半导体器件物理教学PPT晶体管的开关特性

1、 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 l开关晶体管开关原理开关晶体管开关原理 （静态特性）（静态特性） l晶体管到开关过程晶体管到开关过程 （延迟过程、上升过程、（延迟过程、上升过程、 超量储存电荷消失过程、超量储存电荷消失过程、 下降过程）下降过程） l l 晶体管的开关时间及减小的方法晶体管的开关时间及减小的方

2、法 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 晶体管（晶体管（transistor，是转换电阻，是转换电阻transfer resistor的缩写）是一个多重结的半导体器件。通常的缩写）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、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。电流或是信号功率增益。双极型晶体管双极型晶体管（bipolar transistor），或称），或称双极结型晶体管双极结型晶体管（bipolar j

3、unction transistor，bjt），是最重要的半导体器件），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与导电过程的半导体器件，与只由一种载流子参与 传导的传导的场效应晶体管场效应晶体管不同。（场效应晶体管将在第不同。（场效应晶体管将在第 七、八两章中进行讨论。）七、八两章中进行讨论。） 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业

4、技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 在在放大电路放大电路中，晶体管是一个优良的放大元件，工作中，晶体管是一个优良的放大元件，工作 在放大区域。在在放大区域。在开关电路开关电路中，晶体管作为优良的开关元件中，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。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

5、端电流电压间的开态和关态时端电流电压间的静态特性静态特性，另一部分是在开，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态和关态之间转换时，电流电压随时间变化的瞬态特性瞬态特性。 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，因此止区，可以通过加在其输入端的外界信号来实现，因此转转 换速度极快换速度极快，可达每秒几十万次到几百万次，甚至更高。，可达每秒几十万次到几百万次，甚至更高。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子

6、信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 5.1 二极管的开关作用和反向恢复时间二极管的开关作用和反向恢复时间 利用二极管利用二极管正、反向电流相差悬殊正、反向电流相差悬殊这一特这一特 性，可以把二极管作开关使用。当开关性，可以把二极管作开关使用。当开关k打向打向 a时，二极管处于正向，电流很大，相当于接时，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）；若把处于接通状态（开态）；若把k打向打向b，二极，二极 管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的 开关断

7、开，回路处于断开状态（关态）。开关断开，回路处于断开状态（关态）。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 在开态时，流过负载的稳态电流为在开态时，流过负载的稳态电流为i1 l j r vv i 1 1 v1为外加电源电压，为外加电源电压，vj为二极管为二极管 的正向压降，对硅管的正向压降，对硅管vj约为约为0.7v，

8、 锗管锗管vj约为约为0.25v，rl为负载电阻。为负载电阻。 通常通常vj远小于远小于v1，所以上式可近似，所以上式可近似 写为写为 l r v i 1 1 在关态时，流过负在关态时，流过负 载的电流就是二极管载的电流就是二极管 的反向电流的反向电流ir。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 把二极管作为开关使用时，若回路处把二极管作为开关使用时，若回路处 于开态，在于开态，在“开关开关”（即二极管）上有微（即二极管）上有微 小压降；当回路处于关态时，在回路中有小压降；

9、当回路处于关态时，在回路中有 微小电流，这微小电流，这与一般的机械开关有所不同与一般的机械开关有所不同。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 二极管的反向恢复时间二极管的反向恢复时间 假设外加脉冲的波形如图假设外加脉冲的波形如图5-6(a)所示，则流过二极所示，则流过二极 管的电流就如图管的电流就如图5-6(b)所示。所示。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导

10、体器件物理 导通过程导通过程中（外电路加以正脉冲），二极管中（外电路加以正脉冲），二极管 p区向区向n区输运大量空穴，区输运大量空穴，n区向区向p区输运大量电区输运大量电 子。子。 随着时间的延长，随着时间的延长，n区内空穴和区内空穴和p区内电子区内电子 不断增加，直到稳态时停止。在稳态时，流入不断增加，直到稳态时停止。在稳态时，流入n 区的空穴正好与区的空穴正好与n区内复合掉的空穴数目相等，区内复合掉的空穴数目相等， 流入流入p区的电子也正好与区的电子也正好与p区内复合掉的电子数区内复合掉的电子数 目相等，达到动态平衡，流过目相等，达到动态平衡，流过p-n结的电流为一结的电流为一 常数常数i

11、1。 随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增 加，加，p-n结上的电压逐步上升，在稳态即为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。此时，二极管就工作在导通状态。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 当某一时刻在外电路上加的当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲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

12、，流过拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过p-n结的反向结的反向 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到正常情况下的反向漏电流值ir。正向导通时少数载流正向导通时少数载流 子积累的现象称为电荷储存效应。子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过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 段时间就称为段时间就称为储存时间储存时间ts。

13、在。在ts之后，之后，p-n结上的电流到结上的电流到 达反向饱和电流达反向饱和电流ir，p-n结达到平衡。定义流过结达到平衡。定义流过p-n结结 的反向电流由的反向电流由i2下降到下降到0.1 i2时所需的时间为时所需的时间为下降时间下降时间tf。 储存时间和下降时间之和（储存时间和下降时间之和（ts+tf）称为）称为p-n结的结的关断时关断时 间间（反向恢复时间反向恢复时间）。）。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 反向恢复时间限制了二极管的开关速度。反向恢复时间限制

14、了二极管的开关速度。 如果如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得 多多，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的 开关作用；开关作用； 如果如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差 不多甚至更短的话不多甚至更短的话，这时由于反向恢复过程的影响，这时由于反向恢复过程的影响， 负脉冲不能使二极管关断。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，这能太短，也就意味着脉冲的重复频率不

15、能太高，这 就限制了开关的速度。就限制了开关的速度。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 5.2 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性 晶体管共射开关电路原理图晶体管共射开关电路原理图 vbb 偏置电压偏置电压 rl 负载电阻负载电阻 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 当基极回路中输入一幅值当基极回路中输入一幅值vi远大于远大于vbb的正脉冲信

16、号时，的正脉冲信号时， 基极电流立即上升到基极电流立即上升到 b bebbi b r vvv i 在驱动电流在驱动电流ib的作用下，发射结电压降逐渐由反偏变为正的作用下，发射结电压降逐渐由反偏变为正 偏，晶体管由截止变为导通，集电极电流也将随着发射结正向偏，晶体管由截止变为导通，集电极电流也将随着发射结正向 压降的上升而增大。压降的上升而增大。 当集电极电流增加到负载电阻上的压降当集电极电流增加到负载电阻上的压降icrl达到或者超过达到或者超过 vcc-vbe时，集电结将变为零偏，甚至正偏，发射结上的压降时，集电结将变为零偏，甚至正偏，发射结上的压降 很小，很小，c和和e之间近似短路，相当于图

17、中之间近似短路，相当于图中ce间的开关间的开关k闭合。闭合。 因此，因此，当晶体管导通后，在集电极回路中，晶体管相当于当晶体管导通后，在集电极回路中，晶体管相当于 一个闭合开关。一个闭合开关。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 当基极回路的输入脉冲为负或等于零时，晶体管当基极回路的输入脉冲为负或等于零时，晶体管 的发射结和集电结都处于反向偏置状态。这时晶体管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。这时晶体管 工作在截止区，集电极电流工作在截止区，集电极电流ic=iceo，对

18、于性能良好的，对于性能良好的 晶体管，晶体管，iceo一般很小，负载电阻上压降很小，集电极一般很小，负载电阻上压降很小，集电极 和发射极之间的压降和发射极之间的压降vcevcc。 因此，因此，当晶体管处于截止状态时，晶体管相当于当晶体管处于截止状态时，晶体管相当于 一断开的开关。一断开的开关。 将晶体管导通后，工作在饱和区的开关电路，称为将晶体管导通后，工作在饱和区的开关电路，称为 饱和开关饱和开关。饱和开关接近于理想开关。饱和开关接近于理想开关。 而把晶体管工作在放大区的开关电路，称为而把晶体管工作在放大区的开关电路，称为非饱和非饱和 开关开关。这种工作模式，一般用在高速开关电路中。这种工作

19、模式，一般用在高速开关电路中。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 晶体管的开关作用，是通过晶体管的开关作用，是通过基极控制信号基极控制信号（ib），）， 使晶体管在饱和（或导通）态与截止态之间往复使晶体管在饱和（或导通）态与截止态之间往复 转换来实现的。转换来实现的。 它它与理想开关的主要差别与理想开关的主要差别在于开态时晶体管开关在于开态时晶体管开关 上的压降上的压降；关态时回路中还存在一；关态时回路中还存在一 定的电流定的电流iceo，因而回路电流，因而回路电流 0

20、vce 0v ce 0i c 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 练习练习 p106 1，4，5 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 开关晶体管的工作状态开关晶体管的工作状态 晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出 特性曲线上可以看出，随着偏置电压的不同，晶体管的工作区域特性曲线上可以看出

21、，随着偏置电压的不同，晶体管的工作区域 可以分为可以分为饱和区饱和区、放大区放大区和和截止区截止区三个区域。三个区域。 此外，当晶体管的发射极和集电极相互交换，晶体管处于倒此外，当晶体管的发射极和集电极相互交换，晶体管处于倒 向运用状态时，也应该同样存在上述三个区域。向运用状态时，也应该同样存在上述三个区域。 为了分析开关为了分析开关 特性的需要，我们特性的需要，我们 将倒向（反向）放将倒向（反向）放 大区也一并提出进大区也一并提出进 行分析。行分析。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物

22、理半导体器件物理 发射结和集电结的偏置情况，发射结和集电结的偏置情况， 集电极输出电流集电极输出电流ic和基极输入电流和基极输入电流ib之间的关系之间的关系 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 饱和区饱和区 饱和区的特点是发射结正偏饱和区的特点是发射结正偏vbe0，集电结，集电结 也处于正偏，也处于正偏，vbc0，集电极电流和基极电流间，集电极电流和基极电流间 满足满足icib的关系。的关系。 基极回路中输入一幅值基极回路中输入一幅值vivbb的正脉冲，基极的正脉冲，基极

23、 电流电流ib将立即跳变，晶体管将沿着输出特性的负载线，将立即跳变，晶体管将沿着输出特性的负载线， 由截止区进入放大区。这时，集电极电流由截止区进入放大区。这时，集电极电流ic随着随着ib的的 增大而很快上升，管压降增大而很快上升，管压降vce则随着则随着ic的增大而下降。的增大而下降。 当管压降下降到当管压降下降到vce=vcc-icrl=vbe时，集电结由反时，集电结由反 偏变为偏变为零偏零偏，使集电结收集载流子的能力减弱，使集电结收集载流子的能力减弱，ic随随 ib增长的速度开始变慢，这时晶体管即进入增长的速度开始变慢，这时晶体管即进入临界饱和临界饱和 状态状态。 上海电子信息职业技术学

24、院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 临界饱和时集电极电流临界饱和时集电极电流 l cc l cc cs r v r v i 临界饱和压降 晶体管达到临界饱和时的基极驱动电流，称为晶体管达到临界饱和时的基极驱动电流，称为临界临界 饱和基极电流饱和基极电流ibs。 l cccs bs r vi i 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 若基极驱动电流若基极驱动电流ibibs，则

25、晶体管将处于过驱动，则晶体管将处于过驱动 状态，状态，过驱动电流过驱动电流 l cc bbsbbx r v iiii 晶体管的饱和程度，可以用晶体管的饱和程度，可以用饱和深度饱和深度s来描述。来描述。 cs b bs b i i i i s 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 截止区截止区 基极电流基极电流ib则则 由这两个电流组成，由这两个电流组成， 因而因而ibiebo+icbo。 由于基极电流很小，由于基极电流很小， 因此，可以用输出特因此，可以用输出特 性曲线中性

26、曲线中ib=0的一条的一条 线作为放大区和截止线作为放大区和截止 区的分界线。区的分界线。 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 5.3 晶体管开关的动态特性晶体管开关的动态特性 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器

27、件物理半导体器件物理 为使晶体管具有良好的开关状态，有以下为使晶体管具有良好的开关状态，有以下五个要求五个要求： （1）ice0小，使开关电路截止时接近于断路（开路），关小，使开关电路截止时接近于断路（开路），关 断性良好；断性良好； （2）vces小，使开关电路接通时接近于短路状态，接通小，使开关电路接通时接近于短路状态，接通 性良好；性良好； （3）开关时间尽可能短，这点将在以后内容中详细分析；开关时间尽可能短，这点将在以后内容中详细分析； （4）启动功率小，启动功率是晶体管从截止态转变为饱启动功率小，启动功率是晶体管从截止态转变为饱 和态时所需的功率和态时所需的功率ibvbes； （5）

28、开关功率大，即要求在截止态时能承受较高的反向开关功率大，即要求在截止态时能承受较高的反向 电压，在导通时，允许通过较大的电流；电压，在导通时，允许通过较大的电流； 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 非饱和开关电路非饱和开关电路：工作在截止区和放大区，开关：工作在截止区和放大区，开关 速度快，但对晶体管的参数均匀性要求高，输出电速度快，但对晶体管的参数均匀性要求高，输出电 平也不够稳定。平也不够稳定。 饱和开关电路：饱和开关电路：工作在截止区和饱和区，输出电工作在截止区和饱和区，输出电 平较稳定，对晶体管参数的均匀性要求不高，电路平较稳定，对晶体管参数的均匀性要求不高，电路 设计简单；只是开关速度慢。设计简单；只是开关速度慢。 饱和开关电路和非饱和开关电路的比较饱和开关电路和非饱和开关电路的比较 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 上海电子信息职业技术学院上海电子信息职业技术学院 半导体器件物理半导体器件物理 开关过程的动态分析（开关过程的动态分析（npn管）管） 延迟过程延迟过程