BJT的開關(guān)特性課件

BJT的開關(guān)特性

晶體三極管，又稱為雙極型管（BipolarJunctionTransistor---BJT—雙極性結(jié)型晶體三極管），是由兩個互相靠得很近的PN結(jié)構(gòu)成的。2.2.0BJT的工作原理根據(jù)BJT的結(jié)構(gòu)可分為NPN型和PNP型，如圖示：E---EmitterB---BaseC---Collector基極集電極發(fā)射極T---Transistor晶體三極管具有三種工作模式：飽和模式（SaturationMode）放大模式（AmplifierMode）截止模式（Cut-offMode）NPN型BJT放大模式下的連接電路如圖所示，E1E2為直流電源電壓，分別通過R1R2加到發(fā)射結(jié)和集電結(jié)上，使發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，稱為三極管起放大作用的外部條件。圖中電流方向均為實際電流方向。發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大於基區(qū)的摻雜濃度?；鶇^(qū)寬度很小。

集電結(jié)面積較大

三極管起放大作用的內(nèi)部條件：BJT放大模式下內(nèi)部載流子的傳輸過程由於發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，發(fā)射區(qū)多子自由電子擴(kuò)散過發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū)，形成與電子運動方向相反的電流IEn。同時基區(qū)多子空穴也擴(kuò)散過發(fā)射結(jié)進(jìn)入發(fā)射區(qū)，形成空穴電流IEp，但由於基區(qū)的摻雜濃度很低，所以該電流基本可以忽略。由發(fā)射區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入基區(qū)的自由電子，一邊向集電結(jié)方向繼續(xù)擴(kuò)散，一邊與基區(qū)的多子空穴複合。由於基區(qū)很薄且摻雜濃度很低，僅有很小一部分被複合掉，絕大部分到達(dá)集電結(jié)邊界。IEnIEpIcn1Icn2IcpICB0IBIEICN+NPR1R2V1V2+

+

由於集電結(jié)加的是反向電壓，它一方面把從發(fā)射極擴(kuò)散到基區(qū)並到達(dá)集電結(jié)邊界的自由電子漂移過集電結(jié)，構(gòu)成集電極電流的主體Icn1。另一方面，它使基區(qū)的少子自由電子和集電區(qū)少子空穴形成漂移電流ICBO，叫做集電結(jié)反向飽和電流。其方向是從集電極流入，基極流出，它是構(gòu)成集電極電流的次要部分，IEnIEpIcn1Icn2IcpICB0IBIEICN+NPR1R2V1V2+

+

由發(fā)射區(qū)進(jìn)入基區(qū)的自由電子，一部分與基區(qū)的空穴複合，使基區(qū)空穴減少，於是外電源向基區(qū)補充空穴，其形成的電流與ICBO一起構(gòu)成流入基極的電流IB。由上分析不難看出，在三極管中，集電極電流IC比基極的電流IB大得多。二者之比就稱為三極管的電流放大係數(shù)，用

表示。

表示基極電流對集電極電流的控制能力，一般在幾十到一百左右。三極管的共發(fā)射極連接方式如圖示。它以IB作為輸入電路中的電流，IC作為輸出電路中的電流。分別叫做基極偏置電壓和集電極偏置電壓。三極管的共發(fā)射極連接方式輸入特性曲線

定義：IB=f

(VBE)|VCE=常數(shù)

與二極體的伏安特性曲線相似：加正向電壓且超過導(dǎo)通電壓VBE（on）後，IB隨VBE（on）按指數(shù)率變化，小於該值時基本等於零

矽管：VBE（on）

0.7V鍺管：

VBE（on）

0.25V250200150100500.50.60.70.8VCE>10VIB/AVBE/VV(BR)BEOIEBO0放大區(qū)

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，IC=

βIB+ICEO,IB等量增加時，各曲線近似等間隔上移，但隨VCE增加而略微上翹。位於特性曲線中部，指IB=0曲線以上的區(qū)域。由各條曲線中IC隨VCE增大而緩慢上升的部分組成。輸出特性曲線：

定義：IC=f

(VCE)|IB=常數(shù)

在共發(fā)射極連接下，IB=0時的集電極電流記為ICEO，表示基極開路（IB＝0）時，由集電極到發(fā)射極的直通電流。放大區(qū)由多條曲線組成，其中每一條都反映了IB等於一定值，IC隨VCE變化的情況。可分為三個區(qū)：截止區(qū)指IB=0曲線以下的區(qū)域。ICEO表示基極開路（IB＝0）時，集電極到發(fā)射極的直通電流。發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏，三極管工作於截止模式，IB≈0，IC≈0。放大區(qū)截止區(qū)3.飽和區(qū)位於特性曲線左側(cè)，由各條曲線中IC隨VCE增大的快速上升部分以及彎曲部分組成。發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏，三極管工作於飽和模式，IC與IB不再保持

的比例關(guān)係。而隨VCE的改變而迅速變化。VCE（sat）

0.3V，VBE（sat）

0.7V.飽和區(qū)在數(shù)字電路中，BJT工作在開關(guān)狀態(tài)。即在輸入脈衝信號的高電平期間處於飽和狀態(tài)（飽和區(qū)），在輸入脈衝信號的低電平期間處於截止?fàn)顟B(tài)（截止區(qū)），而放大狀態(tài)（放大區(qū)）只是這兩種工作狀態(tài)之間的過渡狀態(tài)2.2.1.BJT的開關(guān)作用三極管是電流控制的電流源，在模擬電路中，工作在放大區(qū)。在數(shù)字電路中工作在飽和區(qū)或截止區(qū)——開關(guān)狀態(tài)。下麵以NPN矽管為例進(jìn)行分析ICSIBSIB=0UCCiCuCEuOuiiBTRcRBUCC飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)uCEiC0負(fù)載線三極管CE之間相當(dāng)於一個開關(guān)：在飽和區(qū)“閉合”，截止區(qū)“斷開”iCuCEuOui=0.3ViBTRcRBUCC飽和區(qū)截止區(qū)ICSIBSIB=0UCCuCEiC0三極管開關(guān)特性1.三極管的截止條件和等效電路當(dāng)輸入信號uI=UIL=0.3V時（UBE=0.3V<0.5V）三極管截止，可靠截止條件為:UBE<0V截止時，iB、iC都很小，三個極均可看作開路iC≈0，uO=UOH=UCC輸入特性0uBE/ViB0.50.7iB=0，等效電路BCE輸出特性2.三極管的飽和條件和等效電路在模擬電路中，為了不產(chǎn)生失真，通常規(guī)定飽和時UCES=1V。由於三極管的輸入特性很陡，通常認(rèn)為飽和時的UBES和導(dǎo)通時的UBE相等（矽管：0.7V，鍺管0.3V）在數(shù)字電路中，為了更接近理想開關(guān)，規(guī)定飽和時UCES=0.3V。輸入特性0uBE/ViB/μAUBES飽和區(qū)截止區(qū)ICSIBSIB=0UCCuCEiC0輸出特性UCES將三極管剛剛從放大進(jìn)入飽和時的狀態(tài)稱為：臨界飽和狀態(tài)。當(dāng)輸入信號uI=UIH=3.2V時iCuCEuOui=3.2ViBTRcRBUCCIB=0UCCuCEiC0輸出特性ICSIBSUCES臨界飽和集電極電流：定義飽和深度：臨界飽和基極電流：可靠飽和條件為：iB≥IBSUCESBCEUBES等效電路BJT的開關(guān)過程和二極體一樣，也是其內(nèi)部電荷的建立和消散的過程，因此，其飽和和截止之間的轉(zhuǎn)換也需要一定的時間。即在輸入脈衝信號的高電平期間處於飽和狀態(tài)，在輸入脈衝信號的低電平期間處於截止?fàn)顟B(tài)。設(shè)輸入脈衝信號如圖所示，其幅度在–VB1到+VB2之間變化，考慮轉(zhuǎn)換時間時，iC的波形如圖所示，已不是一個理想方波。起始部分和平頂部分都延遲了一段時間，上升沿和下降沿都變得緩慢了。通?？梢胍韵聨讉€參數(shù)來表徵：tiCtstftviVB2–VB1ICS0.9ICS0.1ICStdtr2.2.2.BJT的開關(guān)時間延遲時間tD——從輸入脈衝正跳變開始到iC上升到0.1ICS所需要的時間。上升時間tr——iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需要的時間。存儲時間ts——從輸入脈衝負(fù)跳變開始到iC下降到0.9ICS所需要的時間。下降時間tf——iC從0.9ICS下降到0.1ICS所需要的時間。通常把ton=tD+tr稱為開通時間，toff=ts+tf稱為關(guān)閉時間。tiCtstftviVB2–VB1ICS0.9ICS0.1ICStdtr1.延遲時間tD延遲時間tD是發(fā)射結(jié)的阻擋層變窄所需要的時間。在BJT截止期間，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都加反向偏置，阻擋層都較寬，發(fā)射結(jié)的阻擋層是發(fā)射結(jié)內(nèi)發(fā)射區(qū)（N區(qū)）一側(cè)的正離子和基區(qū)（P區(qū)）一側(cè)的負(fù)離子組成的（這些正、負(fù)離子稱為空間電荷）。當(dāng)輸入電壓由–VB1跳變到+VB2時，發(fā)射結(jié)加上正向電壓，發(fā)射區(qū)的第一批自由電子向基區(qū)擴(kuò)散進(jìn)入阻擋層時，會先與發(fā)射區(qū)側(cè)的部分正離子複合，從而使阻擋層變窄（鋪路），其餘的才能越過發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū)，進(jìn)而形成最初的集電極電流。這就是tD產(chǎn)生的原因。VB2的值越大，則正向基極電流越大，會使tD越短。BJT發(fā)射結(jié)電壓從加反偏到正偏，發(fā)射結(jié)逐漸由寬變窄。

延遲時間tD（圖12

）（T從截止到開始導(dǎo)通）NPNRCVCCICce+RBIBVB2+–bVBE–IEVB1+–+VCE–+–VCB2.上升時間tr此後，發(fā)射區(qū)越過發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū)的自由電子，還要被基區(qū)的空穴複合一部分，並根據(jù)VB2的大小，在基區(qū)建立起自由電子一定的濃度梯度，才形成持續(xù)穩(wěn)定的集電極電流iC，所需的這一段時間就是上升時間。ttviVB2–VB1iCtstfICS0.9ICS0.1ICStdtr上升時間tr（圖13

）（T從開始導(dǎo)通到臨界飽和）逐步建立起自由電子一定的（相當(dāng)於0.9ICS）濃度梯度。RBRCVCCICIBVB2+–NPNcbeVBE+–IE+VCE–+–VCB3.存儲時間tS（圖14

）

（T從飽和到臨界飽和）發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電壓從加正偏到反偏，存儲電荷形成反向漂移電流而逐漸消散。RBRCVCCICIBVB1+–NPNcbeVBE+–VB2+–+VCE–+–VCB存儲時間ts當(dāng)集電結(jié)處於飽和狀態(tài)，不僅發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)也正向偏置，集電結(jié)收集電子的能力減弱，造成基區(qū)（超過正常濃度梯度）的超量自由電子存儲，同時在集電區(qū)靠近集電結(jié)處也有一定的空穴積累，如圖所示。我們把這些電荷叫做存儲電荷。這樣，當(dāng)輸入電壓跳變到–VB1時，存儲電荷不能立即消散，iC也就不能立即下降，而要維持一定時間，使這些存儲電荷消散，這就稱為存儲時間ts

。顯然飽和越深，ts越大。+–+–ebc4.下降時間tf存儲電荷消散以後，要使管子回到截止區(qū)，還要消除基區(qū)的自由電子濃度梯度，並且使發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的阻擋層變寬，所需要的時間就是下降時間。它對應(yīng)於BJT從臨界飽和經(jīng)過放大區(qū)到達(dá)截止區(qū)的時間?？梢杂酶倪M(jìn)管子的內(nèi)部構(gòu)造以及在外電路採取措施來減小開通時間和關(guān)閉時間，提高BJT的開關(guān)速度。對外電路來說，可以採用減小管子的飽和深度、增大反向基極電流等方法。典型數(shù)據(jù)：NPN型矽管3DK8B，td≤10ns，tr≤80ns，tf≤100ns。4.下降時間tf（圖15

）（T從臨界飽和到開始截止）載流子濃度梯度逐步消失，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)逐漸變寬。RBRCVCCICIBVB1+–NPNcbeVBE+–+VCE–+–VCB結(jié)論：1.NPN型BJT當(dāng)基極電壓為0.6~0.7V時處於放大狀態(tài)，發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓，具有放大作用。2.當(dāng)基極電壓為0.7V左右時處於飽和狀態(tài)，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)都加正向電壓，iC

ICS，VCE=VCES0，BJT相當(dāng)於接通的開關(guān)。3.當(dāng)基極電壓小於0.5V，或者為負(fù)