第五章開關(guān)特性二極管和雙極型晶體管的

第五章二極管和雙極型晶體管的§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時§5.2晶體管的開關(guān)作§5.1p-n結(jié)二極管的開關(guān)特P-N8§5.4§5.4開關(guān)晶體管的正向壓降和飽和2.電效反向恢復(fù)薄基區(qū)二極管2.電效反向恢復(fù)薄基區(qū)二極管中 電縮短反向恢復(fù)時間的措1.p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和負(fù)電平輸入，二極管截止，關(guān)圖5-1二極管的開關(guān)狀與與理想開關(guān)區(qū)別：1.正向壓降；2.反向漏電流；3.21.p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和1.p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和反向恢復(fù)薄基區(qū)二極管中 電縮短反向恢復(fù)時間的措2.電 效I

Vf

（5-

（5-（5-x0IpVkTln(I qIR圖5-2導(dǎo)通過程中p+-n結(jié)內(nèi)電流、電壓和少子密度的變31p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關(guān)反向恢1p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關(guān)反向恢復(fù)時薄基區(qū)二極管中 電縮短反向恢2.電 效下降時間tf時間ts關(guān)斷時間tr=ts+tf，反向恢復(fù)時圖5-3關(guān)斷過程中p+-n結(jié)內(nèi)電流、電壓和少子密度的變41.p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關(guān)1.p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關(guān)薄基區(qū)二極管中 2.電 效圖5-4

電 效應(yīng)5§5.1p-n結(jié)二極管的開關(guān)特3.反向恢優(yōu)點是概念清楚，所得簡單而便于應(yīng)

電 效薄基區(qū)二極管中 電縮短反向恢時間

正向時穩(wěn)態(tài)時

dQ

0Q

IfdQdQIfpdQIrp反向時6§5.1p-n結(jié)二極管的開關(guān)特3.反向恢

電 效薄基區(qū)二極管中 電初始條件解得

QIf

縮短反向恢（5-認(rèn)為Ir不變1線為初虛線為x=0處切陰影區(qū)面積QQtfItreppI 7 (I ) (I )2rfspI(I2I )] f電 效5.縮短反向恢電45.縮短反向恢電4薄基區(qū)二極管中上述計算利用邊界少子濃度等于零為標(biāo)志，實際上應(yīng)是非平衡少子濃度。由上式可見，s與p、Ir、If有關(guān)，分別起復(fù)合、抽取和 作用。 8電 效電 效電4薄基區(qū)二極管電4薄基區(qū)二極管中5.縮短反向恢5.縮短反向恢實際下降過程中，結(jié)邊緣附近少子濃度梯度逐漸下降，反向電流不再是常數(shù)，問題復(fù)雜?？梢越普J(rèn)為Ir不變，而用（5-12）計算，即認(rèn)為整個反向過程為Ir抽取Ifp的時間，所得結(jié)果較實際的f短。將ttr時

tr

ln(

IfIt

I IfIr94.薄基區(qū)二極管中 電4.薄基區(qū)二極管中 電電 效反向恢復(fù)時5.縮短反向恢利用eb結(jié)作為二極管Wp(Wb)<<Lnb稱之為薄基正向工作時，p區(qū)電子線性2.1.p-n2.1.p-n結(jié)二極管的兩個狀態(tài)和開關(guān)3.5.4.薄基區(qū)二極管中3.5.dQ0Q

IfQQ 2D WnIf nWQ12(平均停留時間電 效電 效反向恢復(fù)時薄基區(qū)二極管中 電5.縮短反向恢復(fù)時間的兩個原則減 電荷減小正向電減小少子擴(kuò)散長度，即縮短少減薄輕摻雜區(qū)厚加 電荷 過縮短少增大抽取電§5.2晶體管的開關(guān)作晶體管的晶體管的三個狀態(tài)及開關(guān)作晶體管開關(guān)與二極管開關(guān)比開關(guān)運用對晶體管的基本要§5.21.晶體管的三個狀態(tài)及開關(guān)作直流直流負(fù)載VccRLI試分析Vce=0時§5.2晶體管的開關(guān)作1.晶體管的三個狀態(tài)及飽和區(qū)特過驅(qū)飽和壓降（小集電

由于負(fù)載電阻限制，集電極電流達(dá)到集電極飽和電流而不能繼續(xù)隨基極電流增大。實際的基極電流（驅(qū)動電流）超過處于飽和態(tài)的晶體管ce間壓降稱為飽和壓降，其值與飽和深度有關(guān)，取決于負(fù)飽和時，eb結(jié)正偏約0.7V，ce間飽和§5.2晶體管的開關(guān)作IRLIRLSIb如果在基極交替地施加正、負(fù)脈沖(或電平)，使晶體管交替地處于飽和態(tài)和截止態(tài)，對于集電極回路而言。則是交替地處于導(dǎo)通(開SIb§5.2晶體管的開關(guān)作2.晶體管開關(guān)與二極管相似之處(3)存在開關(guān)不同之處(1)晶體管開關(guān)的輸出波形與輸入波形相位差180。而二極管開關(guān)是同相位的。前者可在集成電路中作倒相器。(2)晶體管開關(guān)有電流及電壓的放大作用，而二極開關(guān)沒§5.2晶體管的開關(guān)作3.開關(guān)運用對晶體管的飽和壓降小，消耗正向壓降小，啟動反向漏電流§5.2晶體管的開關(guān)作4.開關(guān)過延上下延遲時間上升時間時間下降時間

關(guān)閉時間

開關(guān)時§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時1.電荷效應(yīng)和時6.§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時1.電荷控前幾章分析晶體管特性時是將晶體管看做“電流控制器件”。對于穩(wěn)態(tài)及小信號運用情況比較容易用線性微分方程來描述晶體管的特性。在作為開關(guān)運用時，晶體管的輸入信號幅度變化很大，且不是工作性區(qū)，而是在截止區(qū)與飽和區(qū)之間跳變。這時的晶體管表現(xiàn)出高度的非線性。若再采用前面的分析方使問題變得很另一方面，研究晶體管的開關(guān)特性時，著重討論的是晶體管在由開到關(guān)及由關(guān)到開的過程中結(jié)偏壓及內(nèi)部電荷的變化趨勢及結(jié)果，至于變化過程的每一瞬間電荷(載流子)的具體分布情況并不需要知道，因而可以用“電荷控制理論”來討論晶體管的開關(guān)特性?！?.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時1.電荷控電荷控制理論的基本思想是從少數(shù)載流子的連續(xù)性方程導(dǎo)出電荷控制分析的基本微分方程，將電流（密度）、電荷和時間聯(lián)系起來，通過開關(guān)過程中結(jié)偏壓及內(nèi)部電荷的變化趨勢(規(guī)律)及結(jié)果得出各個階段的時間。對于npn晶體管，基區(qū)電子nn1(J)qnnV(J)dxdydzQbnn§5.3

進(jìn)入基區(qū)凈的電子流1.電荷控根 定

Jndxdydz(Jn

（5-

（5-于流入基區(qū)空

i

in

（5-（5-（5-iQbbniQbbn§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時iQiQbbn

（5-基區(qū)中電荷隨時間的變化率等于單位時間基極電流所提供的電荷減去在基區(qū)內(nèi)部的復(fù)合損失基區(qū)中電荷隨時間的變化率等于單位時間基極電流所提供的電荷減去在基區(qū)內(nèi)部的復(fù)合損失穩(wěn)態(tài)

0

IB

（穩(wěn)態(tài)值，角標(biāo)大寫n穩(wěn)穩(wěn)態(tài)時，基極電流等于基區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合電§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時1.電荷控定義基極時間常數(shù)

將穩(wěn)態(tài)下基 CCICEIEIB少子電荷與相應(yīng)的基極電流聯(lián)系起來發(fā)射極時稱為電荷控制參數(shù)，其相互關(guān)系及數(shù)值與器件本身參數(shù)有§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時1.電荷控物理意義基極電流所提供的電荷用此即電荷控制發(fā)射結(jié)

基本近似方程

集電結(jié)勢壘電容充電補(bǔ)充超 電荷的積累及復(fù)合損失

iQbbXbiQbbXbBs（5-cb結(jié)反eb結(jié)反§5.3晶體管的開關(guān)過程和cb結(jié)反eb結(jié)反2.延遲過延遲過程延遲過程：當(dāng)晶體管從關(guān)態(tài)向開態(tài)轉(zhuǎn)化時，輸出端不能立即對輸入脈沖作出響應(yīng)，而產(chǎn)生延遲過程。定義延遲過程為從正向脈沖輸入到集電極開始有輸出電流的過程。零反偏（小正零反偏（小正偏（小§5.3§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時2.延遲過在延遲過程中，基極電流IB1提供的空穴有下列用途：①給eb結(jié)充電②給cb結(jié)充電③在基區(qū)建立與0.1Ics相對應(yīng)的空穴積累④補(bǔ)充維持這一電荷積累的復(fù)合損失延遲過程就是基極注入電流IB1向發(fā)射結(jié)勢壘電容充電、集電結(jié)勢壘電容充電、并在基區(qū)內(nèi)建立起某一穩(wěn)定的電荷積累的過程?！?.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時2.延遲過實際的延實際的延第一階段基極輸入正脈沖→晶體管開始導(dǎo)通I第二階段Ic由0→0.1I

屬于上升§5.3iQbbiQbbbB siTc dQTeb ttd0IdtVj jV)(VccVBBC V CV TDV1R2eVj0)1eCTVDVRd1 (1n] TReVVVDcCTc(0)[(1VCCVBB)1IB1(1nc(1VCCVj0)1nc(5-反偏（小正偏（小零§5.3晶體管的開關(guān)過反偏（小正偏（小零3.上升過上升過程上升過程：延遲過程結(jié)束，基區(qū)開始積累電荷，并積累相應(yīng)于Ic從00.1Ics)到Ics0.9Ics)的電荷（梯度）eb結(jié)反eb結(jié)反cb結(jié)反正偏（小正正偏（小正§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時3.上升過IIdQTedQTcdQb①繼續(xù)向發(fā)射結(jié)勢壘電容充電②繼續(xù)向集電結(jié)勢壘電容充電③增加基區(qū)電④補(bǔ)充基區(qū)電荷在積累過程的§5.3基區(qū)少子分集電極電

0-----------------------0-----0.1Ics---------------0.9Ics-------發(fā)射結(jié)電

集電結(jié)電 -(Vcc+VBB)------ -(Vcc-Vjo)------------------------ 正偏時間結(jié) 0------------------------td1-----td2(t1)----

t0

上升過程以Ic為標(biāo)志，故將電荷方程變換成Ic的關(guān)系IB1

CDe

Ic Ic

(

)式中采用了以下變換

CTere

CTe

CTc

CTc

CDe

CTe

IcCDe

1b1T上升過程以Ic為標(biāo)志，故將電荷方程變換成Ic的關(guān)系

rdIc

dIc

rdIc Ic

e

L

Dee

c Ic

(

)

11Dc11T

CTcRL

CTcT利用初始條件利用初始條件Ict00tI(t) c [1( RTtt1時，Ic (1IB1Dc1 R)T dtt2時，Ic IB1Dc2( R)T r2 1( R) T §5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時4.電荷效應(yīng)和時間電荷效應(yīng)：上升過程結(jié)束時，集電極電流接近（達(dá)到）飽和值Ics，基極復(fù)合電流為Ics（臨界飽和基極電流），但實際基極電流大于此值，存在過驅(qū)動電流IB，即基極電流除補(bǔ)充基區(qū)復(fù)合損失外，多余部分引起晶體管中電荷的進(jìn)一步積累，形成超量存貯電荷，并導(dǎo)致集電結(jié)正偏，晶體管進(jìn)入飽和態(tài)。關(guān)斷過程開始時，超量存貯電荷因復(fù)合和被基極電流抽取而逐漸，使得集電極電流不能立即對輸入負(fù)脈沖作出響應(yīng)。§5.34.4.電 效應(yīng) 時§5.34.4.電 效應(yīng) 時sXI§5.3晶sXI4.電 效應(yīng) 時 其中，QX為晶體管中總的超 電荷。s則是過驅(qū)動電流I對基區(qū)、集電區(qū)充電以形成超 電荷的充電時間常數(shù)§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時4.電 效應(yīng) 時

B DC B

(5-超量

基區(qū)電荷QB

超量電荷自身復(fù)合的復(fù)

基極抽取iiQbbXbBsib BIBs§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時4.電 效應(yīng) 時變換（5-60）（5-初始條

tS

（5- B

B

DC (IB)SQXtt3 (I )§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時4.電 效應(yīng) 時當(dāng)t=ts1時，超 電荷完 QX=0，代入(5-得

IB1

IB

)

ln(DcIB1

IB2

II

B

至此，存貯過程結(jié)束，但I(xiàn)C尚未減小，即存貯時間的2將在下降過程中計算?！?.34.4.電 效應(yīng) 時 eb結(jié)IF形成間常數(shù)τScb結(jié)IRn形間常數(shù)τS

cb結(jié)IRp形成IBS對應(yīng)的QX=QBSF+QBSR+Q'CS- Q' sI或?qū)?I II I IsER(1R)s1R4.4.電 效應(yīng) 時時間常數(shù)的普遍形式§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時4.電 效應(yīng) 時縮 時間的途徑 金接受電子，受主能級起主要作在n型硅中的受主能級對空穴的俘獲能力約比其在P型硅中施主能級對電子的俘獲能力大一倍。因此，在Si-pn管中摻金既可以有效地縮短c而又不至于影響，從而不會影響電流放大系數(shù)。§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時5.下降過為上升過程的逆過QB、IC、Veb、5.下降過§5.3晶體管的開關(guān)過程5.下降過基極電流的驅(qū)動電流IB1注入空穴 對CTe、CTc 積累 使CTe、CTc放電 抽走于是

基區(qū)復(fù)合的用加快Qb的，加速(dQTedQTcdQb)BdIcII ( dIcII ( R RTT5.下降過dIcIc dIcIc IB (1 R(1 RTT

（5-利用t=t3=0時，Ic=Ics為初始條件，解t t (I (1C RCB B §5.35.下降過程和下降時存貯時間第二段tS

§5.3基區(qū)少子分集電極電

發(fā)射結(jié)電

零偏-反集電結(jié)電

正偏-------------------0V---------------- 反偏

§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時6.提高開

增加基區(qū)少增大

減小Wc或加大減小摻

增大§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時6.提高開綜合分析晶體管的開關(guān)過程，要想提高開關(guān)速度，也就是要求eb結(jié)、cb結(jié)勢壘電容充電快，基區(qū)電荷積累快——“開”快；飽和深度不要太深，超量存貯電荷少，并能盡快被抽走或復(fù)合——“關(guān)”快。但這些要求往往是互相的。如增大IB1，可使CTe、CTc充電快，Qb積累快，但這會增加飽和深度S，使tS增加；又如增大(-IB2)，可有效地降低tf但若通過減小Rb來實現(xiàn)，又會使IB1、tS增大；若增加(-VBB)，又會使td增加，所以四個時間不能同時縮短。其中以時間tS為最長，所以如何縮短tS便成了縮短開關(guān)時間的主要目標(biāo)§5.36.提高開關(guān)速度的措其中 時間tS為最§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時6.提高開(一)開關(guān)管的Si-npn管摻金：既不影響電流增益又可有效地減小集電區(qū)少子－空穴 ．一方面減少導(dǎo)通時的超量存貯Q’cs，同時加速關(guān)閉時的采用外延結(jié)構(gòu)并：①減小外延層厚度，②降低外延層電阻率，以減小集電區(qū)少于。前者從空間、后者從時間上限制Q’cs。這兩項措施也同時減小集電區(qū)串聯(lián)電阻rc，從而對減小飽和壓降Vcs有利。但它們都會影響集電結(jié)耐壓能力。所以在考慮采用時要注意兼顧。減小結(jié)面積，以減小CTe、CTc，這可有效地縮短td、tr、tf。但結(jié)減小基區(qū)寬度，減小Qb，可使tr、tf大大降低(濃度梯度變化快)§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時6.提高開(二)開關(guān)管應(yīng)用電路選擇原加大IB1:充電快，可縮短t、tr。同時由于IB1較大，增加了飽和深度S，對降低飽和壓降ces有利，但同時也由于增加了超量存貯電荷量而使t延長，一般控制S＝4來選擇適當(dāng)?shù)腎B。加大(-IB2)：反向抽取快，可縮短tS、tf，但要注意應(yīng)選在-VBBRb的允許范圍之非飽和運用：晶體管工作在臨界飽和區(qū)。其中沒有超量存貯電荷x，則t→0，但此時c、e之間的壓降ce較高(接近0.7)。是否可以非飽和運用要視電路條件而定。負(fù)載電阻的選擇；在cc與IB1一定時，選擇較小的L可使晶體管不致進(jìn)入太深的飽和態(tài)，有利于縮短tS。但RL減小會使ICS增大，從而延長了tr、tf，并增大了功耗。考慮管殼電容、引線電容等寄生電容的影響，RL盡量§5.4開關(guān)晶體管的正向壓降和飽和壓正向壓降、飽和壓降和開關(guān)時間一樣，都屬于開關(guān)晶體管的定義：當(dāng)晶體管驅(qū)動到飽和態(tài)時，基極—發(fā)射極間(輸入端)的電壓降稱為共發(fā)射極正向壓降，記為Vbes。此時輸出端(集電極—發(fā)射極之間)的電壓降稱為共發(fā)§5.4開關(guān)晶體管的正向壓降和飽和壓1.1.正向壓降即發(fā)射極與基極兩極之間的電壓降。它包括①eb結(jié)的結(jié)壓降②eb結(jié)到基極電極接觸之間的基區(qū)體電阻rb上的電壓降③eb結(jié)到發(fā)射極電極接觸之間的發(fā)射區(qū)體電阻res上的壓降Ieres

Ib

Ie一般情況下，發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，發(fā)射區(qū)厚度又不大，上式中第三項可以略去。但對于大功率管，發(fā)射區(qū)上串聯(lián)有鎮(zhèn)流電阻時就不可忽略。另外若由于光刻引線孔沒刻透或金屬電極合金化未