半導體器件開關特性

1、第二章第二章 邏輯門電路邏輯門電路以半導體器件為基本單元，以半導體器件為基本單元，集成在一塊硅片上，并具有集成在一塊硅片上，并具有一定邏輯功能的電路一定邏輯功能的電路由分立的二極管、由分立的二極管、三極管或三極管或MOS管等管等元件組成的門電路元件組成的門電路 在邏輯代數(shù)中，邏輯變量的取值不是在邏輯代數(shù)中，邏輯變量的取值不是0就是就是1，是一，是一種二值量。它種二值量。它對應于數(shù)字電路中電子元件的開關對應于數(shù)字電路中電子元件的開關（即電（即電子開關的斷開、閉合）子開關的斷開、閉合）兩種狀態(tài)兩種狀態(tài)。能實現(xiàn)開、關狀態(tài)的。能實現(xiàn)開、關狀態(tài)的電子元件稱為電子開關。電子元件稱為電子開關。 二極管、三極

2、管和場效應管在數(shù)字電路中就是構成二極管、三極管和場效應管在數(shù)字電路中就是構成這種電子開關的基本開關元件。這種電子開關的基本開關元件。理想的開關：理想的開關： 閉合時：開關兩端電壓為閉合時：開關兩端電壓為0； 斷開時：流過開關的電流為斷開時：流過開關的電流為0； 兩種狀態(tài)的轉換瞬間完成。兩種狀態(tài)的轉換瞬間完成。一、二極管的開關特性一、二極管的開關特性1 1二極管的靜態(tài)特性二極管的靜態(tài)特性2二極管開關的動態(tài)特性二極管開關的動態(tài)特性二、三極管的開關特性二、三極管的開關特性1三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài)2三極管的動態(tài)特性三極管的動態(tài)特性(1)(1)加正向電壓加正向電壓V VF F（ V V

3、F F 0.5V0.5V）時，二極管導通，管壓降）時，二極管導通，管壓降V VD D可忽略。二極管相當于一個閉合的開關?？珊雎?。二極管相當于一個閉合的開關。DRLFFVIFKFRVLI 可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個受外加電壓受外加電壓vi控制的控制的開關開關。當外加電壓。當外加電壓vi為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖電為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖電壓的變化在壓的變化在“開開”態(tài)與態(tài)與“關關”態(tài)之間轉換。這個轉換過程就態(tài)之間轉換。這個轉換過程就是二極管開關的是二極管開關的動態(tài)特性動態(tài)特性。(2)(2)加加反向電壓反向電壓V VR R或或正向電壓正向電壓0.5V

4、0.5V時，二極管截止，反向時，二極管截止，反向電流電流I IS S可忽略。二極管相當于一個斷開的開關?？珊雎浴６O管相當于一個斷開的開關。LKVRRDLRVSRI 給二極管電路加入給二極管電路加入一個方波信號，電流的一個方波信號，電流的波形怎樣呢？波形怎樣呢？ts為存儲時間，為存儲時間，tt稱為渡越時間稱為渡越時間。trets十十tt稱為稱為反向恢復時間反向恢復時間+DLIRvitRtt(c)sItiI0.1I1FRt0產(chǎn)生反向恢復過程的原因：產(chǎn)生反向恢復過程的原因：反向恢復時間反向恢復時間t trere就是存儲電荷消散所需要的時間。就是存儲電荷消散所需要的時間。 同理，二極管從截止轉為正向

5、導通也需要時間，這段時同理，二極管從截止轉為正向導通也需要時間，這段時間稱為間稱為開通時間開通時間。開通時間比反向恢復時間要小得多，一般。開通時間比反向恢復時間要小得多，一般可以忽略不計?？梢院雎圆挥嫛?NPpLx濃濃度度分分布布耗耗盡盡層層NP區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)中中空空穴穴區(qū)區(qū)中中電電子子區(qū)區(qū)濃濃度度分分布布nL1 1三極管的三種工作狀態(tài)（三極管的三種工作狀態(tài)（截止狀態(tài)截止狀態(tài)） （1 1）截止狀態(tài)：）截止狀態(tài)：當當V VI I小于三極管發(fā)射結死區(qū)電壓（約為小于三極管發(fā)射結死區(qū)電壓（約為0.5v0.5v），即），即VBE BE 0.5v0.5v時，時，I IB B00，I IC C00，V VCECE

6、V VCCCC=U=U0 0，三極管工作在截止區(qū)，對應圖中的，三極管工作在截止區(qū)，對應圖中的A A點。點。 三極管工作在截止狀態(tài)的條件為：發(fā)射結反偏或小于死區(qū)電壓三極管工作在截止狀態(tài)的條件為：發(fā)射結反偏或小于死區(qū)電壓VCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4+V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVU0 此時，若調(diào)節(jié)此時，若調(diào)節(jié)R Rb b，則，則I IB B，I IC C，V VCECE，工作點沿著負載線由，工作點沿著負載線由A A點點BB點點CC點點DD點向上移動。在此期間，三極管工作在放大區(qū)，點向上移動。在此期間，三極管工

7、作在放大區(qū)，其特點其特點為為I IC CIIB B。 三極管工作在放大狀態(tài)的條件為：三極管工作在放大狀態(tài)的條件為：00IB BIBsBs（此時（此時IBIC，) )發(fā)射結發(fā)射結正偏，集電結反偏正偏，集電結反偏 （2 2）放大狀態(tài)：）放大狀態(tài)：當當V VI I為正值且大于死區(qū)電壓時，三極管導通。有為正值且大于死區(qū)電壓時，三極管導通。有 bIbBEIBRVRVVI +V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4 再減小再減小R Rb b，I IB B會繼續(xù)增加，但會繼續(xù)增加，但I IC C不會再

8、增加，三極管進入飽和狀態(tài)。不會再增加，三極管進入飽和狀態(tài)。飽和時的飽和時的V VCECE電壓稱為飽和壓降電壓稱為飽和壓降V VCESCES，其典型值為：，其典型值為：V VCESCES0.3V0.3V。 三極管工作在飽和狀態(tài)的電流條件為：三極管工作在飽和狀態(tài)的電流條件為：I IB BI IBS BS 電壓條件為：集電結和發(fā)射結均正偏電壓條件為：集電結和發(fā)射結均正偏 （3 3）飽和狀態(tài)：）飽和狀態(tài)：V VI I不變，繼續(xù)減小不變，繼續(xù)減小R Rb b，當，當V VCECE 0.3V0.3V時，集電結變?yōu)闀r，集電結變?yōu)榱闫?，稱為零偏，稱為臨界飽和狀態(tài)臨界飽和狀態(tài)，對應，對應E E點。此時的集電極電

9、流用點。此時的集電極電流用I ICSCS表示，基極表示，基極電流用電流用I IBSBS表示，有表示，有: :CCCCC0.3V-RVRVRVVICCCECCCSCCCCSBSRVII+V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4工作狀態(tài)工作狀態(tài)截截 止止放放 大大飽飽 和和條條 件件工工作作特特點點偏置情況偏置情況集電極電集電極電流流管壓降管壓降近似的等近似的等效電路效電路C、E間等間等效電阻效電阻cbebce0.7VIBICBIbce0.7VIBCSI0BIBSB0IIBSBII0CIBC

10、IICCCCSC/ RVIICCCEVVCCCCCERIVVV3 . 0CESCEVV發(fā)射結電壓發(fā)射結電壓死區(qū)電壓死區(qū)電壓發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏集電結反偏集電結反偏發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏集電結正偏集電結正偏很大很大相當開關斷開相當開關斷開可變可變很小很小相當開關閉合相當開關閉合解：解：依題意可得依題意可得IB（基極電流）（基極電流） 、IBS（三極管臨界飽和時的基極電流）（三極管臨界飽和時的基極電流）例例1.4.1 電路及參數(shù)如圖所示，設輸入電壓電路及參數(shù)如圖所示，設輸入電壓VI=3V，三極管的，三極管的VBE=0.7V。（1 1）若）若6060，試判斷，試判斷三極管三極管是否飽和，并求出是否飽和

11、，并求出IC和和VO的值的值。（2）將）將RC改為改為6.8kW W，重復以上計算。，重復以上計算。)mA0.023(1000.7-3BbBEIRuVI)mA0.0195(10600.3-12CCCBSRuVICESIBIBS 三極管飽和。三極管飽和。 )mA1.2(1012CCCCSCRVIIV3 . 0CESOVVIB不變，仍為不變，仍為0.023mA )mA0.029(6.8600.3-12CCCBSRuVICESIBIBS 三極管處在放大狀態(tài)。三極管處在放大狀態(tài)。 )1.4(0.02360mAB IIC )2.48(6.81.4-12-VCCCCCEO RIVVV+V-T123100k

12、RCCRVbI（+12V）VCO10k（3）將）將RC改為改為6.8kW W，再將，再將Rb改為改為60kW W，重復以上計算。，重復以上計算。 由此可見，由此可見，Rb 、RC 、等參數(shù)都等參數(shù)都能決定三極管是否飽和。能決定三極管是否飽和。 即即在在VI一定（要保證發(fā)射結正偏）和一定（要保證發(fā)射結正偏）和VCC一定的條件下，一定的條件下，Rb越小，越小，越大，越大，RC越大，三極管越容易飽和。越大，三極管越容易飽和。在數(shù)字電路中總是合理地選擇這在數(shù)字電路中總是合理地選擇這幾個參數(shù)，使三極管在導通時為飽和導通。幾個參數(shù)，使三極管在導通時為飽和導通。IBIBS 三極管飽和。三極管飽和。 )1.76(6.812mACCCCS RVIICV3 . 0CESO VV+V-T123100kRCCRVbI（+12V）VCO10kCCCbIRuVRuVCESBE飽和條件可寫為：飽和條件可寫為：)mA0.029(6.8600.3-12CCCBSRuVICES)mA0.038(600.7-3BbBEIRuVIVi0V2ICICEOICStt1v（1）延遲時間延遲時間td從從vi正跳變正跳變的瞬間開始，到的瞬間開始，到iC上升到上升到 0.1ICS所需的時間所需的時間 （2）上升時間上升時間triC從從0.1