双极晶体管2a1频率特性及开关特性.ppt

第四章 双极晶体管（2）,*,*,这一章我们将讨论BJT在实际应用中所具有的主要特性。晶体管在电路中主要有信号放大和开关两大主要功能。,在实现信号放大的应用中，输入通常是交流小信号， BJT工作在正向有源区，作线性放大，输入、输出可近似为线性关系，信号频率很低时，工作过程和直流情况类似，但是随着工作频率的升高，其电流增益会迅速下降。（频率特性）,*,*,*,如果让晶体管在截止和导通之间迅速转换，即作开关元件使用，一般需要晶体管有极短的开关时间和更小的功耗。（开关特性）,在实际应用中，还有一些晶体管要工作于高电压、大电流的情况下（大功率管），相对小功率管，器件的直流和交流特性都会发生明显的变化，特别是其电流增益和特征频率会迅速下降。（功率特性）,频率特性、开关特性、功率特性。,1、交流小信号电流增益,back,2、双极晶体管的频率特性参数,3、双极晶体管的开关原理,4、双极晶体管的开关时间,5、双极晶体管的大电流特性,6、晶体管的耗散功率和安全工作区,应用举例：共射极共集电极共基极放大电路和组合放大电路,频率特性、开关特性的应用：1）脉冲放大器的加速电容电路 2）TTL,应用举例：晶体管在功率放大电路中的应用,1、交流小信号电流增益,用来实现信号放大的常见电路如下：,1.1 交流小信号电流的传输过程,1.2 BJT交流小信号模型,1.3 交流小信号的传输延迟时间,1.4 交流小信号电流增益,back,1.1 交流小信号电流的传输过程,*,*,*,*,*,*,*,*,先回顾一下直流电流的传输过程：,a、与发射结反向注入电流的复合；,直流电流的传输过程中的载流子的损失：1.2,b、在基区输运过程中在基区体内的复合。,对于交流小信号电流，其传输过程与直流情况又很大不同见下页,所以直流电流的传输过程也可以用下图简单描述:,*,*,*,*,*,我们将交流小信号电流的传输过程分为以下几个子过程：,IE,IB,IC,ICBO,*,*,*,*,以上是我们对交流小信号电流在晶体管内传输过程的定性分析，相比直流电流的传输，交流小信号电流在整个传输过程中要多考虑以下四个问题：,a. 发射结势垒电容充放电效应 b. 基区电荷存储效应 c. 集电结势垒区度越过程 d. 集电结势垒电容充放电效应,它们对晶体管特性的影响体现在以下两个方面：,a、管子增益下降，信号幅度降低；,b、输出信号产生相位滞后延迟。,*,下面我们具体的讨论这些问题,加一交变电压,例如在信号的正半周， 加交变信号且忽略电流直流分量时，其电流分布如上图,1.发射过程,IE,IC,p112,显然，信号频率越高，结电容分流电流越大，交流发射效率越低。 此外，由于电容充放电需要时间，从而使电流传输过程产生延迟。 下页基区输运过程,由上可见，发射极加一交变电压产生的发射极电流中的一部分电子通过对CTE冲放电转换成基极电流的一部分，造成交流电子电流向集电极传输时比直流时多一部分损失。 所以此时发射机交流小信号电流由三部分组成： 定义交流发射效率为： p151,IE,IC,IB,此时基区 的电流分布,2.基区输运过程,P151,下页集电结渡越过程,电流通过空间电荷区时会对空间电荷区的分布产生影响；当交变电流通过Xmc时，其分布便随时间而不断变化。,3.集电极势垒区渡越,交流电流通过Xmc时，不仅幅度衰减，而且产生相位延迟，原因是：,back,此时集电区的电流分布,4.集电区传输,到达集电区边界处的电子电流并不能全部到达集电极形成集电极电流ic，因为交变电流通过集电区时会在其体电阻上产生交变电压降,1.2 BJT交流小信号模型,从外部看，不管什么电路组态，晶体管的变量都有四个：输入电流、电压，输出电流、电压，但是独立变量只有两个。选取不同的自变量和因变量，就可以得到不同的参数方程：,输入电压和输出电压为自变量，得到Y参数方程,输入电流和输出电压为自变量，得到h参数方程,输入电流和输出电流为自变量，得到Z参数方程,小信号时，可以用微变等效电路将晶体管等效为电阻、电容、恒压源、恒流源等构成的线性网络，如Z参数等效电路、y参数等效电路、h参数等效电路。,当前使用较多的混合 模型是在低频y参数等效电路的基础上，将发射结、集电结的势垒电容、扩散电容以及基极电阻加入到电路相应的位置构成的BJT小信号高频等效电路。,y参数小信号电流电压方程及四个y参数如下：,四个电导参数求解：可以通过求解BJT的交流连续性方程得出交流电流电压方程得到，但是过程繁杂，我们可以先利用直流伏安特性方程求出低频y参数，再求相应的高频参数。（黑板）,*,在以上低频y参数等效电路的基础上，将发射结、集电结的势垒电容、扩散电容以及基极电阻加入到电路相应的位置构成的BJT小信号高频等效电路。如下,back,1.3 交流小信号的传输延迟时间,back,2） 基区输运系数及基区渡越时间,1） 发射效率及发射结延迟时间,3） 集电极势垒区输运系数及延迟时间,4） 集电区衰减因子及集电极延迟时间,back,1） 发射效率及发射结延迟时间,*153,共基极组态下，发射结势垒电容的充放电过程可看成通过和发射结动态电阻构成的并联回路进行的，所以其等效电路如下图：,*,back,2） 基区输运系数及基区渡越时间,共基极组态下，发射结扩散电容的充放电过程也可看成通过和发射结动态电阻构成的并联回路进行的，所以其等效电路如下图：p118,*,back,3） 集电极势垒区输运系数及延迟时间,back,4） 集电区衰减因子及集电极延迟时间,集电极延迟时间,*162,集电区的电子电流包括对集电结势垒电容的充放电电流和输出电流，所以集电极输出电流只是集电结输运电流的一部分。 由下面的共基极输出端等效电路可知，在输出交流短路的情况下，集电区体电阻和势垒电容相当于并联。p120,1.4 交流小信号电流增益,比较,比较,2）共发射极电流增益：在共发射极运用中,集电极交流 短路时(VCE常数)集电极输出交流小信号电流与基极输入交 流小信号电流之比。是个复数,1） 共基极电流增益：在共基极运用中,集电极交流短路 时(VBC常数)集电极输出交流小信号电流与发射极的交流小 信号电流之比。在小信号时，也可以表示成直流量的微分 增量之比。是个复数,*,*,共基极直流电流增益？,共基极直流电流增益？,定义：,注意：此外，增益常常用分贝表示。,*,*,低频时，增益与频率无关，但达到一定临界频率时增 益幅值会下降，同时输出、输入电流间会出现相位差。,*,back,2) 共射极交流电流增益,1）共基极交流电流增益,*,求解交流电流增益的表达式,back,1） 共基极电流增益,2) 共射极电流增益,在此，我们要求解增益 和频率的关系式，从定义出发,令,区别,和,？,可见，我们首先还有求解 和频率的关系式，方法如下,back,2、双极晶体管的频率特性参数,*,1）截止频率：当电流增益下降到其低频值的 倍时的频 率为晶体管的截止频率。有共基极截止频率和共射极截止 频率两个参数。 共基极截止频率 共射极截止频率,2）特征频率：共发射极电流增益下降为1时的频率。,从上面的分析可见，要改善晶体管的频率特性，提高 其截止频率和特征频率，可以采取以下措施：,a、fT不是很高时,往往 是决定 的主要因素。 而 ，所以： 1、减小WB； 2、提高基区电场因子 以增大常数 ； 3、要考虑DnB随杂质浓度的变化。一般N DnB ，所以 一般控制在36之间。 b、fT很高时，WB已较小，必须考虑 对 的影响。具体方法如下页,1.,2.,3.,可以降低 来减小 ，但是这 会降低其击穿电压，要折衷考虑。,一是降低 来减小 ，但 是这同样会降低其击穿电压，也要折衷考虑。 二是缩小结面积以降低 。,3）功率增益和最高振荡频率,晶体管工作在高频电路中时，如应用于放大、振荡、倍频等，要求具有良好的功率放大性能，在一定的频率下其功率增益越大越好。 但是实验表明，功率增益也会随信号频率的升高而下降。 共射极高频最佳功率增益 定义：功率增益 最佳功率增益,晶体管功率放大电路,提高晶体管功率增益的途径 a、提高管子的特征频率。 b、降低基极电阻，即适当提高基区掺杂浓度。 c、减小晶体管输出电容Cc。为此应减小延伸电极面积和集电结面积，适当降低集电区掺杂和提高氧化层厚度。 d、尽可能减小发射极引线电感和其它寄生参数，选择合适的管壳。,back,back,3、双极晶体管的开关原理,3.1 PN结的开关特性,3.2 晶体管的开关作用,3.3 正向压降和饱和压降,3.4 晶体管的开关过程,back,3.1 PN结的开关特性,由于PN结具有单向导电性，所以可以当作开关使用。 理想开关应该具有以下特性： 1）直流特性方面（稳态特性），开态时压降为零，关态时电流为零。 2）瞬态特性方面，开关时间为零。,1）PN结的直流开关特性,2）PN结的瞬态开关特性,3）反向恢复过程,4）减小反向恢复时间的方法,back,1）PN结的直流开关特性,正确理解正向导通，反向截止的特性。 会画特性曲线及少子分布曲线。,开关二极管常用于脉冲电路中。如图：（只看电压由正偏变为反偏时） 可见，当电压反向后，电流并不是立刻截止，而是在一段时间内反向电流维持为一定值，过了这段时间之后，反向电流才开始逐渐变小直至二极管截止。 后面我们将分析产生反向恢复过程的原因,tf 下降时间，下降过程,tS 存储时间，存储过程,tr 反向恢复时间，反向恢复过程,2）PN结的瞬态开关特性,实际上，当电压反向（如图）时，电流从I1到I2也不是突然的，需要一个时间转换； 同样，当电压由负变正时，电流也不是从截止电流突然上升到I1 ，而是需要一个上升时间。 但是，相比之下，这两个过程所需的时间都很小，反向恢复时间是影响开关速度的主要因素。 反向恢复过程的存在使二极管不能在快速连续的脉冲下当做开关使用，因为如果反向脉冲的持续时间比反向恢复时间短，则二极管在正、反向下都处于导通态，起不到开关作用。,back,现在以P+N结为例来说明引起反向恢复过程的原因。这里假设N区厚度很大。我们从正偏开始讨论。 对P+N结，正向电流主要是P区注入到N区的空穴电流，分布如图。1线所示：,3）反向恢复过程,电压反向变负时，这些存储电荷为反向电流提供了电荷来源。 存储过程如下： 电压反向，存储电荷不断被反向抽走，形成反向电流；与此同时，存储电荷也在抽取和自身复合的作用下不断减少。第4根线是个转折点。 在存储时间内，各物理量的变化为：,N区内储存的非平衡载流子，从物理意义上讲，就是存储在PN结扩散电容上的电荷。, 下降过程： 实际上，在下降的过程中，由于结电压的变化较大，其势垒电容也会放电，并引起相应的电流，但是为了计算的方便，我们一般只考虑扩散电容,back,1）从电路的角度讲，应使用尽可能小的正向电流，尽可能大的反向抽取电流。但是实际上，这两个电流常常受电路其它条件的限制。 2）从器件的角度讲，应降低少子寿命，例如掺金，特别是低掺杂一侧。少子寿命小，一方面正向时存储电荷减少，另一方面反向时少子复合加快。 3）减薄轻掺杂区厚度，即采用“薄基区二极管”，以减少存储电荷，同时在其它条件相同时，薄基区二极管的反向抽取电流要比厚基区大得多。,back,4）减小反向恢复时间的方法,*,3.2 晶体管的开关作用,在晶体管开关电路中，共基极、共射极、共集电极都可采用，但是最常见的是共射极联接，如图：(让B接地） 下面我具体的讨论一下,b. IB足够大时，使 ，管子将工作在饱和区,1）控制信号没有到来时，发射结、集电结，VCE=?,2）当基极回路有幅度为VI(VBB)的正脉冲到来时,a. IB较小时，IC=IB，晶体管工作在放大态（导通）,*,*,50欧姆,6V,关键词：集电极饱和电流，饱和深度，临界饱和基极电流,从刚才的分析可见，管子的开关作用实际上是通过基极的控制信号使管子在饱和态（或放大态）和截止态之间往复转换实现的。 为了后面讨论开关时间的需要，我们下面看看管子处于临界饱和与饱和态时的电荷分布情况。,饱和型开关,非饱和型开关,开关时间短，但抗干扰能力差,为了分析问题的方便，我们从放大态开始讨论： 放大态（画少子分布）时 IB=IPE+IVB ， IC按IB变化； IB=IBS时，管子进入临界饱和；此时，基极电流仍然满足IB=IPE+IVB。但是集电结由反偏变为零偏。 IBIBS时，管子进入饱和区，此时 IC=ICS ， IBIPE+IVB,基极提供的多余的空穴在基区积累起来，并不断填充集电结势垒区，使Xmc , BC结变为正偏。 集电结变为正偏后，空穴又从基区注入到集电区，在集电区起来积累。 电中性要求空穴积累的同时，基区和集电区电子也等量的增加超量存储电荷,下面看看饱和时管子各区少子浓度分布图：,放大态,饱和态,临界饱和,IBICS,返回饱和区电荷分布,超量存储电荷的复合电流,back,注意： 饱和状态下，基极和集电极电流都由外电路决定,back,3.3 正向压降和饱和压降,1、正向压降反映了开关管的控制灵敏度,2、饱和压降此值越小，越接近理想开关,定义：BJT在共射组态中处于饱和态时，基极与发射极之间的压降。 VBES,定义：BJT在共射组态中处于饱和态时，集电极与发射极之间的压降。 VCES,*,*,VBES,VCES,3.4 晶体管的开关过程,描述整个开关过程输入、输出电流电压关系 定义四个开关过程 下面分别分析四个过程,3.4.1 延迟过程,晶体管由关态向开态转化时，输出端并不能立即对输入的正脉冲作出响应，而是有一个延迟过程。如图 延迟是怎么产生的呢？ 看下面的分析,*,*,*,*,t0时刻，基极输入正脉冲Vi,形成基极电流 但是基极电流不会立即引起集电极电流的增加。,正脉冲信号到来之前，管子截止，发射结、集电结反偏，反偏电压分别为？,当发射结的正偏电压接近起始导通电压时，发射区才开始有明显的电子注入到基区，从而出现集电极电流IC,与此同时，也有部分空穴去对集电结势垒电容充电，使 xmc变窄，即，VEB变化时VCB也在改变。,通常将IC=0.1ICS时所对应的VEB称为正向起始导通电压VJ0，此时，VCB=-(VCC-VJ0)，且基区电子有与0.1ICS相同的电子积累。,思考一下，延迟过程中基极电流提供的空穴有哪些用途？,下页上升过程,3.4.2 上升过程,上升过程的定义,上升过程中器件发生的变化,上升过程中基极电流的作用,3.4.3 储存过程,存储过程是由超量存储电荷引起的。 我们先回顾以下超量储存电荷的形成过程：下页,如果IB1足够大，上升过程结束后，IC ICS，同时，集电结由反偏变为零偏；基区少子浓度画图说明 如果IB1ICS/0，IBX 管内电荷进一步积累 VCB0 形成超量存储电荷(标志管子进入饱和),发射区,基区,集电区,*,*,思考：超量存储电荷在基区的分布？ 注意两点 1）电中性要求，空穴积累，电子等量的增加； 2）饱和时ICICS不变，即基区电子浓 度梯度不变。,在t3时刻，基极变为负脉冲，基极出现反向电流IB2 如图，IB2将抽走储存电荷。 但是在 被抽光之前， ICS保持不变， 所以电荷分布按1 5顺序减少。,随着存储电荷 ，集电结由正偏 零偏 反偏 管子也由饱和 临界饱和 放大区。 当nB(WB)=0以后，基区少子浓度梯度 ，IC随之减小。,下页下降过程,存储过程中，基极电流的作用是什么？,3.4.4 下降过程,下降过程的定义? 下降过程中器件发生的变化？ 下降过程中IB2的作用?,back,back,4、双极晶体管的开关时间,4.1 开关时间的定义,4.2 电荷控制模型,4.3 开关时间的计算,4.4 提高开关速度的措施,4.5 开关管的应用举例,4.1 开关时间的定义,t2-t1上升时间tr,以VB和IC的变化来确定,t1-t0延迟时间td,t4-t3存储时间ts,开启时间,t5-t4下降时间tf,关闭时间,开关时间,ton= td+tr,toff=ts+tf,t=ton+toff,back,4.2 电荷控制模型,开关管工作时在饱和区和截止区间跳变，此时管子表现出高度的非线性，不能再用线性微分方程来分析，否则分析过程将变得非常复杂。 但是我们可以将晶体管看成是一个电荷控制器件，以各中性区非平衡载流子为变量，找到某区电荷同相应电流之间的关系式，即电荷控制方程。 然后利用电荷控制方程求解各个开关时间。 电荷控制法的基础仍然是少数载流子连续性方程。,求解基区少子的电荷控制方程： 已知NPN基区电子连续性方程为 在整个基区积分可得 将体积分变成面积分 是注入基区的净的电子电流 而按照电中性要求，流入基区的净电子电流应该等于注入基区的净的空穴电流，即等于瞬态基极电流 ib ，即,所以我们可以得到 即 这就是电荷控制法的基本方程。 此方程表明瞬态基极电流主要有两个作用： 1）增加基区电荷积累； 2）补充基区非平衡少子复合所需空穴。 实际上基极瞬态电流还有对势垒电容充放电。,考虑了基极瞬态电流还有对势垒电容充放电时，便有以下表达式,在稳态时，电荷与时间无关，则 此式表明，稳态下基极电流等于基区少子的复合电流，这表明基区电荷总量与时间有关，为此可定义一个基极时间常数，将稳态下储存在基区的少子电荷与相应的基极电流联系起来，即 同理有 这里 都是电荷控制参数。,集电极时间常数 发射极时间常数,back,基 极时间常数 即是基区少子寿命 发射极时间常数 是基区渡越时间 集电极时间常数 在应用电荷控制方程计算开关时间时，可采用准静态近似的方法，即把任一瞬间的结压降或电流近似假定为相应时刻的稳定值，直流稳态下电流和电荷之间的关系在瞬态时仍成立，相应的时间常数可以直接用。 就是认为，任一时刻各中性区载流子分布的变化都与结压降的变化同步。这在脉冲响应时间比载流子再分布所需的时间更长的时候是成立的。 下面我们按照这个思路去求解各个开关过程所需的时间。,4.3 开关时间的计算,1） 延迟时间td=td1+td2 td1 基极输入正脉冲 管子刚刚要开始导通 td2 IC由0 0.1ICS 求td1,*,所以减小td1的主要措施应该有？ 求td2:在求上升时间时一起求,2） 上升时间 由上升过程中基极电流的作用可以得到上升过程中的电荷控制方程为 变形可得 因为上升过程是以IC变化为起止标记的，所以需将上式变成以IC为变量的关系式 dVEB=rEdIE,近似等于rEdIC,所以第一项可写为：, , CB结上压降的变化是由于IC在负载RL上的压降变化引起的，二者大小相等，方向相dVCB=RLdIC 所以： 而 所以,见频率特性中基区输运过程的延迟时间, 发射效率为1时，有 所以上升过程中电荷控制方程变为 再利用近似关系 可得 解上述方程,*,*,利用t=0时IC=0,可解得 而利用t=0时IC=0,t=t1时IC=0.1ICS，t=t2时IC=0.9ICS可求出t1、t2 显然，td1=t1，tr=t2-t1 所以,同样，通过上面的分析，我们也可以得到缩短上升时间的方法： a、减小结电容 减小结面积 b、提高特征频率 主要通过减小WB c、提高充电速度,增大基区少子寿命,增大IB1,减小基区复合电流,增大0,3）存储时间tS=tS1+tS2 tS1 存储电荷消失的时间 tS2 集电极电流由ICS下降到0.9ICS 先求tS1，仍然利用电荷控制方程 注意：a、超量存储电荷消失过程中，VBEVBC变化很小 b、基区电荷QB不变，则dQB/dt=0 故电荷控制方程 其中 又因为 且 所以上式可变为 上式表明QX消失的途径有：一是抽取，一是复合。,解以上方程得 t=tS1时，QX=0,所以 再求存储时间常数 同样利用电荷控制理论 饱和时，E区、C区均向B区注入电子，均对基区电荷积累有贡献。 根据电荷控制理论，就有,所以储存时间为： 显然，要想迅速得关闭晶体管，就必须缩短ts 从以上分析可见，要缩短ts，就要： a、饱和不要太深，以减少超量存储电荷QX； b、减小外延层厚度及LPC,以减小； c、增加IB2； d、减小集电区少子寿命 。例如掺金。,4）下降时间tS=tS1+tS2 下降过程的定义 下降时间的求解 仍然利用电荷控制方程 由此可得 将上升时间中QTEQTCQB的表达式代入上式，得 用t=t3=0时刻IC=ICS作初始条件，解得,再利用t=t4时刻IC=0.9ICS ，t=t5时刻IC=0.1ICS ，可得 根据下降时间的定义，tf=t5-t4，ts2=t4-t3,所以有,根据下降过程的分析可见，缩短tf的主要措施如下: 1）减小CTE、CTC、WB，即少此过程中需要抽走的电荷； 2）增大抽取电流,back,back,4.4 提高开关速度的措施,延迟时间td,b、电路中选择适当的元件参数。具体如下,上升时间tr,存储时间ts,下降时间tf,开关时间t=ton+ toff= ts+ tftd+tr,注意：,a、各个时间相互