第五章晶体管的开关特性.ppt

* 半导体器件物理 第五章 晶体管的开关特性 半导体器件物理 第 5 章 晶体管的开关特性 5.1 二极管的开关作用和 反向恢复时间 5.2 开关晶体管的静态特性 5.3 晶体管开关的动态特性 ● —— 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 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。） 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。 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，回路处于断开状态（关态）。 在开态时，流过负载的稳态电流为I1 V1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。 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 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。 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。 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，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）。 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。 5.2 开关晶体管的静态特性