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1、 上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第第5 5 章章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 5.1 5.1 二极管的开关作用和二极管的开关作用和反向恢复时间反向恢复时间5.2 5.2 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性5.3 5.3 晶体管开关的动态特性晶体管开关的动态特性5.4 5.4 习题习题上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理 本章重点本章重点开关晶体管开关原理（静态特性）晶体管到开关过程（延迟过程、上升过程、超量
2、储存电荷消失过程、下降过程） 晶体管的开关时间及减小的方法上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理晶体管（transistor，是转换电阻transfer resistor的缩写）是一个多重结的半导体器件。通常 晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、 电流或是信号功率增益。双极型晶体管（bipolar transistor），或称双极结型晶体管（bipolar junction transistor，BJT），是最重要的半导体器件 之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有 广泛的应用。双极型器件是一
3、种电子与空穴皆参与导 电过程的半导体器件，与只由一种载流子参与传导的 场效应晶体管不同。（场效应晶体管将在第七、八两 章中进行讨论。）上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理在放大电路中，晶体管是一个优良的放大元件，工作 在放大区域。在开关电路中，晶体管作为优良的开关元件 而被广泛使用在计算机和自动控制领域中，此时晶体管工 作在截止区（断开）或饱和区（接通），从而在电路中起 到开关的作用。晶体管的开关特性包括两部分，一部分是晶体管处于 开态和关态时端电流电压间的静态特性，另一部分是在开 态和关态之间转换时，电流电
4、压随时间变化的瞬态特性。晶体管由截止区转换到饱和区，或由饱和区转换到截 止区，可以通过加在其输入端的外界信号来实现，因此转 换速度极快，可达每秒几十万次到几百万次，甚至更高。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理5.1 二极管的开关作用和反向恢复时间利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特 性，可以把二极管作开关使用。当开关K打向A 时，二极管处于正向，电流很大，相当于接有 负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路处 于接通状态（开态）；若把K打向B，二极管处 于反向，反向电流很小，相当于外回路的开关 断开，回路处于
5、断开状态（关态）。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理在开态时，流过负载的稳态电流为I1V1为外加电源电压，VJ为二极管 的正向压降，对硅管VJ约为0.7V， 锗管VJ约为0.25V，RL为负载电阻 。通常VJ远小于V1，所以上式可近 似写为在关态时，流过负 载的电流就是二极管 的反向电流IR。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息
6、职业技术学院半导体器件物理把二极管作为开关使用时，若回路处于 开态，在“开关”（即二极管）上有微小压降 ；当回路处于关态时，在回路中有微小电流 ，这与一般的机械开关有所不同。说明说明上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理二极管的反向恢复时间假设外加脉冲的波形如图5-6(a)所示，则流过二极 管的电流就如图5-6(b)所示。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理导通过程中（外电路加以正脉冲），二极管 P区向N区输运大量空穴，N区向
7、P区输运大量电 子。随着时间的延长，N区内空穴和P区内电子 不断增加，直到稳态时停止。在稳态时，流入N 区的空穴正好与N区内复合掉的空穴数目相等， 流入P区的电子也正好与P区内复合掉的电子数 目相等，达到动态平衡，流过P-N结的电流为一 常数I1。随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增加 ，P-N结上的电压逐步上升，在稳态即为VJ。此 时，二极管就工作在导通状态。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲， 此时，正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压 拉回到原来的区域，
8、开始时的瞬间，流过P-N结的反向 电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分 通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复 到正常情况下的反向漏电流值IR。正向导通时少数载流 子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过 程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这 段时间就称为储存时间ts。在ts之后，P-N结上的电流到 达反向饱和电流IR，P-N结达到平衡。定义流过P-N结的 反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。 储存时间和下降时间之和（ts+tf）称为P-N结的关断时 间（反向恢复时间）。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管
9、的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理反向恢复时间限制了二极管的开关速度。如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得 多，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的 开关作用；如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差 不多甚至更短的话，这时由于反向恢复过程的影响 ，负脉冲不能使二极管关断。所以要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不 能太短，也就意味着脉冲的重复频率不能太高，这 就限制了开关的速度。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理5.2 开关晶体管的静态特性晶体管共射开关电路原理图 VB
10、B 偏置电压RL 负载电阻 上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理当基极回路中输入一幅值VI远大于VBB的正脉冲信号时， 基极电流立即上升到 在驱动电流IB的作用下，发射结电压降逐渐由反偏变为正 偏，晶体管由截止变为导通，集电极电流也将随着发射结正向 压降的上升而增大。当集电极电流增加到负载电阻上的压降ICRL达到或者超过 VCC-VBE时，集电结将变为零偏，甚至正偏，发射结上的压降很 小，C和E之间近似短路，相当于图中CE间的开关K闭合。因此，当晶体管导通后，在集电极回路中，晶体管相当于 一个闭合开关。 上海
11、电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理当基极回路的输入脉冲为负或等于零时，晶体管的 发射结和集电结都处于反向偏置状态。这时晶体管工作 在截止区，集电极电流IC=ICEO，对于性能良好的晶体 管，ICEO一般很小，负载电阻上压降很小，集电极和发 射极之间的压降VCEVCC。因此，当晶体管处于截止状态时，晶体管相当于一 断开的开关。将晶体管导通后，工作在饱和区的开关电路，称为 饱和开关。饱和开关接近于理想开关。而把晶体管工作在放大区的开关电路，称为非饱和 开关。这种工作模式，一般用在高速开关电路中。上海电子信息职业技术
12、学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理晶体管的开关作用，是通过基极控制信号（IB） ，使晶体管在饱和（或导通）态与截止态之间往复 转换来实现的。它与理想开关的主要差别在于开态时晶体管开关上的压降 ；关态时回路中还存在一定的电流ICEO，因而回路电流 。小结小结上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理练习P106 1，4，5上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理开关晶体
13、管的工作状态晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出 特性曲线上可以看出，随着偏置电压的不同，晶体管的工作区域 可以分为饱和区、放大区和截止区三个区域。此外，当晶体管的发射极和集电极相互交换，晶体管处于倒 向运用状态时，也应该同样存在上述三个区域。为了分析开关 特性的需要，我们 将倒向（反向）放 大区也一并提出进 行分析。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理发射结和集电结的偏置情况， 集电极输出电流IC和基极输入电流IB之间的关系上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶
14、体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理饱和区饱和区的特点是发射结正偏VBE0，集电结 也处于正偏，VBC0，集电极电流和基极电流间 满足ICIB的关系。基极回路中输入一幅值VIVBB的正脉冲，基极 电流IB将立即跳变，晶体管将沿着输出特性的负载线 ，由截止区进入放大区。这时，集电极电流IC随着IB 的增大而很快上升，管压降VCE则随着IC的增大而下 降。当管压降下降到VCE=VCC-ICRL=VBE时，集电结 由反偏变为零偏，使集电结收集载流子的能力减弱， IC随IB增长的速度开始变慢，这时晶体管即进入临界 饱和状态。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开
15、关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理临界饱和时集电极电流晶体管达到临界饱和时的基极驱动电流，称为临界饱 和基极电流IBS。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理若基极驱动电流IBIBS，则晶体管将处于过驱动 状态，过驱动电流 过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和状过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和状 态，过驱动电路越大，饱和深度越深。态，过驱动电路越大，饱和深度越深。晶体管的饱和程度，可以用饱和深度S来描述。 临界饱和，临界饱和，S=1S=1深度饱和，深度饱和，S1S1上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理截止区发射结反偏，集电结反偏，发射结反偏，集电结反偏，I IC C=I=ICEOCEO00。 基极电流IB则 由这两个电流组成， 因而IBIEBO+ICBO。 由于基极电流很小， 因此，可以用输出特 性曲线中IB=0的一条 线作为放大区和截止 区的分界线。上海电子信息职业技术学院半导体器件物理第五章第五章 晶体管的开关特性晶体管的开关特性上海电子信息职业技术学院半导体器件物理5.3 晶体管开关的动态特性上海电子信
