半导体器件的开关特性

1、第二章第二章 逻辑门电路逻辑门电路以半导体器件为基本单元，以半导体器件为基本单元，集成在一块硅片上，并具有集成在一块硅片上，并具有一定逻辑功能的电路一定逻辑功能的电路由分立的二极管、由分立的二极管、三极管或三极管或MOS管等管等元件组成的门电路元件组成的门电路 在逻辑代数中，逻辑变量的取值不是在逻辑代数中，逻辑变量的取值不是0就是就是1，是一，是一种二值量。它种二值量。它对应于数字电路中电子元件的开关对应于数字电路中电子元件的开关（即电（即电子开关的断开、闭合）子开关的断开、闭合）两种状态两种状态。能实现开、关状态的。能实现开、关状态的电子元件称为电子开关。电子元件称为电子开关。 二极管、三极

2、管和场效应管在数字电路中就是构成二极管、三极管和场效应管在数字电路中就是构成这种电子开关的基本开关元件。这种电子开关的基本开关元件。理想的开关：理想的开关： 闭合时：开关两端电压为闭合时：开关两端电压为0； 断开时：流过开关的电流为断开时：流过开关的电流为0； 两种状态的转换瞬间完成。两种状态的转换瞬间完成。一、二极管的开关特性一、二极管的开关特性1 1二极管的静态特性二极管的静态特性2二极管开关的动态特性二极管开关的动态特性二、三极管的开关特性二、三极管的开关特性1三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态2三极管的动态特性三极管的动态特性(1)(1)加正向电压加正向电压V VF F（ V V

3、F F 0.5V0.5V）时，二极管导通，管压降）时，二极管导通，管压降V VD D可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。DRLFFVIFKFRVLI 可见，二极管在电路中表现为一个可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压受外加电压vi控制的控制的开关开关。当外加电压。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在压的变化在“开开”态与态与“关关”态之间转换。这个转换过程就态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的是二极管开关的动态特性动态特性。(2)(2)加加反向电压反向电压V VR R或或正向电压正向电压0.5V

4、0.5V时，二极管截止，反向时，二极管截止，反向电流电流I IS S可忽略。二极管相当于一个断开的开关。可忽略。二极管相当于一个断开的开关。LKVRRDLRVSRI 给二极管电路加入给二极管电路加入一个方波信号，电流的一个方波信号，电流的波形怎样呢？波形怎样呢？ts为存储时间，为存储时间，tt称为渡越时间称为渡越时间。trets十十tt称为称为反向恢复时间反向恢复时间+DLIRvitRtt(c)sItiI0.1I1FRt0产生反向恢复过程的原因：产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间反向恢复时间t trere就是存储电荷消散所需要的时间。就是存储电荷消散所需要的时间。 同理，二极管从截止转为正向

5、导通也需要时间，这段时同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时间称为间称为开通时间开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。可以忽略不计。+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL1 1三极管的三种工作状态（三极管的三种工作状态（截止状态截止状态） （1 1）截止状态：）截止状态：当当V VI I小于三极管发射结死区电压（约为小于三极管发射结死区电压（约为0.5v0.5v），即），即VBE BE 0.5v0.5v时，时，I IB B00，I IC C00，V VCECE

6、V VCCCC=U=U0 0，三极管工作在截止区，对应图中的，三极管工作在截止区，对应图中的A A点。点。 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压VCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4+V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVU0 此时，若调节此时，若调节R Rb b，则，则I IB B，I IC C，V VCECE，工作点沿着负载线由，工作点沿着负载线由A A点点BB点点CC点点DD点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，点向上移动。在此期间，三极管工

7、作在放大区，其特点其特点为为I IC CIIB B。 三极管工作在放大状态的条件为：三极管工作在放大状态的条件为：00IB BIBsBs（此时（此时IBIC，) )发射结发射结正偏，集电结反偏正偏，集电结反偏 （2 2）放大状态：）放大状态：当当V VI I为正值且大于死区电压时，三极管导通。有为正值且大于死区电压时，三极管导通。有 bIbBEIBRVRVVI +V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4 再减小再减小R Rb b，I IB B会继续增加，但会继续增加，但I IC C不会再

8、增加，三极管进入饱和状态。不会再增加，三极管进入饱和状态。饱和时的饱和时的V VCECE电压称为饱和压降电压称为饱和压降V VCESCES，其典型值为：，其典型值为：V VCESCES0.3V0.3V。 三极管工作在饱和状态的电流条件为：三极管工作在饱和状态的电流条件为：I IB BI IBS BS 电压条件为：集电结和发射结均正偏电压条件为：集电结和发射结均正偏 （3 3）饱和状态：）饱和状态：V VI I不变，继续减小不变，继续减小R Rb b，当，当V VCECE 0.3V0.3V时，集电结变为时，集电结变为零偏，称为零偏，称为临界饱和状态临界饱和状态，对应，对应E E点。此时的集电极电

9、流用点。此时的集电极电流用I ICSCS表示，基极表示，基极电流用电流用I IBSBS表示，有表示，有: :CCCCC0.3V-RVRVRVVICCCECCCSCCCCSBSRVII+V+-T123BiRebiVCCRICbCcCEVVCiCSB1I0.7VB5C/RCIB2BIB3D=0IIBI=IBSCCEVCEAvICCB4工作状态工作状态截截 止止放放 大大饱饱 和和条条 件件工工作作特特点点偏置情况偏置情况集电极电集电极电流流管压降管压降近似的等近似的等效电路效电路C、E间等间等效电阻效电阻cbebce0.7VIBICBIbce0.7VIBCSI0BIBSB0IIBSBII0CIBC

10、IICCCCSC/ RVIICCCEVVCCCCCERIVVV3 . 0CESCEVV发射结电压发射结电压死区电压死区电压发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏发射结正偏发射结正偏集电结正偏集电结正偏很大很大相当开关断开相当开关断开可变可变很小很小相当开关闭合相当开关闭合解：解：依题意可得依题意可得IB（基极电流）（基极电流） 、IBS（三极管临界饱和时的基极电流）（三极管临界饱和时的基极电流）例例1.4.1 电路及参数如图所示，设输入电压电路及参数如图所示，设输入电压VI=3V，三极管的，三极管的VBE=0.7V。（1 1）若）若6060，试判断，试判断三极管三极管是否饱和，并求出是否饱和

11、，并求出IC和和VO的值的值。（2）将）将RC改为改为6.8kW W，重复以上计算。，重复以上计算。)mA0.023(1000.7-3BbBEIRuVI)mA0.0195(10600.3-12CCCBSRuVICESIBIBS 三极管饱和。三极管饱和。 )mA1.2(1012CCCCSCRVIIV3 . 0CESOVVIB不变，仍为不变，仍为0.023mA )mA0.029(6.8600.3-12CCCBSRuVICESIBIBS 三极管处在放大状态。三极管处在放大状态。 )1.4(0.02360mAB IIC )2.48(6.81.4-12-VCCCCCEO RIVVV+V-T123100k

12、RCCRVbI（+12V）VCO10k（3）将）将RC改为改为6.8kW W，再将，再将Rb改为改为60kW W，重复以上计算。，重复以上计算。 由此可见，由此可见，Rb 、RC 、等参数都等参数都能决定三极管是否饱和。能决定三极管是否饱和。 即即在在VI一定（要保证发射结正偏）和一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，一定的条件下，Rb越小，越小，越大，越大，RC越大，三极管越容易饱和。越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。IBIBS 三极管饱和。三极管饱和。 )1.76(6.812mACCCCS RVIICV3 . 0CESO VV+V-T123100kRCCRVbI（+12V）VCO10kCCCbIRuVRuVCESBE饱和条件可写为：饱和条件可写为：)mA0.029(6.8600.3-12CCCBSRuVICES)mA0.038(600.7-3BbBEIRuVIVi0V2ICICEOICStt1v（1）延迟时间延迟时间td从从vi正跳变正跳变的瞬间开始，到的瞬间开始，到iC上升到上升到 0.1ICS所需的时间所需的时间 （2）上升时间上升时间triC从从0.1