微电子器件第五章开关特性剖析.ppt

§5.2 晶体管的开关过程和开关时间 1. 电荷控制理论 前几章分析晶体管特性时是将晶体管看做“电流控制器件”。对于稳态及小信号运用情况比较容易用线性微分方程来描述晶体管的特性。 在作为开关运用时，晶体管的输入信号幅度变化很大，且不是工作在线性区，而是在截止区与饱和区之间跳变。这时的晶体管表现出高度的非线性。若再采用前面的分析方法会使问题变得很复杂。 另一方面，研究晶体管的开关特性时，着重讨论的是晶体管在由开到关及由关到开的过程中结偏压及内部电荷的变化趋势及结果，至于变化过程的每一瞬间电荷(载流子)的具体分布情况并不需要知道，因而可以用“电荷控制理论”来讨论晶体管的开关特性。 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 1. 电荷控制理论 电荷控制理论的基本思想是从少数载流子的连续性方程导出电荷控制分析的基本微分方程，将电流（密度）、电荷和时间联系起来，通过开关过程中结偏压及内部电荷的变化趋势(规律)及结果得出各个阶段的时间。 对于npn晶体管，基区电子连续性方程为 （5-3） （5-4） §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 根据高斯定理 （5-5） （5-6） （5-7） （5-8） 1. 电荷控制理论 进入基区净的电子电流Δin 净流入基区电子对应的电流(-Δin) 电中性要求： 流入基区电子等 于流入基区空穴 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 基区中电荷随时间的变化率等于单位时间基极电流所提供的电荷减去在基区内部的复合损失 稳态时 ，有 （稳态值，角标大写） 稳态时，基极电流等于基区内的少子复合电流 1. 电荷控制理论 （5-8） §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 定义基极时间常数 将稳态下基区贮存的少子电荷与相应的基极电流联系起来。 集电极时间常数 发射极时间常数 称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关 1. 电荷控制理论 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 （5-16） 物理意义： 基极电流所提供的电荷用于 补充基区积累电荷的复合损失和 基区电荷的积累，用于 发射结和 集电结势垒电容充电， 补充超量贮存电荷的积累及其 复合损失。 1. 电荷控制理论 此即电荷控制分析中描写瞬态基极电流与瞬态基区电荷关系的基本方程。由于此方程是由稳态方程外推所得的。因而是一个近似方程，此近似方程也只有在一定的条件下才可以使用（频率限制）。 计及结电容等非本征参数，完整的电荷控制方程为 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 2. 延迟过程和延迟时间 延迟过程：当晶体管从关态向开态转化时，输出端不能立即对输入脉冲作出响应，而产生延迟过程。定义延迟过程为从正向脉冲输入到集电极开始有输出电流的过程。 eb结反偏 零偏 正偏（小） cb结反偏 反偏（小） §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 图5-5 截止状态晶体管的(a)结电压(b)电流传输(c)基区少子分布 图5-7 延迟过程结束时的(a)结电压和(b)基区少子分子 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 在延迟过程中，基极电流IB1提供的空穴有下列用途： ①给eb结充电； ②给cb结充电； ③在基区建立与0.1Ics相对应的空穴积累以及 ④补充维持这一电荷积累的复合损失。 延迟过程就是基极注入电流IB1向发射结势垒电容充电、集电结势垒电容充电、并在基区内建立起某一稳定的电荷积累的过程。 2. 延迟过程和延迟时间 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 延迟时间的计算将根据延迟过程中结电压和电流的变化分两个阶段，分别列出电荷控制方程和求解。 第一阶段： 基极输入正脉冲→晶体管开始导通Ic≈0 第二阶段： Ic由0→0.1Ics 实际的延迟过程 属于上升过程 2. 延迟过程和延迟时间 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 2. 延迟过程和延迟时间 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 3. 上升过程和上升时间 上升过程：延迟过程结束，基区开始积累电荷，并积累相应于Ic从0(0.1Ics)到Ics(0.9Ics)的电荷（梯度）的过程。 eb结反偏 零偏 正偏（小） cb结反偏 反偏（小） 正偏 正偏（小） 延迟 上升 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 ① 继续向发射结势垒电容充电； ② 继续向集电结势垒电容充电； ③ 增加基区电荷积累； ④ 补充基区电荷在积累过程的损失 3. 上升过程和上升时间 图5-8 上升过程中基区少子分布 §5.2 晶体管的开关过程和开关时间 基区少子分布 集电极电流 0-----------------------0-----0.1Ics---------------0.9Ics---