BJT的开关特性课件

BJT的开关特性

晶体三极管，又称为双极型管（BipolarJunctionTransistor---BJT—双极性结型晶体三极管），是由两个互相靠得很近的PN结构成的。2.2.0BJT的工作原理根据BJT的结构可分为NPN型和PNP型，如图示：E---EmitterB---BaseC---Collector基极集电极发射极T---Transistor晶体三极管具有三种工作模式：饱和模式（SaturationMode）放大模式（AmplifierMode）截止模式（Cut-offMode）NPN型BJT放大模式下的连接电路如图所示，E1E2为直流电源电压，分别通过R1R2加到发射结和集电结上，使发射结正偏、集电结反偏，称为三极管起放大作用的外部条件。图中电流方向均为实际电流方向。发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。基区宽度很小。

集电结面积较大

三极管起放大作用的内部条件：BJT放大模式下内部载流子的传输过程由于发射结正偏，集电结反偏，发射区多子自由电子扩散过发射结进入基区，形成与电子运动方向相反的电流IEn。同时基区多子空穴也扩散过发射结进入发射区，形成空穴电流IEp，但由于基区的掺杂浓度很低，所以该电流基本可以忽略。由发射区扩散进入基区的自由电子，一边向集电结方向继续扩散，一边与基区的多子空穴复合。由于基区很薄且掺杂浓度很低，仅有很小一部分被复合掉，绝大部分到达集电结边界。IEnIEpIcn1Icn2IcpICB0IBIEICN+NPR1R2V1V2+

+

由于集电结加的是反向电压，它一方面把从发射极扩散到基区并到达集电结边界的自由电子漂移过集电结，构成集电极电流的主体Icn1。另一方面，它使基区的少子自由电子和集电区少子空穴形成漂移电流ICBO，叫做集电结反向饱和电流。其方向是从集电极流入，基极流出，它是构成集电极电流的次要部分，IEnIEpIcn1Icn2IcpICB0IBIEICN+NPR1R2V1V2+

+

由发射区进入基区的自由电子，一部分与基区的空穴复合，使基区空穴减少，于是外电源向基区补充空穴，其形成的电流与ICBO一起构成流入基极的电流IB。由上分析不难看出，在三极管中，集电极电流IC比基极的电流IB大得多。二者之比就称为三极管的电流放大系数，用

表示。

表示基极电流对集电极电流的控制能力，一般在几十到一百左右。三极管的共发射极连接方式如图示。它以IB作为输入电路中的电流，IC作为输出电路中的电流。分别叫做基极偏置电压和集电极偏置电压。三极管的共发射极连接方式输入特性曲线

定义：IB=f

(VBE)|VCE=常数

与二极管的伏安特性曲线相似：加正向电压且超过导通电压VBE（on）后，IB随VBE（on）按指数率变化，小于该值时基本等于零

硅管：VBE（on）

0.7V锗管：

VBE（on）

0.25V250200150100500.50.60.70.8VCE>10VIB/AVBE/VV(BR)BEOIEBO0放大区

发射结正偏，集电结反偏，IC=

βIB+ICEO,IB等量增加时，各曲线近似等间隔上移，但随VCE增加而略微上翘。位于特性曲线中部，指IB=0曲线以上的区域。由各条曲线中IC随VCE增大而缓慢上升的部分组成。输出特性曲线：

定义：IC=f

(VCE)|IB=常数

在共发射极连接下，IB=0时的集电极电流记为ICEO，表示基极开路（IB＝0）时，由集电极到发射极的直通电流。放大区由多条曲线组成，其中每一条都反映了IB等于一定值，IC随VCE变化的情况。可分为三个区：截止区指IB=0曲线以下的区域。ICEO表示基极开路（IB＝0）时，集电极到发射极的直通电流。发射结、集电结均反偏，三极管工作于截止模式，IB≈0，IC≈0。放大区截止区3.饱和区位于特性曲线左侧，由各条曲线中IC随VCE增大的快速上升部分以及弯曲部分组成。发射结、集电结均正偏，三极管工作于饱和模式，IC与IB不再保持

的比例关系。而随VCE的改变而迅速变化。VCE（sat）

0.3V，VBE（sat）

0.7V.饱和区在数字电路中，BJT工作在开关状态。即在输入脉冲信号的高电平期间处于饱和状态（饱和区），在输入脉冲信号的低电平期间处于截止状态（截止区），而放大状态（放大区）只是这两种工作状态之间的过渡状态2.2.1.BJT的开关作用三极管是电流控制的电流源，在模拟电路中，工作在放大区。在数字电路中工作在饱和区或截止区——开关状态。下面以NPN硅管为例进行分析ICSIBSIB=0UCCiCuCEuOuiiBTRcRBUCC饱和区放大区截止区uCEiC0负载线三极管CE之间相当于一个开关：在饱和区“闭合”，截止区“断开”iCuCEuOui=0.3ViBTRcRBUCC饱和区截止区ICSIBSIB=0UCCuCEiC0三极管开关特性1.三极管的截止条件和等效电路当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V<0.5V）三极管截止，可靠截止条件为:UBE<0V截止时，iB、iC都很小，三个极均可看作开路iC≈0，uO=UOH=UCC输入特性0uBE/ViB0.50.7iB=0，等效电路BCE输出特性2.三极管的饱和条件和等效电路在模拟电路中，为了不产生失真，通常规定饱和时UCES=1V。由于三极管的输入特性很陡，通常认为饱和时的UBES和导通时的UBE相等（硅管：0.7V，锗管0.3V）在数字电路中，为了更接近理想开关，规定饱和时UCES=0.3V。输入特性0uBE/ViB/μAUBES饱和区截止区ICSIBSIB=0UCCuCEiC0输出特性UCES将三极管刚刚从放大进入饱和时的状态称为：临界饱和状态。当输入信号uI=UIH=3.2V时iCuCEuOui=3.2ViBTRcRBUCCIB=0UCCuCEiC0输出特性ICSIBSUCES临界饱和集电极电流：定义饱和深度：临界饱和基极电流：可靠饱和条件为：iB≥IBSUCESBCEUBES等效电路BJT的开关过程和二极管一样，也是其内部电荷的建立和消散的过程，因此，其饱和和截止之间的转换也需要一定的时间。即在输入脉冲信号的高电平期间处于饱和状态，在输入脉冲信号的低电平期间处于截止状态。设输入脉冲信号如图所示，其幅度在–VB1到+VB2之间变化，考虑转换时间时，iC的波形如图所示，已不是一个理想方波。起始部分和平顶部分都延迟了一段时间，上升沿和下降沿都变得缓慢了。通常可引入以下几个参数来表征：tiCtstftviVB2–VB1ICS0.9ICS0.1ICStdtr2.2.2.BJT的开关时间延迟时间tD——从输入脉冲正跳变开始到iC上升到0.1ICS所需要的时间。上升时间tr——iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需要的时间。存储时间ts——从输入脉冲负跳变开始到iC下降到0.9ICS所需要的时间。下降时间tf——iC从0.9ICS下降到0.1ICS所需要的时间。通常把ton=tD+tr称为开通时间，toff=ts+tf称为关闭时间。tiCtstftviVB2–VB1ICS0.9ICS0.1ICStdtr1.延迟时间tD延迟时间tD是发射结的阻挡层变窄所需要的时间。在BJT截止期间，发射结和集电结都加反向偏置，阻挡层都较宽，发射结的阻挡层是发射结内发射区（N区）一侧的正离子和基区（P区）一侧的负离子组成的（这些正、负离子称为空间电荷）。当输入电压由–VB1跳变到+VB2时，发射结加上正向电压，发射区的第一批自由电子向基区扩散进入阻挡层时，会先与发射区侧的部分正离子复合，从而使阻挡层变窄（铺路），其余的才能越过发射结进入基区，进而形成最初的集电极电流。这就是tD产生的原因。VB2的值越大，则正向基极电流越大，会使tD越短。BJT发射结电压从加反偏到正偏，发射结逐渐由宽变窄。

延迟时间tD（图12

）（T从截止到开始导通）NPNRCVCCICce+RBIBVB2+–bVBE–IEVB1+–+VCE–+–VCB2.上升时间tr此后，发射区越过发射结进入基区的自由电子，还要被基区的空穴复合一部分，并根据VB2的大小，在基区建立起自由电子一定的浓度梯度，才形成持续稳定的集电极电流iC，所需的这一段时间就是上升时间。ttviVB2–VB1iCtstfICS0.9ICS0.1ICStdtr上升时间tr（图13

）（T从开始导通到临界饱和）逐步建立起自由电子一定的（相当于0.9ICS）浓度梯度。RBRCVCCICIBVB2+–NPNcbeVBE+–IE+VCE–+–VCB3.存储时间tS（图14

）

（T从饱和到临界饱和）发射结和集电结电压从加正偏到反偏，存储电荷形成反向漂移电流而逐渐消散。RBRCVCCICIBVB1+–NPNcbeVBE+–VB2+–+VCE–+–VCB存储时间ts当集电结处于饱和状态，不仅发射结正向偏置，集电结也正向偏置，集电结收集电子的能力减弱，造成基区（超过正常浓度梯度）的超量自由电子存储，同时在集电区靠近集电结处也有一定的空穴积累，如图所示。我们把这些电荷叫做存储电荷。这样，当输入电压跳变到–VB1时，存储电荷不能立即消散，iC也就不能立即下降，而要维持一定时间，使这些存储电荷消散，这就称为存储时间ts

。显然饱和越深，ts越大。+–+–ebc4.下降时间tf存储电荷消散以后，要使管子回到截止区，还要消除基区的自由电子浓度梯度，并且使发射结和集电结的阻挡层变宽，所需要的时间就是下降时间。它对应于BJT从临界饱和经过放大区到达截止区的时间。可以用改进管子的内部构造以及在外电路采取措施来减小开通时间和关闭时间，提高BJT的开关速度。对外电路来说，可以采用减小管子的饱和深度、增大反向基极电流等方法。典型数据：NPN型硅管3DK8B，td≤10ns，tr≤80ns，tf≤100ns。4.下降时间tf（图15

）（T从临界饱和到开始截止）载流子浓度梯度逐步消失，发射结、集电结逐渐变宽。RBRCVCCICIBVB1+–NPNcbeVBE+–+VCE–+–VCB结论：1.NPN型BJT当基极电压为0.6~0.7V时处于放大状态，发射结加正向电压，集电结加反向电压，具有放大作用。2.当基极电压为0.7V左右时处于饱和状态，发射结、集电结都加正向电压，iC

ICS，VCE=VCES0，BJT相当于接通的开关。3.当基极电压小于0.5V，或者为负