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1、第五章 二极管和双极型晶体管的 开关特性,1 P-N结 2 直流特性 3 频率特性 4 功率特性 5 开关特性 （6，7结型和绝缘栅场效应晶体管） 8 噪声特性,1.6 p-n结二极管的开关特性,5.1 开关晶体管的静态特性,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降,本章介绍二极管和晶体管的开关作用、开关过程，并讨论晶体管开关特性与其基本电学参数之间的关系，从而为设计和应用开关管提供必要的理论根据。,1.6 p-n结二极管的开关特性,1. p-n结二极管的两个状态和开关作用,2. p-n结开关特性的基本方程 3.电荷贮存效应 4.反向恢复时间的计算,图1-71
2、 二极管的开关作用示意图,正电平输入，二极管导通，开态 负电平输入，二极管截止，关态,与理想开关区别：1.正向压降；2.反向漏电流；3.开关时间。,1.6 p-n结二极管的开关特性,2. p-n结开关特性的基本方程,1. p-n结二极管的开关作用 3.电荷贮存效应 4.反向恢复时间的计算,由连续性方程,电荷控制法的基本方程,在整个扩散区积分求取总电荷,它表示在单位时间内，流入n区的空穴电荷量，等于单位时间内n区积累的空穴电荷量加上复合掉的空穴电荷量。,(1-150),图1-72 p+-n结在导通过程中电流和少子浓度分布随时间的变化过程,1. p-n结二极管的开关作用 2. p-n结开关特性的基
3、本方程 4.反向恢复时间的计算,1.6 p-n结二极管的开关特性,3.电荷贮存效应,1. p-n结二极管的开关作用 2. p-n结开关特性的基本方程 4.反向恢复时间的计算,1.6 p-n结二极管的开关特性,3.电荷贮存效应,流过p-n结的电流基本保持不变，则由式(1-150)有,积分，及 得,当p+-n结达到稳定的开态时，n区内贮存的少子电荷量正比于正向注入电流和少子寿命。,存储时间ts,下降时间tf,关断时间tr=ts+tf，反向恢复时间,图1-73 在关断过程中p+-n结内电流(a)和少子分布(b)的变化过程,1.6 p-n结二极管的开关特性,1. p-n结二极管的开关作用 2. p-n
4、结开关特性的基本方程 4.反向恢复时间的计算,3.电荷贮存效应,外加电压突然反向时,反向恢复过程对开关速度的限制,电荷贮存效应？,1. p-n结二极管的开关作用 2. p-n结开关特性的基本方程 4.反向恢复时间的计算,3.电荷贮存效应,1.6 p-n结二极管的开关特性,采用电荷法进行计算。电荷法的优点是概念清楚，所得公式简单而便于应用 。,贮存时间ts,正向时：,稳态时：,反向时：,1. p-n结二极管的开关作用 2. p-n结开关特性的基本方程 3.电荷贮存效应,4.反向恢复时间的计算,1.6 p-n结二极管的开关特性,初始条件：,解得：,认为Ir不变： 1线为初始时刻，Q=Iftp 虚线
5、为x=0处切线 2、3、4线平行（斜率、梯度相同） 斜率为Ir/AqDp 阴影区面积=Q(ts),（1-153）,4.反向恢复时间的计算,1.6 p-n结二极管的开关特性,图1-74 反向恢复过程中n区空穴分布变化示意图,解得：,上述计算利用边界少子浓度等于零为边界条件。 由上式可见，ts与tp、Ir、If有关，分别起复合、抽取和贮存作用。 实际中可用测ts的方法确定tp，是测量少子寿命的简便方法。,4.反向恢复时间的计算,1.6 p-n结二极管的开关特性,下降时间tf,实际下降过程中，结边缘附近少子浓度梯度逐渐下降，反向电流不再是常数，问题复杂。 可以近似认为Ir不变，而用（1-153）计算
6、，即认为整个反向过程为Ir抽取Iftp的时间，所得结果较实际的tf短。,4.反向恢复时间的计算,1.6 p-n结二极管的开关特性,5. 薄基区二极管中的贮存电荷,在IC中常将npn管的cb短路，利用eb结作为二极管，因Wp(Wb)Lnb，故称之为薄基区二极管。 正向工作时，p区电子线性分布。,向其中注入少子的区域称为半导体器件的基区。,1.6 p-n结二极管的开关特性,(平均停留时间),图1-74 反向恢复过程中n区空穴分布变化示意图,5. 薄基区二极管中的贮存电荷,1.6 p-n结二极管的开关特性,6. 缩短反向恢复时间的措施,两个原则：,1.减少贮存电荷量,2.加快贮存电荷的消失过程,减小
7、正向电流 减小少子扩散长度，即缩短少子寿命 减薄轻掺杂区厚度,缩短少子寿命 增大抽取电流,1.6 p-n结二极管的开关特性,5.1 开关晶体管的静态特性,1. 晶体管的开关作用 2. 开关晶体管的工作状态 3. 晶体管开关与二极管开关的比较 4. 开关运用对晶体管的基本要求 5. 开关过程简介,1. 晶体管的开关作用,线性区 放大区,饱和区,截止区,5.1 开关晶体管的静态特性,图5-1 晶体管开关电路原理图,试分析Vce=0时，Ic=?,2. 开关晶体管的工作状态,5.1 开关晶体管的静态特性,图5-3 三种工作状态下基区和集电区的少子分布,饱和时，eb结正偏约0.7V，ce间饱和压降约0.
8、2-0.3V，因而集电结正偏。这是进入饱和态的重要标志。,处于饱和态的晶体管ce间压降称为饱和压降，其值与饱和深度有关，取决于负载电阻上承受的电源电压。,饱和区特点： 过驱动 饱和压降（小） 集电结也正偏,由于负载电阻限制，集电极电流达到集电极饱和电流而不能继续随基极电流增大。实际的基极电流（驱动电流）超过与饱和集电极电流相应的数值。,2. 开关晶体管的工作状态,5.1 开关晶体管的静态特性,集电极饱和电流 饱和度 过驱动因子 饱和压降,如果在基极交替地施加正、负脉冲(或电平)，使晶体管交替地处于饱和态和截止态，对于集电极回路而言。则是交替地处于导通(开)和断开(关)状态，因而可将其作开关使用
9、。,2. 开关晶体管的工作状态,5.1 开关晶体管的静态特性,3. 晶体管开关与二极管开关比较,相似之处： (1)正向时(导通时)管子本身有压降。 (2)反向时(截止时)存在漏电流。 (3)存在开关时间 不同之处： (1)晶体管开关的输出波形与输入波形相位差180。 而二极管开关是同相位的。前者可在集成电路中 作倒相器。 (2)晶体管开关有电流及电压的放大作用，而二极管 开关没有。,5.1 开关晶体管的静态特性,4. 开关运用对晶体管的基本要求,开态和关态特性好 饱和压降小，消耗功率小； 正向压降小，启动功率小； 反向漏电流小。 开关时间短,5.1 开关晶体管的静态特性,5. 开关过程简介,开
10、关过程 延迟 上升 贮存 下降 开关时间 延迟时间td 上升时间tr 贮存时间ts 下降时间tf,5.1 开关晶体管的静态特性,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,1. 电荷控制理论 2. 延迟过程和延迟时间 3. 上升过程和上升时间 4. 电荷贮存效应和贮存时间 5. 下降过程和下降时间 6. 提高开关速度的措施,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,1. 电荷控制理论,前几章分析晶体管特性时是将晶体管看做“电流控制器件”。对于稳态及小信号运用情况比较容易用线性微分方程来描述晶体管的特性。 在作为开关运用时，晶体管的输入信号幅度变化很大，且不是工作在线性区，而是在截止区与饱和区之间跳变。这时的
11、晶体管表现出高度的非线性。若再采用前面的分析方法会使问题变得很复杂。 另一方面，研究晶体管的开关特性时，着重讨论的是晶体管在由开到关及由关到开的过程中结偏压及内部电荷的变化趋势及结果，至于变化过程的每一瞬间电荷(载流子)的具体分布情况并不需要知道，因而可以用“电荷控制理论”来讨论晶体管的开关特性。,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,1. 电荷控制理论,电荷控制理论的基本思想是从少数载流子的连续性方程导出电荷控制分析的基本微分方程，将电流（密度）、电荷和时间联系起来，通过开关过程中结偏压及内部电荷的变化趋势(规律)及结果得出各个阶段的时间。 对于npn晶体管，基区电子连续性方程为,（5-3）,
12、（5-4）,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,根据高斯定理,（5-5）,（5-6）,（5-7）,（5-8）,1. 电荷控制理论,进入基区净的电子电流in 净流入基区电子对应的电流(-in),电中性要求： 流入基区电子等 于流入基区空穴,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,基区中电荷随时间的变化率等于单位时间基极电流所提供的电荷减去在基区内部的复合损失,稳态时 ，有 （稳态值，角标大写）,稳态时，基极电流等于基区内的少子复合电流,1. 电荷控制理论,（5-8）,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,定义基极时间常数 将稳态下基区贮存的少子电荷与相应的基极电流联系起来。,集电极时间常数,发射极时间
13、常数,称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关,1. 电荷控制理论,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,（5-16）,物理意义： 基极电流所提供的电荷用于 补充基区积累电荷的复合损失和 基区电荷的积累，用于 发射结和 集电结势垒电容充电， 补充超量贮存电荷的积累及其 复合损失。,1. 电荷控制理论,此即电荷控制分析中描写瞬态基极电流与瞬态基区电荷关系的基本方程。由于此方程是由稳态方程外推所得的。因而是一个近似方程，此近似方程也只有在一定的条件下才可以使用（频率限制）。,计及结电容等非本征参数，完整的电荷控制方程为,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,2. 延迟过程和延迟时间,延迟过
14、程：当晶体管从关态向开态转化时，输出端不能立即对输入脉冲作出响应，而产生延迟过程。定义延迟过程为从正向脉冲输入到集电极开始有输出电流的过程。,eb结反偏,零偏,正偏（小）,cb结反偏,反偏（小）,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,图5-5 截止状态晶体管的(a)结电压(b)电流传输(c)基区少子分布,图5-7 延迟过程结束时的(a)结电压和(b)基区少子分子,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,在延迟过程中，基极电流IB1提供的空穴有下列用途： 给eb结充电； 给cb结充电； 在基区建立与0.1Ics相对应的空穴积累以及 补充维持这一电荷积累的复合损失。 延迟过程就是基极注入电流IB1向发射
15、结势垒电容充电、集电结势垒电容充电、并在基区内建立起某一稳定的电荷积累的过程。,2. 延迟过程和延迟时间,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,延迟时间的计算将根据延迟过程中结电压和电流的变化分两个阶段，分别列出电荷控制方程和求解。,第一阶段： 基极输入正脉冲晶体管开始导通Ic0 第二阶段： Ic由00.1Ics,实际的延迟过程,属于上升过程,2. 延迟过程和延迟时间,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,2. 延迟过程和延迟时间,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,3. 上升过程和上升时间,上升过程：延迟过程结束，基区开始积累电荷，并积累相应于Ic从0(0.1Ics)到Ics(0.9Ics)的电荷（梯度）的过程。,eb结反偏,零偏,正偏（小）,cb结反偏,反偏（小）,正偏,正偏（小）,延迟,上升,5.2 晶体管的开关过程和开关时间, 继续向发射结势垒电容充电； 继续向集电结势垒电容充电； 增加基区电荷积累； 补充基区电荷在积累过程的损失,3. 上升过程和上升时间,图5-8 上升过程中基区少子分布,5.2 晶体管的开关过程和开关时间,基区少子分布,集电极电流 0-0-0.1Ics-0.9Ics-,发射结电压 -VBB-Vjo(0.5V)-0.7-,集电结电压 -(Vcc+VBB)- -(Vcc-Vjo)-
