓能力。所以在考慮采用時要注意兼顧。 (3) (3)減小結(jié)面積減小結(jié)面積，以減小，以減小C CTeTe、C CTcTc，這可有效地縮短這可有效地縮短t td d、t tr r、t tf f。但結(jié)但結(jié)面積最小尺寸受集電極最大電流面積最小尺寸受集電極最大電流J JCMCM及工藝水平的限制。及工藝水平的限制。 (4) (4)減小基區(qū)寬度減小基區(qū)寬度，減小，減小Q Qb b，可使可使t tr r、t

46、 tf f大大降低大大降低( (濃度梯度變化快濃度梯度變化快) )。6. 提高開關速度的措施提高開關速度的措施585.3 晶體管的開關過程和開關時間晶體管的開關過程和開關時間( (二二) )開關管應用電路選擇原則開關管應用電路選擇原則 (1)加大加大IB1:充電快，可縮短充電快，可縮短td、tr。同時由于同時由于IB1較大，增加了飽和深較大，增加了飽和深度度S，對降低飽和壓降對降低飽和壓降Vces有利，但同時也由于增加了超量存貯電荷量有利，但同時也由于增加了超量存貯電荷量而使而使tS延長，一般控制延長，一般控制S4來選擇適當?shù)膩磉x擇適當?shù)腎B1。 (2)加大加大(-IB2)：反向抽取快，可縮短

47、反向抽取快，可縮短tS、tf，但要注意應選在但要注意應選在-VBB和和Rb的允許范圍之內(nèi)。的允許范圍之內(nèi)。 (3)非飽和運用：晶體管工作在臨界飽和區(qū)。其中沒有超量存貯電非飽和運用：晶體管工作在臨界飽和區(qū)。其中沒有超量存貯電荷荷Qx，則則tS0，但此時但此時c、e之間的壓降之間的壓降Vce較高較高(接近接近0.7V)。是否可以是否可以非飽和運用要視電路條件而定。非飽和運用要視電路條件而定。 (4)負載電阻的選擇；在負載電阻的選擇；在Vcc與與IB1一定時，選擇較小的一定時，選擇較小的RL可使晶體管可使晶體管不致進入太深的飽和態(tài)，有利于縮短不致進入太深的飽和態(tài)，有利于縮短tS。但但RL減小會使減小

48、會使ICS增大，從而增大，從而延長了延長了tr、tf，并增大了功耗。并增大了功耗。 考慮管殼電容、引線電容等寄生電容的影響，考慮管殼電容、引線電容等寄生電容的影響，RL盡量小些。盡量小些。6. 提高開關速度的措施提高開關速度的措施595.4 開關晶體管的正向壓降和飽和壓降開關晶體管的正向壓降和飽和壓降 正向壓降、飽和壓降和開關正向壓降、飽和壓降和開關時間一樣，都屬于開關晶體管的時間一樣，都屬于開關晶體管的特征參數(shù)。特征參數(shù)。 定義：當晶體管驅(qū)動到飽和定義：當晶體管驅(qū)動到飽和態(tài)時，基極態(tài)時，基極發(fā)射極間發(fā)射極間( (輸入端輸入端) )的電壓降稱為的電壓降稱為共發(fā)射極正向壓降共發(fā)射極正向壓降，記為

49、記為Vbes。此時輸出端此時輸出端(集電極集電極發(fā)射極之間發(fā)射極之間)的電壓降稱為的電壓降稱為共發(fā)射共發(fā)射極飽和壓降極飽和壓降，記為，記為Vces。605.4 開關晶體管的正向壓降和飽和壓降開關晶體管的正向壓降和飽和壓降1. 正向壓降正向壓降Vbes 即發(fā)射極與基極兩極之間的電壓降。它包括：即發(fā)射極與基極兩極之間的電壓降。它包括：ebeb結(jié)的結(jié)壓降結(jié)的結(jié)壓降Ve e；ebeb結(jié)到基極電極接觸之間的基區(qū)體電阻結(jié)到基極電極接觸之間的基區(qū)體電阻r rb b上的電壓降上的電壓降Ib brb b；ebeb結(jié)到發(fā)射極電極接觸之間的發(fā)射區(qū)體電阻結(jié)到發(fā)射極電極接觸之間的發(fā)射區(qū)體電阻r reses上的壓降上的壓降Ie ereses。 esebbebesrIrIVV 一般情況下，發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，發(fā)射區(qū)厚度又不大，上式一般情況下，發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，發(fā)射區(qū)厚度又不大，上式中第三項可以略去。但對于大功率管，發(fā)射區(qū)上串聯(lián)有鎮(zhèn)流電阻時中第三項可以略去。但對于大功率管，發(fā)射區(qū)上串聯(lián)有鎮(zhèn)流電阻時就不可忽略。另外若由于光刻引線孔沒刻透或金屬電極合金化未做就不可忽略。另外若由于光刻引線孔沒刻透或金屬電極合金化未做好時也會使電極的接觸電阻大大增加而導致好時也會使電極的接觸電阻大大增加而導致r r