半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性

數(shù)字電子技術(shù)第二章第一小節(jié)半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性第七講

邏輯門電路（二極管、三極管的開關(guān)特性）第二章邏輯門電路以半導(dǎo)體器件為基本單元，集成在一塊硅片上，并具有一定邏輯功能的電路由分立的二極管、三極管或MOS管等元件組成的門電路在邏輯代數(shù)中，邏輯變量的取值不是0就是1，是一種二值量。它對應(yīng)于數(shù)字電路中電子元件的開關(guān)（即電子開關(guān)的斷開、閉合）兩種狀態(tài)。能實(shí)現(xiàn)開、關(guān)狀態(tài)的電子元件稱為電子開關(guān)。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。理想的開關(guān)：閉合時：開關(guān)兩端電壓為0；斷開時：流過開關(guān)的電流為0；兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換瞬間完成。2.1半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性

（二極管與三極管）一、二極管的開關(guān)特性1．二極管的靜態(tài)特性2．二極管開關(guān)的動態(tài)特性二、三極管的開關(guān)特性1．三極管的三種工作狀態(tài)2．三極管的動態(tài)特性(1)加正向電壓VF（VF

>0.5V）時，二極管導(dǎo)通，管壓降VD可忽略。二極管相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)。2.1.1二極管的開關(guān)特性

1．二極管的靜態(tài)特性

可見，二極管在電路中表現(xiàn)為一個受外加電壓vi控制的開關(guān)。當(dāng)外加電壓vi為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖電壓的變化在“開”態(tài)與“關(guān)”態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這個轉(zhuǎn)換過程就是二極管開關(guān)的動態(tài)特性。(2)加反向電壓VR或正向電壓<0.5V時，二極管截止，反向電流IS可忽略。二極管相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)。

給二極管電路加入一個方波信號，電流的波形怎樣呢？ts為存儲時間，tt稱為渡越時間。tre＝ts十tt稱為反向恢復(fù)時間2．二極管開關(guān)的動態(tài)特性

反向恢復(fù)時間：tre＝ts十tt產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因：反向恢復(fù)時間tre就是存儲電荷消散所需要的時間。

同理，二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄒ残枰獣r間，這段時間稱為開通時間。開通時間比反向恢復(fù)時間要小得多，一般可以忽略不計(jì)。2.1.2三極管的開關(guān)特性1．三極管的三種工作狀態(tài)（截止?fàn)顟B(tài)）

（1）截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)VI小于三極管發(fā)射結(jié)死區(qū)電壓（約為0.5v），即VBE<0.5v時，IB≈0，IC≈0，VCE≈VCC=U0，三極管工作在截止區(qū)，對應(yīng)圖中的A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U0此時，若調(diào)節(jié)Rb↓，則IB↑，IC↑，VCE↓，工作點(diǎn)沿著負(fù)載線由A點(diǎn)→B點(diǎn)→C點(diǎn)→D點(diǎn)向上移動。在此期間，三極管工作在放大區(qū)，其特點(diǎn)為IC＝βIB。三極管工作在放大狀態(tài)的條件為：0<IB<IBs（此時IB＝IC÷β，)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏

（2）放大狀態(tài)：當(dāng)VI為正值且大于死區(qū)電壓時，三極管導(dǎo)通。有

放大狀態(tài)

再減小Rb，IB會繼續(xù)增加，但I(xiàn)C不會再增加，三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。飽和時的VCE電壓稱為飽和壓降VCES，其典型值為：VCES≈0.3V。

三極管工作在飽和狀態(tài)的電流條件為：IB＞IBS

電壓條件為：集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均正偏

（3）飽和狀態(tài)：VI不變，繼續(xù)減小Rb，當(dāng)VCE

＝0.3V時，集電結(jié)變?yōu)榱闫?，稱為臨界飽和狀態(tài)，對應(yīng)E點(diǎn)。此時的集電極電流用ICS表示，基極電流用IBS表示，有:飽和狀態(tài)工作狀態(tài)截止放大飽和條件工作特點(diǎn)偏置情況集電極電流管壓降近似的等效電路C、E間等效電阻發(fā)射結(jié)電壓＜死區(qū)電壓發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏很大相當(dāng)開關(guān)斷開可變很小相當(dāng)開關(guān)閉合三種工作狀態(tài)比較解：依題意可得IB（基極電流）

、IBS（三極管臨界飽和時的基極電流）例1.4.1

電路及參數(shù)如圖所示，設(shè)輸入電壓VI=3V，三極管的VBE=0.7V。（1）若β＝60，試判斷三極管是否飽和，并求出IC和VO的值。（2）將RC改為6.8kW，重復(fù)以上計(jì)算?！逫B＞IBS∴三極管飽和。

IB不變，仍為0.023mA

∵IB＜IBS∴三極管處在放大狀態(tài)。

舉例（3）將RC改為6.8kW，再將Rb改為60kW，重復(fù)以上計(jì)算。由此可見，Rb

、RC

、β等參數(shù)都能決定三極管是否飽和。即在VI一定（要保證發(fā)射結(jié)正偏）和VCC一定的條件下，Rb越小，β越大，RC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幾個參數(shù)，使三極管在導(dǎo)通時為飽和導(dǎo)通。∵IB＞IBS∴三極管飽和。

飽和條件可寫為：

2．三極管的動態(tài)特性（略）（1）延遲時間td——從vi正跳變的瞬間開始，到iC上升到

0.1ICS所需的時間

（2）上升時間tr——iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需的時間。（3）存儲時間ts——從vi下跳變的瞬間開始，到iC下降到0.9