半導(dǎo)體器件開關(guān)特性

1、第二章第二章 邏輯門電路邏輯門電路以半導(dǎo)體器件為基本單元，以半導(dǎo)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(duì)應(yīng)于數(shù)字電路中電子元件的開關(guān)對(duì)應(yīng)于數(shù)字電路中電子元件的開關(guān)（即電（即電子開關(guān)的斷開、閉合）子開關(guān)的斷開、閉合）兩種狀態(tài)兩種狀態(tài)。能實(shí)現(xiàn)開、關(guān)狀態(tài)的。能實(shí)現(xiàn)開、關(guān)狀態(tài)的電子元件稱為電子開關(guān)。電子元件稱為電子開關(guān)。 二極管、三極

2、管和場效應(yīng)管在數(shù)字電路中就是構(gòu)成二極管、三極管和場效應(yīng)管在數(shù)字電路中就是構(gòu)成這種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件。這種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件。理想的開關(guān)：理想的開關(guān)： 閉合時(shí)：開關(guān)兩端電壓為閉合時(shí)：開關(guān)兩端電壓為0； 斷開時(shí)：流過開關(guān)的電流為斷開時(shí)：流過開關(guān)的電流為0； 兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換瞬間完成。兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換瞬間完成。一、二極管的開關(guān)特性一、二極管的開關(guān)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(guān)的動(dòng)態(tài)特性二極管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性二、三極管的開關(guān)特性二、三極管的開關(guān)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(dòng)態(tài)特性三極管的動(dòng)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(shí)，二極管導(dǎo)通，管壓降）時(shí)，二極管導(dǎo)通，管壓降V VD D可忽略。二極管相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。可忽略。二極管相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。DRLFFVIFKFRVLI 可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個(gè)可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個(gè)受外加電壓受外加電壓vi控制的控制的開關(guān)開關(guān)。當(dāng)外加電壓。當(dāng)外加電壓vi為一脈沖信號(hào)時(shí)，二極管將隨著脈沖電為一脈沖信號(hào)時(shí)，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(guān)關(guān)”態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程就態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程就是二極管開關(guān)的是二極管開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)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(shí)，二極管截止，反向時(shí)，二極管截止，反向電流電流I IS S可忽略。二極管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)?？珊雎浴６O管相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。LKVRRDLRVSRI 給二極管電路加入給二極管電路加入一個(gè)方波信號(hào)，電流的一個(gè)方波信號(hào)，電流的波形怎樣呢？波形怎樣呢？ts為存儲(chǔ)時(shí)間，為存儲(chǔ)時(shí)間，tt稱為渡越時(shí)間稱為渡越時(shí)間。trets十十tt稱為稱為反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間+DLIRvitRtt(c)sItiI0.1I1FRt0產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因：產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因：反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間t trere就是存儲(chǔ)電荷消散所需要的時(shí)間。就是存儲(chǔ)電荷消散所需要的時(shí)間。 同理，二極管從截止轉(zhuǎn)為正向

5、導(dǎo)通也需要時(shí)間，這段時(shí)同理，二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄒ残枰獣r(shí)間，這段時(shí)間稱為間稱為開通時(shí)間開通時(shí)間。開通時(shí)間比反向恢復(fù)時(shí)間要小得多，一般。開通時(shí)間比反向恢復(fù)時(shí)間要小得多，一般可以忽略不計(jì)?？梢院雎圆挥?jì)。+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?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)） （1 1）截止?fàn)顟B(tài)：）截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)當(dāng)V VI I小于三極管發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓（約為小于三極管發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓（約為0.5v0.5v），即），即VBE BE 0.5v0.5v時(shí)，時(shí)，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(duì)應(yīng)圖中的，三極管工作在截止區(qū)，對(duì)應(yīng)圖中的A A點(diǎn)。點(diǎn)。 三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)的條件為：發(fā)射結(jié)反偏或小于死區(qū)電壓三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)的條件為：發(fā)射結(jié)反偏或小于死區(qū)電壓VCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4+V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVU0 此時(shí)，若調(diào)節(jié)此時(shí)，若調(diào)節(jié)R Rb b，則，則I IB B，I IC C，V VCECE，工作點(diǎn)沿著負(fù)載線由，工作點(diǎn)沿著負(fù)載線由A A點(diǎn)點(diǎn)BB點(diǎn)點(diǎn)CC點(diǎn)點(diǎn)DD點(diǎn)向上移動(dòng)。在此期間，三極管工作在放大區(qū)，點(diǎn)向上移動(dòng)。在此期間，三極管工

7、作在放大區(qū)，其特點(diǎn)其特點(diǎn)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(shí)（此時(shí)IBIC，) )發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏正偏，集電結(jié)反偏 （2 2）放大狀態(tài)：）放大狀態(tài)：當(dāng)當(dāng)V VI I為正值且大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通。有為正值且大于死區(qū)電壓時(shí)，三極管導(dǎo)通。有 bIbBEIBRVRVVI +V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4 再減小再減小R Rb b，I IB B會(huì)繼續(xù)增加，但會(huì)繼續(xù)增加，但I(xiàn) IC C不會(huì)再

8、增加，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。不會(huì)再增加，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。飽和時(shí)的飽和時(shí)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(jié)和發(fā)射結(jié)均正偏電壓條件為：集電結(jié)和發(fā)射結(jié)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(dāng)，當(dāng)V VCECE 0.3V0.3V時(shí)，集電結(jié)變?yōu)闀r(shí)，集電結(jié)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(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)E E點(diǎn)。此時(shí)的集電極電

9、流用點(diǎn)。此時(shí)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(diǎn)點(diǎn)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(jié)電壓發(fā)射結(jié)電壓死區(qū)電壓死區(qū)電壓發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏集電結(jié)正偏很大很大相當(dāng)開關(guān)斷開相當(dāng)開關(guān)斷開可變可變很小很小相當(dāng)開關(guān)閉合相當(dāng)開關(guān)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(shí)的基極電流）（三極管臨界飽和時(shí)的基極電流）例例1.4.1 電路及參數(shù)如圖所示，設(shè)輸入電壓電路及參數(shù)如圖所示，設(shè)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(fù)以上計(jì)算。，重復(fù)以上計(jì)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(fù)以上計(jì)算。，重復(fù)以上計(jì)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(jié)正偏）和一定（要保證發(fā)射結(jié)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(gè)參數(shù)，使三極管在導(dǎo)通時(shí)為飽和導(dǎo)通。幾個(gè)參數(shù)，使三極管在導(dǎo)通時(shí)為飽和導(dǎo)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(shí)間延遲時(shí)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(shí)間所需的時(shí)間 （2）上升時(shí)間上升時(shí)間triC從從0.1