微电子概论（第3版）课件2-4-6C-BJT开关作用

目录1.晶体管开关作用与开关电路2.4.6

BJT开关特性

2.晶体管开关应用的两种稳定状态

3.稳定断开、导通状态下基区少数载流子分布

4.BJT开关过程分析5.BJT开关参数6.提高开关速度的主要技术途径5.BJT开关参数从工程应用的角度考虑，以0.1ICMax和0.9ICMax为参考，定义开关时间参数。(1)对应物理过程的开关时间参数5.BJT开关参数（Delaytime）从输入端转为高电平开始到IC达到0.1ICMax所需的时间。

(a)延迟时间td（对应阶段①）(1)对应物理过程的开关时间参数5.BJT开关参数（Risingtime）IC从0.1ICMax达到0.9ICMax所需的时间。

(b)上升时间tr（对应阶段②）(1)对应物理过程的开关时间参数5.BJT开关参数

（Storagetime）从输入转为低电平开始到IC下降到0.9ICMax所需的时间。通常储存时间ts是影响晶体管开关速度最主要的因素。

(c)储存时间ts

（对应阶段④）(1)对应物理过程的开关时间参数5.BJT开关参数（Fallingtime）

IC从0.9ICMax下降到0.1ICMax所需的时间。

(d)下降时间tf

（对应阶段⑤）(1)对应物理过程的开关时间参数5.BJT开关参数(2)表征器件特性的开关时间参数

(Turn-ontime)晶体管从断开转为导通所需的时间(td+tr)称为开启时间(a)开启时间tON：5.BJT开关参数(2)表征器件特性的开关时间参数

(b)关闭时间tOFF：(Turn-offtime)晶体管从导通转为断开所需的时间(ts+tf)称为关闭时间。5.BJT开关参数(3)正向压降和饱和压降(a)正向压降VBES定义：VBES指共射极连接晶体管处于饱和状态时，输入端基极B与公共端发射极E之间的电压降。

VBES代表晶体管进入饱和导通状态需要的晶体管输入电压。

VBES与基极驱动电流IB的乘积为进入饱和导通状态需要的启动功率。5.BJT开关参数VBES计算：VBES=(VBE)J+IB×RB+IE×RE

其中(VBE)J为BE结压降RB和RE分别是基区和发射区的串联电阻。

由于基极电流IB一般较小，发射区重掺杂使RE也很小，因此VBES≈(VBE)J，约为0.7V左右

(3)正向压降和饱和压降(a)正向压降VBES5.BJT开关参数定义：VCES指共射极连接晶体管处于饱和状态时，输出端集电极C与公共端发射极E之间的电压降。理想开关在导通时开关上的压降应该为0，因此VCES大小描述了晶体管作为开关应用时与理想开关之间的差距。VCES与集电极电流IC的乘积为饱和导通状态时晶体管的功耗。(3)正向压降和饱和压降(b)饱和压降VCES5.BJT开关参数VBES计算：VCES=[(VCB)J+(VBE)J]+IC×RC+IE×RE

其中(VBE)J、(VBC)J分别是BE结和BC结的结电压。RC和RE分别是集电区和发射区的串联电阻。=[(VBE)J-(VBC)J]+IC×RC+IE×RE(3)正向压降和饱和压降(b)饱和压降VCES5.BJT开关参数VCES=[(VBE)J-(VBC)J]+IC×RC+IE×REE区重掺杂使RE很小，可忽略不计，得：VCES≈[(VBE)J-(VBC)J]+IC×RC

饱和状态，BE结和BC结均为正偏，[(VBE)J-(VBC)J]约为0.1～0.2V

因此集电区串联电阻RC的大小对VCES有很大影响。

实际生产中，VCES的大小能用于评价RC是否控制在较小的范围。(3)正向压降和饱和压降(b)饱和压降VCESVBES计算：6.提高开关速度的主要技术途径(1)减小基区宽度减小基区宽度就可以减小导通状态下基区积累的电荷，特别是减小过饱和的少子电荷总数QBX

，进而减小存储时间。6.提高开关速度的主要技术途径(2)减小少子寿命其作用是加速基区积累少子的消失过程这一要求与提高电流放大系数的要求矛盾。

因此放大用BJT与开关用BJT的加工工艺要求存在差别。

开关用BJT的工艺专门采用掺金工艺；

而放大用BJT工艺中需要采取措施防止金等重金属原子进入器件。6.提高开关速度的主要技术途径(3)减小结电容减小势垒电容充放电时间。作用：因此器件设计中应尽量减小两个结的面积AE和AC。这一要求与提高频率特性要求一致。因此，缩小器件尺寸是提高器件性能的基本途径之一。6.提高开关速度的主要技术途径(4)采用肖特基嵌位晶体管结构(a)肖特基嵌位晶体管的结构

存在大量的QBX是导致ts较长的原因。

若在晶体管BC结并联一个肖特基二极管，则可以较好地解决这个问题。

储存时间ts是影响晶体管开关速度最主要的因素。这种结构器件又称为肖特基嵌位晶体管。6.提高开关速度的主要技术途径肖特基二极管的构成与特点复习：

肖特基二极管构成：金属与轻掺杂半导体接触将成为肖特基二极管接触，而不是欧姆接触。

Al-Si肖特基二极管特点：正向导通电压只有0.3V左右

，而Si-pn结的正向导通电压约0.7V。(b)作用原理(4)采用肖特基嵌位晶体管结构6.提高开关速度的主要技术途径晶体管断开时，BC结反偏，肖特基二极管也就处于反向偏置，电流很小，对BJT不起作用。(b)作用原理(4)采用肖特基嵌位晶体管结构6.提高开关速度的主要技术途径

肖特基二极管正向导通电压只有0.3V左右，使得BJT的BC结正偏电压也就被箝位在只有0.3V左右，比硅pn结正向压降小得多；因此就减少了基区储存的过饱和电荷QBX；进而减小了储存时间tS，大幅度提高开关速度。

晶体管导通时，BC结正偏，肖特基二极管也处于正向偏置。(b)作用原理(4)采用肖特基嵌位晶体管结构6.提高开关速度的主要技术途径

金属与晶体管轻掺杂集电区NC接触为肖特基二极管，其中金属为“阳极”，半导体为“阴极”。

作为肖特基二极管阴极的半导体区域也是晶体管集电区，因此肖特基二极管阴极与晶体管集电区已自动相连。只要将作为肖特基二极管“阳极”的金属层与晶体管基极电极相连，就构成肖特基晶体管。(b)作用原理(4)采用肖特基嵌位晶体管结构6.提高开关速度的主要技术途径最小尺寸npn晶体管npn肖特基晶体管(c)版图与剖面图