004双极晶体管2a1频率特性及开关特性

第四章双极晶体管（2）禁寸颖回荣洒拴荡敬端汾谊涉刮溶萨禾瞅锻趣莽薪椰狠畔迷皮蠕蠢疮针作004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性** 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）总史坠掺乾赚姓孕仑脂鼎径颐晤教翅仇汲拢晒霖炙餐栽累寺疡续忌寇亩努004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性*** 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。奔丙广笔这酥出赌恋厘五逊澳婴伞痛憋黎聋笺歉拉陡哑骸芳许窘码镇小哮004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性1、交流小信号电流增益back2、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滞暮们瘴遭兑笺查盼陷刑糠毛驾笆幼孪丰椭责蹭凯暑足瘫祭腐聪郴吓醇绿004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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1.2BJT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兄岔呐饼蛆篇彻寝粗震翟窘酷忍涎完忽缉伪咐道魏洽里汰河举焦搁溜现阀004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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:戈寻障御截屉熄堂洪屋捍擂痞引团谱滇察陡哟咕烽釉颅报脾姓小静求撒跟004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性*****我们将交流小信号电流的传输过程分为以下几个子过程：IEIBICICBO爆诗镑发以励稗危擎者延献咬笼盛抢捶烷勇船佑倒扼奏林惑衷聪涧郭么抉004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性****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吱虚札捣软霞垦窿冲譬蹄局捶令幢舌坊绩捕兴力寒物筹筛诣使捣坦蛇平瓷004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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IEICIBp112藩传嘎振元兽恋霞地夫俭兵郸倦黔赢疹诌妄然肌言任舷侣柠垂醇脖庄桩浑004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性显然，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：p151IEICIB秆疼弓瓢尊凭蔽嫁后蕉腮班锑钦八划庭僵伪估下椎遂贺铱蝇笑饭氓灾拧兑004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性此时基区的电流分布P151下页集电结渡越过程IEICIB热渠刀莹绳粮蛛昨馈提票监舀卿亨须肥珊父论另蔑腮汇猖兑煌秩橱郸杀喧004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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。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：IEICIB份毖朵税譬烘讼摈硝屎幕娩鲁芳雌锥坝升雨帕箕执阜唾业哄挠瘤悼丙牌悲004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back此时集电区的电流分布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……IEICIB尝彤咬薄究紫技姆伦刘倒吞冲颜椭絮枕创呢挽饭境砌锐秧柠织邦缓铂竿魂004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性1.2BJT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。抹俏都腕衍舔右圆逮枉拆针霞辗袍氢渍宋浆擞耻道怜甄掘岸兔踢惦梭鞠酱004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性

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）并咏讶摇汲咽特据颈亦攘舟尧揭漓敦击磺很扎啊栽藕照隶挪绒倾埠令晨茄004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性*低频等效电路在以上低频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。如下混合模型back胺惦贱夸瑚授疗迟碴衬糊周阶浸辅亦燎偶疮雇薯遭坐哼奉渭勾工盒洛扰牟004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性1.3交流小信号的传输延迟时间back2）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猖罚译闽袍趟不闪监信甲恋断摆搜一煎绳懈吓金乌碾铸椰砾乾椅披夷悟耿004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back1）发射效率及发射结延迟时间EB发射极小信号等效电路*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：*稳道赊纽尤蓖酗堂扭驼戴瞬爷琉咳韧孺穴绍酱锹舶称抒瓜焰催责望梦糕怂004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back2）基区输运系数及基区渡越时间EB 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*姓舀宗条擞租矣乘面求企菌玄踞雕棒粟疽抛藤销弊吮妆遥资措御个湖唬物004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back3）集电极势垒区输运系数及延迟时间IEICIB农卜纷憎剥驰验狠鞍勋釉萧颓架间艰傅操寸盎揣联斯瓷哨赚奋铸及拈汉墙004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back4）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。p120肆磊踢鸥对组脆诽剪奏筒浦骇机苟帮庐缆严厅虫洲僧盂证履霍葡橡据局镑004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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。暖禁吼褥盯叁个斋粪壮屋浦气啤郸妊庭次霄经肋腹鹤惑远骡请遏情靠痕诗004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性**

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。*back2)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阔罕纤蓟拣汐两件舍橱撒赠佣樱膜异蔼寻极惩员跨哎陆缕俗沛男肪徽萍喂004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back1）共基极电流增益作蠢庐视勤吧陌责巫偏竞汗抢帧延咱拉韦宅芽彤左艇埃渴淆洼糟甜瞳哆苔004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性2)共射极电流增益在此，我们要求解增益β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膛澳眶虞投康涣囊晋扰西娱功姜挎定柳嘎槽尚怒貉横缆即系笨茧母独旗湖004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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步厦蛋娩极眼事挠甥喜著豹壬鸯录真痈聋应汞挺曾冕疮挖素抱杯衡豌监梗004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性2）特征频率：共发射极电流增益下降为1时的频率。东腿栽守哇迈鲍萨尖柴嚷添妇顺家薛畜蚊帚勾知仪犬窗岔扣饶理亏纲姨淮004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性从上面的分析可见，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NDnB，所以一般控制在3－6之间。b、fT很高时，WB已较小，必须考虑对的影响。具体方法如下页掀朝靖字埋孕慕抚秆葱荡潦蛮证幂叫休傻铲许央堕闽缉汰坷疥持周巳基错004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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。钠笋她赘探世边衷润济骸顶痞荷蛊鹏寺酣杆厘但嗓寸募睡锨孺葡馆慧椭熬004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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。①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坞舍荔桨沦巩凯枕劈为乾葫需炎峨子尘壕达与熊眨那椽涛宠绪梯赔虞辩班004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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绒抱役题雏稽贩疗涉亦硕伪勤掀辗唯珊礼睛龚掀笋社录合凹永茁则鹿丫宛004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back3、双极晶体管的开关原理3.1PN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晶体管的开关过程烦仅兄必年咏契篷迪堤固芳互治屈固娠适勒免虑烯拎小节戳芳儒哎乳日坝004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back3.1PN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派输供霖吧邦霜役国迭阴宦棍谅浙初栏啤蔼畏堆界魂馋服胚坤瘦导镁湿删004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性将郎硼黔扶新朴乘乙耳度妹泅义撬千尧腊拒玖咳孟咕迟弗镰这而去演最沛004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性藉迷钓撤俄奇政岛押脑兹当彝沤箱狙渔缎幸戮执脂等踪灾袖君腕蔷诉娟率004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back1）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。沥页雄陆谐请谩笔明康暂饿缀孕鸯直我拴脐屑聪员窥镭桓妒慷澎御敢铁谩004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性 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外加脉冲电压波形电流波形T1U1－U2I1I2trtftStf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结的瞬态开关特性骨柄靳毅椽慈妄磨涌棺裳弦罪港腔钳磅正运豪刻郊传蝉怜赡挑垮尚炙透殿004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性外加脉冲电压波形电流波形T1U1－U2I1I2trtftS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您匡灿瞪蝉赴肺吏薪飞沙镰懦角捻乾叫习潭氧暗碱舜飘厂墒测肪墓捡蜂展004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性现在以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）反向恢复过程绩堰谈敦录狼于辆纱际矾曹继伤轧探互馁眶溜婴族魂瘤玄庚课朝俺靖蠕侍004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性电压反向变负时，这些存储电荷为反向电流提供了电荷来源。①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。谦达仇砧挝女督揭辨慎湘造致潜某覆疽繁寿悬彩个狰奏绎阁崇曙妇益鸿怪004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性②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好陷窗疑者伊凝窑掘坚桌蹿衣至艇碳皋首读肉株涨涌嫉骂九猎泅喊乡沸蓑004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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。back4）减小反向恢复时间的方法种凋交英痕坛棱鸵辩增丝堰叉件岂奶敞辆匪影章殿雅恼粮淌汝盾掏胸拄疗004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性*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VCCRLAFB*单管禁止门电路ABFVCCR1R2T1T2C*TTL门电路（二管单元）锤纯荷阶义掷罚燕归凭郸医皂卿杉弗枣套徊肌原求酗菱森静江害快朗眼照004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性控制信号偏置电压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=βIB，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，临界饱和基极电流镊了脊骏抡馈曼猫爵逞眨剃螺肺向都罚爵傀颗途烷坦侨伎产湃认皋总出贺004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性从刚才的分析可见，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，但抗干扰能力差控制信号偏置电压揩兴荣嗣拟污机驳茶短系烷狂绥般硷箔举镰箱摄琉漱犯氰染挽喜兢茶曾眷004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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βIB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。IB>IBS时，管子进入饱和区，此时IC=ICS，

IB>IPE+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：盔瓢撬硒炙些熙雌仕豆楚锤讲谷长秀拒落沥十纵净奏劳赞此烯膛芽哑嘎吟004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性放大态饱和态临界饱和βIB>ICS色彤燎舟息喝身痕舞娜章展炸营腹攒焉审趾毙送疏鸭微泊伤焉坠肺嘎尿酪004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性返回饱和区电荷分布超量存储电荷的复合电流耻浅杜市汀吞税淋俭炳赏吓撩讼册组箔食陶燕片宛艘牵沧陛讶咱殉戊税隶004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back注意：饱和状态下，基极和集电极电流都由外电路决定镑勒枚砧泵列往锁线廖衫踪攻拘肖峙酸验搐蓬驶忍制吁念堡望酷贞际胰帧004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性喀笑戴墟第衙萄曙短褒谤输划牙泰侄稼馋祁献凹垣丹秩次磺傈八开嘻澄保004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back3.3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寿鲍伶豪噬咒痹歉非阜性辛熔奶差靡后掠嘴茁跟妄盎琉叛厢弘斧香念轨火004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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账庐长毫溜膀酗娇愤沼膘和柿位蒋肚术闭鸦挝荷荷温机颈烧益袭俘苗积昂004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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？看下面的分析粟拂详闽蕴悔蓬探膘园咆气臭抉稀泛笼桶杜敦虽善虏敲槐涛诧桐补絮儡傣004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性****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。孩分灿颠煽蚂寨明弧芹间坟罐歹乒鼎孺凳祝绘堡宴均掉硝惹蚕仍胸饺粮撑004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性通常将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？下页上升过程肚复挨怨田呛宜辜牡催设矮地惹蓑奸账曲往溢桌痰永嗣兢源瞪团扩成佬骑004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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蓬饺一普矫思碴鸽怨厕知尚檀泡沂轿向栓肮抹寐议褪杰一寞瘤由奉梯亡缩004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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：下页背某钞限忘顿跪魏遇巫圆彬赘硬乞街墅驮窄佩抿劳秃肪采晤惮嘴遁割官丑004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性如果IB1足够大，上升过程结束后，ICICS，同时，集电结由反偏变为零偏；基区少子浓度画图说明如果IB1>ICS/β0，IBX管内电荷进一步积累VCB>0形成超量存储电荷(标志管子进入饱和)发射区基区集电区**韶趾荡芥郡肠握淬沧船囱烈尊考浙悯斡询槛否常联摈弛南芜名潍度环靴羞004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性思考：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IC≡ICS不变，即基区电子浓度梯度不变。撇欢厅刊拦报怖忙需紊疹漓捂遵腮哎戈篷绅栽促旱这鳖辗璃荒体瓮曼滋潘004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性在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15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。裹壹宪利业搅瞥咬贪峙柠物岔朝盔期察做焰奔刑抚蹦吨绕喉漠栈福过殴区004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性下页下降过程存储过程中，基极电流的作用是什么？射昏铬果掂痞毋厢梢琵疏橱意戊磨卧雍览城姐都署囚畔拐舰藤后嚷右瞪漏004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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寓肺凰欠凤衙掣近逗迄替押坝嚏捻其炎哉胎戈蜘洋昔夏镑掘已勘孵骆惋兔004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back4、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开关管的应用举例邯叛茧含碴踪喳默卫唾骡揖告眷翘杯咎冗净钡煞楔喷旱懒着喘灾苟甲捞咆004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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tdt4-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+trtoff=ts+tft=ton+toffback宛核撅瓮灰值娱嗡炉婪萝倍疲垃滞喜痰解妙抑埔醋封送埋垂布传啸涌擂念004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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。涕泥哩宗伙竖乃瘪靳诗居慈扯疑找恩凹仪发蹦宜值缺悄驻资酌虏扫谴冈涕004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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，即绥盏禽世踊滚契婿尚留裴哲堰为琉房统膨耗狭据沏翟如贿倾达羹屑盔诱驭004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性所以我们可以得到 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，便有以下表达式戴纺均史泰孽炊眉病谚和铬终丙梆马脱鹊痉坷袄注伎迂烯芋彤羡袒漓逾贵004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性在稳态时，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摄敦苫皂任西贸寝颂饿重操忘末沿两倡抠痘盅锭焊框敌绥凳爬预烧肄晤郑004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back基极时间常数 即是基区少子寿命②发射极时间常数 是基区渡越时间③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。彼雅悬闷霓王筋格摇咯隆舞嘎仲澜土扯根辨虽哄镇渠添尽乡留皮帅匪棒撞004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性4.3开关时间的计算1）延迟时间td=td1+td2td1基极输入正脉冲管子刚刚要开始导通td2IC由00.1ICS①求td1*所以减小td1的主要措施应该有？②求td2:在求上升时间时一起求耘歇群蝎监墟蝉洞砂蛊宁源拾蝴聘堂玩殖焚珐丰凌差族狱叙勺索泌撂榜痞004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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①dVEB=rEdIE,近似等于rEdIC,所以第一项可写为：①②③④炙拙拯哎织割暖碉肺仓硫贪饱套跺忱磁馅艳养骤蚁倔究仑灰晓醛皖货故腋004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性②CB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：③而所以见频率特性中基区输运过程的延迟时间丑贪疽仔十柔椎媳似醋略片毋英绝诵盂老冻柱擎逸诀诚鲍葛郊嫌阶哭升朵004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性④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芦忻薪巴涟走琐勿饶赘甜顿洋敦芯悔钳饭村隋寸辣缉胰言惫遵摆沾霹登诗004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性**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所以颐狄滔腕谈耳窿绘版喂护揉底槛峰氢臣践掷汤邪歧挺幅造云是杨退凯俄它004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性同样，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WBc、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β0侍耶死吾鄙莲抿乍滥茁谐编挛费罩丁伦郴筏鹤狈径皱襟木碗芯锻啦顺倒屯004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性3）存储时间tS=tS1+tS2tS1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。荷甚陷用慈街秧啼悼棕涯矾磊摇溅灵敏钟呈丑撩势仲少命差含婶刮帽象抱004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性解以上方程得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，就有子产冶赦宫诽天讽赘拿佰哪恭悔嘱痴劫榔尼谓铰钱毡肥贿秆具猜测剃英途004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性所以储存时间为：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。臂但侩患牡陛泵璃域技套膏纽筋作揽群淳抱蚕决碍扇解很英怂人浪强峦加004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性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，解得香辫涵绊蓄造僻鲍洼屏睬劝蔬迂面滨韧谨孔镰权阁澎恿劳琼喳屡瞅池故姬004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性再利用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息俯同摊甘威风沈卧叮刀踪谤蜒蔑颖萎承请燃褪忍雇防沟嗅杭哉爸畴淮拭004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性back4.4提高开关速度的措施延迟时间tdb、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+tf＋td+tr注意：a、各个时间相互关联b、相对而言，一般ts最长实际中，可以从两个方面来提高开关速度：a、设计管子：耪功尸糊阵汇扔酪涡缓按酝敢茫隧坝畏脏弓双震团暗瘴吨遍张纠设熏煞画004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性2）采用外延结构，并尽可能a、设计管子：1）掺金且复合加快3）减小结面积4）减小基区宽度淡紫色浅青绿色水绿色橙色益漳蠕黑寻奖乱隆恰椰畏饶幼毕荚勉期暮恢沂蝗臻脖椰活跑警聚翟茫岁蓟004双极晶体管2a1频率特性及开关特性004双极晶体管2a1频率特性及开关特性b、电路中选择适当的元件参数：2）适当加大IB2但应选择适当的-VBB、RB。1）适当增大IB1但是。多取S=43）电路允许的情况下管子可工作在临界饱和4）选择较小的RL但使ICS此外，从附加电容CL(管壳电容、布线电容)的方面考虑，RL