BJT的开关特性课件

BJT的開關特性

晶體三極管，又稱為雙極型管（BipolarJunctionTransistor---BJT—雙極性結型晶體三極管），是由兩個互相靠得很近的PN結構成的。2.2.0BJT的工作原理根據BJT的結構可分為NPN型和PNP型，如圖示：E---EmitterB---BaseC---Collector基極集電極發射極T---Transistor晶體三極管具有三種工作模式：飽和模式（SaturationMode）放大模式（AmplifierMode）截止模式（Cut-offMode）NPN型BJT放大模式下的連接電路如圖所示，E1E2為直流電源電壓，分別通過R1R2加到發射結和集電結上，使發射結正偏、集電結反偏，稱為三極管起放大作用的外部條件。圖中電流方向均為實際電流方向。發射區的摻雜濃度遠大於基區的摻雜濃度。基區寬度很小。

集電結面積較大

三極管起放大作用的內部條件：BJT放大模式下內部載流子的傳輸過程由於發射結正偏，集電結反偏，發射區多子自由電子擴散過發射結進入基區，形成與電子運動方向相反的電流IEn。同時基區多子空穴也擴散過發射結進入發射區，形成空穴電流IEp，但由於基區的摻雜濃度很低，所以該電流基本可以忽略。由發射區擴散進入基區的自由電子，一邊向集電結方向繼續擴散，一邊與基區的多子空穴複合。由於基區很薄且摻雜濃度很低，僅有很小一部分被複合掉，絕大部分到達集電結邊界。IEnIEpIcn1Icn2IcpICB0IBIEICN+NPR1R2V1V2+

+

由於集電結加的是反向電壓，它一方面把從發射極擴散到基區並到達集電結邊界的自由電子漂移過集電結，構成集電極電流的主體Icn1。另一方面，它使基區的少子自由電子和集電區少子空穴形成漂移電流ICBO，叫做集電結反向飽和電流。其方向是從集電極流入，基極流出，它是構成集電極電流的次要部分，IEnIEpIcn1Icn2IcpICB0IBIEICN+NPR1R2V1V2+

+

由發射區進入基區的自由電子，一部分與基區的空穴複合，使基區空穴減少，於是外電源向基區補充空穴，其形成的電流與ICBO一起構成流入基極的電流IB。由上分析不難看出，在三極管中，集電極電流IC比基極的電流IB大得多。二者之比就稱為三極管的電流放大係數，用

表示。

表示基極電流對集電極電流的控制能力，一般在幾十到一百左右。三極管的共發射極連接方式如圖示。它以IB作為輸入電路中的電流，IC作為輸出電路中的電流。分別叫做基極偏置電壓和集電極偏置電壓。三極管的共發射極連接方式輸入特性曲線

定義：IB=f

(VBE)|VCE=常數

與二極體的伏安特性曲線相似：加正向電壓且超過導通電壓VBE（on）後，IB隨VBE（on）按指數率變化，小於該值時基本等於零

矽管：VBE（on）

0.7V鍺管：

VBE（on）

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

發射結正偏，集電結反偏，IC=

βIB+ICEO,IB等量增加時，各曲線近似等間隔上移，但隨VCE增加而略微上翹。位於特性曲線中部，指IB=0曲線以上的區域。由各條曲線中IC隨VCE增大而緩慢上升的部分組成。輸出特性曲線：

定義：IC=f

(VCE)|IB=常數

在共發射極連接下，IB=0時的集電極電流記為ICEO，表示基極開路（IB＝0）時，由集電極到發射極的直通電流。放大區由多條曲線組成，其中每一條都反映了IB等於一定值，IC隨VCE變化的情況。可分為三個區：截止區指IB=0曲線以下的區域。ICEO表示基極開路（IB＝0）時，集電極到發射極的直通電流。發射結、集電結均反偏，三極管工作於截止模式，IB≈0，IC≈0。放大區截止區3.飽和區位於特性曲線左側，由各條曲線中IC隨VCE增大的快速上升部分以及彎曲部分組成。發射結、集電結均正偏，三極管工作於飽和模式，IC與IB不再保持

的比例關係。而隨VCE的改變而迅速變化。VCE（sat）

0.3V，VBE（sat）

0.7V.飽和區在數字電路中，BJT工作在開關狀態。即在輸入脈衝信號的高電平期間處於飽和狀態（飽和區），在輸入脈衝信號的低電平期間處於截止狀態（截止區），而放大狀態（放大區）只是這兩種工作狀態之間的過渡狀態2.2.1.BJT的開關作用三極管是電流控制的電流源，在模擬電路中，工作在放大區。在數字電路中工作在飽和區或截止區——開關狀態。下麵以NPN矽管為例進行分析ICSIBSIB=0UCCiCuCEuOuiiBTRcRBUCC飽和區放大區截止區uCEiC0負載線三極管CE之間相當於一個開關：在饱和区“閉合”，截止区“断开”iCuCEuOui=0.3ViBTRcRBUCC飽和區截止區ICSIBSIB=0UCCuCEiC0三極管開關特性1.三極管的截止條件和等效電路當輸入信號uI=UIL=0.3V時（UBE=0.3V<0.5V）三極管截止，可靠截止條件為:UBE<0V截止時，iB、iC都很小，三個極均可看作開路iC≈0，uO=UOH=UCC輸入特性0uBE/ViB0.50.7iB=0，等效電路BCE輸出特性2.三極管的飽和條件和等效電路在模擬電路中，為了不產生失真，通常規定飽和時UCES=1V。由於三極管的輸入特性很陡，通常認為飽和時的UBES和導通時的UBE相等（矽管：0.7V，鍺管0.3V）在數字電路中，為了更接近理想開關，規定飽和時UCES=0.3V。輸入特性0uBE/ViB/μAUBES飽和區截止區ICSIBSIB=0UCCuCEiC0輸出特性UCES將三極管剛剛從放大進入飽和時的狀態稱為：臨界飽和狀態。當輸入信號uI=UIH=3.2V時iCuCEuOui=3.2ViBTRcRBUCCIB=0UCCuCEiC0輸出特性ICSIBSUCES臨界飽和集電極電流：定義飽和深度：臨界飽和基極電流：可靠飽和條件為：iB≥IBSUCESBCEUBES等效電路BJT的開關過程和二極體一樣，也是其內部電荷的建立和消散的過程，因此，其飽和和截止之間的轉換也需要一定的時間。即在輸入脈衝信號的高電平期間處於飽和狀態，在輸入脈衝信號的低電平期間處於截止狀態。設輸入脈衝信號如圖所示，其幅度在–VB1到+VB2之間變化，考慮轉換時間時，iC的波形如圖所示，已不是一個理想方波。起始部分和平頂部分都延遲了一段時間，上升沿和下降沿都變得緩慢了。通常可引入以下幾個參數來表徵：tiCtstftviVB2–VB1ICS0.9ICS0.1ICStdtr2.2.2.BJT的開關時間延遲時間tD——從輸入脈衝正跳變開始到iC上升到0.1ICS所需要的時間。上升時間tr——iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需要的時間。存儲時間ts——從輸入脈衝負跳變開始到iC下降到0.9ICS所需要的時間。下降時間tf——iC從0.9ICS下降到0.1ICS所需要的時間。通常把ton=tD+tr稱為開通時間，toff=ts+tf稱為關閉時間。tiCtstftviVB2–VB1ICS0.9ICS0.1ICStdtr1.延遲時間tD延遲時間tD是發射結的阻擋層變窄所需要的時間。在BJT截止期間，發射結和集電結都加反向偏置，阻擋層都較寬，發射結的阻擋層是發射結內發射區（N區）一側的正離子和基區（P區）一側的負離子組成的（這些正、負離子稱為空間電荷）。當輸入電壓由–VB1跳變到+VB2時，發射結加上正向電壓，發射區的第一批自由電子向基區擴散進入阻擋層時，會先與發射區側的部分正離子複合，從而使阻擋層變窄（鋪路），其餘的才能越過發射結進入基區，進而形成最初的集電極電流。這就是tD產生的原因。VB2的值越大，則正向基極電流越大，會使tD越短。BJT發射結電壓從加反偏到正偏，發射結逐漸由寬變窄。

延遲時間tD（圖12

）（T從截止到開始導通）NPNRCVCCICce+RBIBVB2+–bVBE–IEVB1+–+VCE–+–VCB2.上升時間tr此後，發射區越過發射結進入基區的自由電子，還要被基區的空穴複合一部分，並根據VB2的大小，在基區建立起自由電子一定的濃度梯度，才形成持續穩定的集電極電流iC，所需的這一段時間就是上升時間。ttviVB2–VB1iCtstfICS0.9ICS0.1ICStdtr上升時間tr（圖13

）（T從開始導通到臨界飽和）逐步建立起自由電子一定的（相當於0.9ICS）濃度梯度。RBRCVCCICIBVB2+–NPNcbeVBE+–IE+VCE–+–VCB3.存儲時間tS（圖14

）

（T從飽和到臨界飽和）發射結和集電結電壓從加正偏到反偏，存儲電荷形成反向漂移電流而逐漸消散。RBRCVCCICIBVB1+–NPNcbeVBE+–VB2+–+VCE–+–VCB存儲時間ts當集電結處於飽和狀態，不僅發射結正向偏置，集電結也正向偏置，集電結收集電子的能力減弱，造成基區（超過正常濃度梯度）的超量自由電子存儲，同時在集電區靠近集電結處也有一定的空穴積累，如圖所示。我們把這些電荷叫做存儲電荷。這樣，當輸入電壓跳變到–VB1時，存儲電荷不能立即消散，iC也就不能立即下降，而要維持一定時間，使這些存儲電荷消散，這就稱為存儲時間ts

。顯然飽和越深，ts越大。+–+–ebc4.下降時間tf存儲電荷消散以後，要使管子回到截止區，還要消除基區的自由電子濃度梯度，並且使發射結和集電結的阻擋層變寬，所需要的時間就是下降時間。它對應於BJT從臨界飽和經過放大區到達截止區的時間。可以用改進管子的內部構造以及在外電路採取措施來減小開通時間和關閉時間，提高BJT的開關速度。對外電路來說，可以採用減小管子的飽和深度、增大反向基極電流等方法。典型數據：NPN型矽管3DK8B，td≤10ns，tr≤80ns，tf≤100ns。4.下降時間tf（圖15

）（T從臨界飽和到開始截止）載流子濃度梯度逐步消失，發射結、集電結逐漸變寬。RBRCVCCICIBVB1+–NPNcbeVBE+–+VCE–+–VCB結論：1.NPN型BJT當基極電壓為0.6~0.7V時處於放大狀態，發射結加正向電壓，集電結加反向電壓，具有放大作用。2.當基極電壓為0.7V左右時處於飽和狀態，發射結、集電結都加正向電壓，iC

ICS，VCE=VCES0，BJT相當於接通的開關。3.當基極電壓小於0.5V，或者為負