晶体管的开关特性

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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5.4习题●——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transferresistor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（bipolartransistor），或称双极结型晶体管（bipolarjunctiontransistor，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。

导通谣过程中（怪外电毁路加况以正艺脉冲策），韵二极筒管P区向N区输君运大遥量空公穴，N区向P区输朱运大到量电轿子。随着窃时间凑的延袜长，N区内越空穴梦和P区内陡电子纠不断吸增加俊，直浮到稳暮态时竹停止坟。在杯稳态区时，攀流入N区的枯空穴抄正好纸与N区内窗复合森掉的垒空穴确数目昂相等臣，流柜入P区的暴电子怠也正赞好与P区内蛾复合帮掉的成电子木数目缘瑞相等茶，达加到动篮态平猴衡，孝流过P-层N结的取电流仙为一援常数I1。随着油势垒集区边啦界上南的空系穴和版电子果密度沈的增驰加，P-识N结上丙的电章压逐勒步上咏升，套在稳穗态即狗为VJ。此张时，柏二极弹管就旨工作兰在导帅通状狗态。当某表一时睁刻在抚外电础路上敬加的正脉氧冲跳见变为梳负脉楼冲，此锈时，玻正向级时积锋累在坡各区耗的大拴量少背子要腹被反钞向偏乘置电巩压拉勺回到您原来臂的区丛域，节开始宪时的饲瞬间托，流猾过P-粗N结的赖反向哑电流游很大菜，经汁过一昌段时有间后泉，原闪本积峰累的质载流阀子一搅部分犁通过职复合狮，一拣部分赠被拉泼回原央来的域区域型，反倚向电丹流才姑恢复僵到正镜常情菌况下骄的反老向漏绍电流创值IR。正向寻导通娇时少唐数载哲流子膊积累干的现堂象称搞为电集荷储肆存效底应。二极些管的静反向炒恢复吐过程堆就是蜓由于钉电荷惑储存值所引顽起的优。反神向电汽流保姐持不个变的宝这段在时间坚就称企为储存刻时间ts。在ts之后者，P-推N结上顽的电撤流到氏达反世向饱猫和电缘瑞流IR，P-筐N结达金到平装衡。仙定义愚流过P-批N结的剪反向穗电流汪由I2下降毕到0.余1巩I2时所翼需的简时间锻为下降笋时间tf。储脉存时冬间和汉下降省时间登之和况（ts+tf）称指为P-鉴N结的关断州时间（反向辜恢复醋时间）。反向骗恢复群时间黎限制父了二叛极管骆的开比关速尝度。如果脉冲半持续激时间英比二咬极管臭反向春恢复著时间瓣长得担多，这种时负跟脉冲仓能使色二极咬管彻坡底关跑断，嗓起到懒良好棋的开各关作菊用；如果脉冲戒持续冤时间庭和二纠极管舒的反济向恢坊复时乡丰间差妻不多畅甚至押更短简的话，这新时由赞于反庭向恢浙复过夸程的六影响辩，负蔽脉冲述不能割使二武极管楼关断浪。所以径要保蛙持良医好的次开关透作用恩，脉寇冲持袖续时赢间不笛能太鸟短，裤也就皂意味麻着脉图冲的镇重复秀频率兔不能泽太高忠，这凭就限糊制了翠开关仁的速凭度。5.可2开关奖晶体亩管的竿静态钳特性晶体咐管共静射开蛮关电滥路原桥理图VBB偏置野电压RL负载培电阻当基限极回木路中勤输入晚一幅灾值VI远大稍于VBB的正鬼脉冲渔信号皆时，基极埋电流兴立即哗上升眼到在驱傍动电鹿流IB的作验用下竟，发嫌射结捏电压鉴降逐促渐由价反偏午变为男正偏红，晶涛体管项由截裕止变洗为导浙通，惯集电茶极电蜡流也绘将随摄着发奴射结腐正向厌压降设的上业升而怨增大备。当集厦电极绪电流析增加叶到负绘载电奖阻上东的压寒降ICRL达到礼或者弃超过VCC-VBE时，甩集电婶结将叉变为莲零偏违，甚眉至正特偏，抱发射筋结上党的压劫降很释小，C和E之间昼近似询短路灶，相萌当于巧图中CE间的旺开关K闭合渔。因此首，当晶百体管矿导通跪后，饺在集驶电极萄回路钱中，可晶体锣管相碗当于碗一个旺闭合侦开关虾。当基寻极回鼠路的猫输入萍脉冲味为负尸或等袜于零唱时，唇晶体弓管的颈发射奋结和蜜集电带结都稍处于颤反向贞偏置脾状态残。这膨时晶拆体管枪工作朝在截叙止区喝，集考电极鹿电流IC=ICE魄O，对垦于性予能良仰好的妖晶体斗管，ICE则O一般穿很小责，负读载电性阻上拦压降程很小炕，集猪电极断和发引射极蛋之间信的压贡降VCE≈VCC。因此属，当晶骑体管途处于熟截止扯状态迈时，弊晶体恩管相职当于意一断交开的代开关确。将晶课体管榜导通贞后，硬工作湿在饱更和区仍的开莲关电窝路，鸡称为饱和史开关。饱高和开分关接研近于沸理想办开关夹。而把肆晶体仿管工辟作在泄放大佩区的坡开关惨电路蛋，称零为非饱魔和开载关。这腊种工报作模森式，矮一般姻用在上高速授开关鹅电路薪中。●晶体址管的桌开关河作用绢，是视通过基极搞控制驳信号（IB），筑使晶搅体管钳在饱呼和（谅或导恼通）欢态与庙截止朝态之突间往磨复转思换来红实现毅的。●它与理潜想开绣关的浩主要度差别在于啊开态讯时晶找体管译开关上的易压降；关拆态时周回路膝中还居存在弟一定的戏电流ICE茅O，因补而回翻路电窗流。小结练习P1岩06繁1，4，5开关兄晶体价管的欣工作饼状态晶体机管的零工作概状态则完全临由直稿流偏织置情栗况决递定。灭从共哪射输吗出特滥性曲晒线上酿可以苍看出骨，随绑着偏磁置电框压的寸不同絮，晶只体管辫的工信作区私域可班以分受为饱和欠区、放大偏区和截止把区三个盟区域炒。此外嘱，当币晶体痛管的密发射功极和桑集电垃极相揪互交唯换，术晶体扔管处需于倒扭向运氧用状凉态时炎，也蝇应该坛同样嗽存在捧上述撞三个四区域突。为了睡分析俘开关缠特性己的需事要，年我们秘将倒贪向（糠反向贺）放缘瑞大区竞也一矮并提川出进树行分背析。发射茅结和呀集电树结的涂偏置谦情况少，集电浊极输乘出电冷流IC和基坟极输芹入电惹流IB之间炕的关挽系饱和尖区饱和该区的巧特点腔是发蹄射结夜正偏VBE>0，集族电结汤也处讽于正展偏，VBC>0，集揉电极圾电流虹和基百极电劲流间狡满足IC≤β回IB的关宜系。基极捕回路抖中输芝入一茶幅值VI>VBB的正狮脉冲巩，基欢极电尘流IB将立管即跳奋变，萄晶体优管将酿沿着呜输出撞特性识的负练载线倾，由区截止减区进外入放称大区猛。这叛时，章集电掘极电古流IC随着IB的增事大而膏很快屯上升丈，管找压降VCE则随脱着IC的增辆大而抓下降焰。当处管压居降下辜降到VCE=VCC-ICRL=VBE时，拥集电息结由爸反偏浇变为零偏，使鸽集电布结收妖集载毛流子第的能宾力减面弱，IC随IB增长扛的速立度开勿始变羽慢，追这时性晶体亏管即天进入临界芬饱和斤状态。临界央饱和闭时集跃电极赤电流晶体消管达火到临搂界饱省和时肆的基浇极驱个动电宜流，恰称为临界稀饱和佛基极饮电流IBS。若基稿极驱麦动电挨流IB>IBS，则铁晶体优管将陵处于颠过驱恨动状众态，过驱药动电伟流过驱逝状态使下，蹲集电属结正哲偏，抖晶体请管处党于饱锤和状占态，疲过驱声动电滴路越傍大，邀饱和鄙深度共越深位。晶体垒管的芽饱和喂程度罗，可廉以用饱和陷深度S来描受述。临界合饱和中，S=树1深度狡饱和俊，S>赴1截止虚区发射狮结反役偏，押集电难结反读偏，IC=ICE戏O≈0。基极速电流IB则由躁这两挪个电妇流组晃成，柳因而IB≈IEB辣O+ICB定O。由勺于基兵极电柔流很弹小，捞因此枝，可芽以用温输出阀特性易曲线鸟中IB=0的一虏条线专作为累放大撒区和捞截止气区的池分界稠线。5.史3晶体粱管开果关的淹动态烛特性为使饲晶体崭管具泳有良情好的如开关驼状态哲，有储以下五个副要求：（1）ICE挺0小，忍使开饰关电席路截靠止时这接近姜于断鱼路（剃开路松），并关断卖性良合好；（2）VCE避S小，勤使开软关电母路接站通时概接近虚于短犯路状茫态，次接通药性良朗好；（3）开关狸时间伐尽可头能短字，这露点将拜在以星后内鱼容中熄详细该分析束；（4）启动阵功率乓小，劝启动红功率反是晶叉体管薯从截赌止态凑转变抽为饱挥和态博时所孙需的忧功率IBVBE赏S；（5）开关毯功率复大，王即要旷求在惹截止蚊态时塌能承灯受较尿高的搜反向存电压络，在忧导通恼时，鬼允许更通过章较大码的电烛流；非饱懒和开适关电减路：工翅作在泉截止萌区和腰放大里区，寻开关杂速度捆快，对但对月晶体往管的严参数授均匀舱性要之求高献，输挣出电雨平也弃不够至稳定涂。饱和衬开关舅电路套：工作斗在截器止区肢和饱未和区驱，输梦出电划平较借稳定匆，对掩晶体酬管参趴数的重均匀钟性要津求不有高，勒电路叉设计桶简单幼；只膛是开扒关速啄度慢番。饱和绞开关亏电路奋和非叹饱和套开关谢电路羽的比着较开关限过程广的动玻态分膊析（NP肢N管）延迟置过程上升思过程超量坛储存狗电荷略消失恐过程下降投过程延迟冶过程t=更t1时，IC才上桌升到0.粪1ICS，时免间td=态t1-叙t0称为延迟肾时间。上升踢过程在t=听t2时刻渗，IC