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(shí)§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)§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(shí)間的措1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)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(gè)狀態(tài)和1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)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(shí)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(gè)狀態(tài)和開關(guān)反向恢1p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開關(guān)反向恢復(fù)時(shí)薄基區(qū)二極管中 電縮短反向恢2.電 效下降時(shí)間tf時(shí)間ts關(guān)斷時(shí)間tr=ts+tf，反向恢復(fù)時(shí)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(gè)狀態(tài)和開關(guān)1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)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(diǎn)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(shí)間

正向時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)

dQ

0Q

IfdQdQIfpdQIrp反向時(shí)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(jì)算利用邊界少子濃度等于零為標(biāo)志，實(shí)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(shí)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。可以近似認(rèn)為Ir不變，而用（5-12）計(jì)算，即認(rèn)為整個(gè)反向過程為Ir抽取Ifp的時(shí)間，所得結(jié)果較實(shí)際的f短。將ttr時(shí)

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(shí)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(shí)，p區(qū)電子線性2.1.p-n2.1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)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(shí)間電 效電 效反向恢復(fù)時(shí)薄基區(qū)二極管中 電5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的兩個(gè)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(gè)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(yùn)用對(duì)晶體管的基本要§5.21.晶體管的三個(gè)狀態(tài)及開關(guān)作直流直流負(fù)載VccRLI試分析Vce=0時(shí)§5.2晶體管的開關(guān)作1.晶體管的三個(gè)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(shí)際的基極電流（驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(duì)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(yùn)用對(duì)晶體管的飽和壓降小，消耗正向壓降小，啟動(dòng)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(shí)間上升時(shí)間時(shí)間下降時(shí)間

關(guān)閉時(shí)間

開關(guān)時(shí)§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)1.電荷效應(yīng)和時(shí)6.§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)1.電荷控前幾章分析晶體管特性時(shí)是將晶體管看做“電流控制器件”。對(duì)于穩(wěn)態(tài)及小信號(hào)運(yùn)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(yùn)用時(shí)，晶體管的輸入信號(hào)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(shí)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(shí)，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。§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)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(shí)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(gè)階段的時(shí)間。對(duì)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(shí)iQiQbbn

（5-基區(qū)中電荷隨時(shí)間的變化率等于單位時(shí)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(shí)間的變化率等于單位時(shí)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(shí)，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(shí)1.電荷控定義基極時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，輸出端不能立即對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)2.延遲過實(shí)際的延實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，Ic (1IB1Dc1 R)T dtt2時(shí)，Ic IB1Dc2( R)T r2 1( R) T §5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)4.電荷效應(yīng)和時(shí)間電荷效應(yīng)：上升過程結(jié)束時(shí)，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(shí)際基極電流大于此值，存在過驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(duì)輸入負(fù)脈沖作出響應(yīng)?！?.34.4.電 效應(yīng) 時(shí)§5.34.4.電 效應(yīng) 時(shí)sXI§5.3晶sXI4.電 效應(yīng) 時(shí) 其中，QX為晶體管中總的超 電荷。s則是過驅(qū)動(dòng)電流I對(duì)基區(qū)、集電區(qū)充電以形成超 電荷的充電時(shí)間常數(shù)§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)4.電 效應(yīng) 時(shí)

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(shí)4.電 效應(yīng) 時(shí)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(shí)4.電 效應(yīng) 時(shí)當(dāng)t=ts1時(shí)，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(shí)間的2將在下降過程中計(jì)算?！?.34.4.電 效應(yīng) 時(shí) 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(duì)應(yīng)的QX=QBSF+QBSR+Q'CS- Q' sI或?qū)?I II I IsER(1R)s1R4.4.電 效應(yīng) 時(shí)時(shí)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(shí)4.電 效應(yīng) 時(shí)縮 時(shí)間的途徑 金接受電子，受主能級(jí)起主要作在n型硅中的受主能級(jí)對(duì)空穴的俘獲能力約比其在P型硅中施主能級(jí)對(duì)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(huì)影響電流放大系數(shù)?！?.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)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(dòng)電流IB1注入空穴 對(duì)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(shí)，Ic=Ics為初始條件，解t t (I (1C RCB B §5.35.下降過程和下降時(shí)存貯時(shí)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(shí)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(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)，又會(huì)使IB1、tS增大；若增加(-VBB)，又會(huì)使td增加，所以四個(gè)時(shí)間不能同時(shí)縮短。其中以時(shí)間tS為最長，所以如何縮短tS便成了縮短開關(guān)時(shí)間的主要目標(biāo)§5.36.提高開關(guān)速度的措其中 時(shí)間tS為最§5.3晶體管的開關(guān)過程和開關(guān)時(shí)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(shí)的超量存貯Q’cs，同時(shí)加速關(guān)閉時(shí)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(shí)間上限制Q’cs。這兩項(xiàng)措施也同時(shí)減小集電區(qū)串聯(lián)電阻rc，從而對(duì)減小飽和壓降Vcs有利。但它們都會(huì)影響集電結(jié)耐壓能力。所以在考慮采用時(shí)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(shí)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(shí)由于IB1較大，增加了飽和深度S，對(duì)降低飽和壓降ces有利，但同時(shí)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(yùn)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(shí)c、e之間的壓降ce較高(接近0.7)。是否可以非飽和運(yùn)用要視電路條件而定。負(fù)載電阻的選擇；在cc與IB1一定時(shí)，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(huì)使ICS增大，從而延長了tr、tf，并增大了功耗?？紤]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(shí)間一樣，都屬于開關(guān)晶體管的定義：當(dāng)晶體管驅(qū)動(dòng)到飽和態(tài)時(shí)，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(shí)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(xiàng)可以略去。但對(duì)于大功率管，發(fā)射區(qū)上串聯(lián)有鎮(zhèn)流電阻時(shí)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