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1、第五章第五章 二极管和双极型晶体管的二极管和双极型晶体管的 开关特性开关特性1 P-N结结2 直流特性直流特性3 频率特性频率特性4 功率特性功率特性5 开关特性开关特性（6，7结型和绝结型和绝缘栅场效应晶体缘栅场效应晶体管）管）8 噪声特性噪声特性1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性5.1 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间5.3 开关晶体管的正向压降和饱和开关晶体管的正向压降和饱和压降压降本章介绍二极管和晶体管的本章介绍二极管和晶体管的开关作用开关作用、开开关过程关过程，并讨论晶体管，并讨论晶体管开关特性开关特
2、性与其基本与其基本电学参数之间的关系，从而为设计和应用电学参数之间的关系，从而为设计和应用开关管提供必要的理论根据。开关管提供必要的理论根据。 1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性1. p-n结二极管的两个状态和开关作用结二极管的两个状态和开关作用2. p-n结开关特性的基本方程结开关特性的基本方程 3.电荷贮存效应电荷贮存效应4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算图1-71 二极管的开关作用示意图 正电平输入，二极管导通，开态正电平输入，二极管导通，开态负电平输入，二极管截止，关态负电平输入，二极管截止，关态与理想开关区别：与理想开关区别：1.正向压降；正向压降；2.反向漏电
3、流；反向漏电流；3.开关时间。开关时间。1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性2. p-n结开关特性的基本方程结开关特性的基本方程1. p-n结二极管的开关作用结二极管的开关作用3.电荷贮存效应电荷贮存效应4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算由连续性方程由连续性方程22pppppDtxd( )( )(0, )dppppQtQtitt电荷控制法的基本方程电荷控制法的基本方程 在整个扩散区积分求取总电荷在整个扩散区积分求取总电荷 它表示在单位时间内，流入它表示在单位时间内，流入n区的空穴电荷量，等于单位时区的空穴电荷量，等于单位时间内间内n区积累的空穴电荷量加上复合掉的空穴电荷量。
4、区积累的空穴电荷量加上复合掉的空穴电荷量。 (1-150)pfxAqDIdxdp 0) 1ln( RfIIqkTV图1-72 p+-n结在导通过程中电流和少子浓度分布随时间的变化过程11ffLLVVVIRR1. p-n结二极管的开关作用结二极管的开关作用2. p-n结开关特性的基本方程结开关特性的基本方程4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性3.电荷贮存效应电荷贮存效应1. p-n结二极管的开关作用结二极管的开关作用2. p-n结开关特性的基本方程结开关特性的基本方程4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算1.6 p-n结二极管的开关特性结二
5、极管的开关特性3.电荷贮存效应电荷贮存效应d( )( )dppfpQtQtIt流过p-n结的电流基本基本保持不变，则由式(1-150)有 ( )1 eptpfpQtI积分，及 得 00pQt pfpQI 当当p+-n结达到稳定的开态时，结达到稳定的开态时，n区内贮存的少子电荷量正比于正向注入区内贮存的少子电荷量正比于正向注入电流和少子寿命。电流和少子寿命。 存储时间存储时间ts下降时间下降时间tf关断时间关断时间tr=ts+tf，反向恢复时间反向恢复时间图1-73 在关断过程中p+-n结内电流(a)和少子分布(b)的变化过程1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性1. p-n结二极管
6、的开关作用结二极管的开关作用2. p-n结开关特性的基本方程结开关特性的基本方程4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算3.电荷贮存效应电荷贮存效应外加电压突然反向时外加电压突然反向时反向恢复过程对开关速度的限制电荷贮存效应？电荷贮存效应？1. p-n结二极管的开关作用结二极管的开关作用2. p-n结开关特性的基本方程结开关特性的基本方程4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算3.电荷贮存效应电荷贮存效应1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性 采用采用电荷法电荷法进行计算。电荷法的优点是进行计算。电荷法的优点是概念清楚，所得公式简单而便于应用概念清楚，所得公式简单而便于应用 。贮存
7、时间贮存时间ts正向时：正向时：稳态时：稳态时：反向时：反向时：1. p-n结二极管的开关作用结二极管的开关作用2. p-n结开关特性的基本方程结开关特性的基本方程3.电荷贮存效应电荷贮存效应4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算d( )( )dppfpQtQtItpfpQId( )( )dpprpQtQtIt1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性初始条件：初始条件：解得：解得：pfpIQt , 0 prtrfpIeIItQp认为认为Ir不变：不变：1线为初始时刻，线为初始时刻，Q=Iftp虚线为虚线为x=0处切线处切线2、3、4线平行（斜率、梯度相同）线平行（斜率、梯度相同）斜
8、率为斜率为Ir/AqDp阴影区面积阴影区面积=Q(ts)（1-153）4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性图1-74 反向恢复过程中n区空穴分布变化示意图解得：解得：上述计算利用边界少子浓度等于零为边界条件。上述计算利用边界少子浓度等于零为边界条件。由上式可见，由上式可见，ts与与 p、Ir、If有关，分别起复合、抽有关，分别起复合、抽取和贮存作用。取和贮存作用。实际中可用测实际中可用测ts的方法确定的方法确定 p，是测量少子寿命的是测量少子寿命的简便方法。简便方法。)2()(ln2frrfrpsIIIIIt 4.反向恢复时间的计算反向恢复
9、时间的计算1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性下降时间下降时间tf实际下降过程中，结边缘附近少子浓度梯度逐渐下降，实际下降过程中，结边缘附近少子浓度梯度逐渐下降，反向电流不再是常数，问题复杂。反向电流不再是常数，问题复杂。可以近似认为可以近似认为Ir不变，而用（不变，而用（1-153）计算，即认为整个）计算，即认为整个反向过程为反向过程为Ir抽取抽取Iftp的时间，所得结果较实际的的时间，所得结果较实际的tf短。短。)1ln( )ln( 15310rffpfrfrprrIIItIIItQtt）条件代入式（时将4.反向恢复时间的计算反向恢复时间的计算1.6 p-n结二极管的开关特性
10、结二极管的开关特性5. 薄基区二极管中的贮存电荷薄基区二极管中的贮存电荷 在在IC中常将中常将npn管的管的cb短路，短路，利 用利 用 e b 结 作 为 二 极 管 ， 因结 作 为 二 极 管 ， 因Wp(Wb)Lnb，故称之为故称之为薄基薄基区二极管区二极管。 正向工作时，正向工作时，p区电子线性区电子线性分布。分布。向其中注入少子的区域称为半导体器件的基区。 1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性fnIDWQ22 )0(21)0(nAqWQWnAqDInf pfIQdtdQ 0(平均停留时间)图1-74 反向恢复过程中n区空穴分布变化示意图5. 薄基区二极管中的贮存电荷薄
11、基区二极管中的贮存电荷1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性6. 缩短反向恢复时间的措施缩短反向恢复时间的措施两个原则：两个原则：1.减少贮存电荷量减少贮存电荷量2.加快贮存电荷的消失过程加快贮存电荷的消失过程减小正向电流减小正向电流减小少子扩散长度，即缩短少子寿命减小少子扩散长度，即缩短少子寿命减薄轻掺杂区厚度减薄轻掺杂区厚度缩短少子寿命缩短少子寿命增大抽取电流增大抽取电流1.6 p-n结二极管的开关特性结二极管的开关特性5.1 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性1. 晶体管的开关作用晶体管的开关作用2. 开关晶体管的工作状态开关晶体管的工作状态 3. 晶体管开关与二极管开
12、关的比较晶体管开关与二极管开关的比较 4. 开关运用对晶体管的基本要求开关运用对晶体管的基本要求5. 开关过程简介开关过程简介1. 晶体管的开关作用晶体管的开关作用线性区放大区饱和区截止区cLccceIRVV直流负载线5.1 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性图5-1 晶体管开关电路原理图 试分析Vce=0时，Ic=?2. 开关晶体管的工作状态开关晶体管的工作状态5.1 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性图5-3 三种工作状态下基区和集电区的少子分布饱和时，饱和时，eb结正偏约结正偏约0.7V，ce间饱和间饱和压降约压降约0.2-0.3V，因而集电结正偏。这因而集电结正偏。这是进入
13、饱和态的重要标志。是进入饱和态的重要标志。处于饱和态的晶体管处于饱和态的晶体管ce间压降称为间压降称为饱和饱和压降压降，其值与饱和深度有关，取决于负，其值与饱和深度有关，取决于负载电阻上承受的电源电压。载电阻上承受的电源电压。饱和区特点：饱和区特点：l过驱动过驱动l饱和压降（小）饱和压降（小）l集电结也正偏集电结也正偏由于负载电阻限制，集电极电流达到由于负载电阻限制，集电极电流达到集集电极饱和电流电极饱和电流而不能继续随基极电流增而不能继续随基极电流增大。实际的基极电流（大。实际的基极电流（驱动电流驱动电流）超过）超过与饱和集电极电流相应的数值。与饱和集电极电流相应的数值。2. 开关晶体管的工
14、作状态开关晶体管的工作状态5.1 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性l集电极饱和电流集电极饱和电流l饱和度饱和度l过驱动因子过驱动因子l饱和压降饱和压降 如果如果在基极交替地施加正、负脉冲在基极交替地施加正、负脉冲( (或电平或电平) )，使晶体，使晶体管交替地处于饱和态和截止态，对于集电极回路而言。则管交替地处于饱和态和截止态，对于集电极回路而言。则是交替地处于导通是交替地处于导通( (开开) )和断开和断开( (关关) )状态，因而可将其作开状态，因而可将其作开关使用。关使用。LCCCSRVI CSbIIS 2. 开关晶体管的工作状态开关晶体管的工作状态5.1 开关晶体管的静态特性开
15、关晶体管的静态特性3. 晶体管开关与二极管开关比较晶体管开关与二极管开关比较相似之处：相似之处：(1)(1)正向时正向时( (导通时导通时) )管子本身有压降。管子本身有压降。(2)(2)反向时反向时( (截止时截止时) )存在漏电流。存在漏电流。(3)(3)存在开关时间存在开关时间不同之处：不同之处：(1)(1)晶体管开关的输出波形与输入波形相位差晶体管开关的输出波形与输入波形相位差180180。 而二极管开关是同相位的。前者可在集成电路中而二极管开关是同相位的。前者可在集成电路中 作倒相器。作倒相器。(2)(2)晶体管开关有电流及电压的放大作用，而二极管晶体管开关有电流及电压的放大作用，而
16、二极管 开关没有。开关没有。5.1 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性4. 开关运用对晶体管的基本要求开关运用对晶体管的基本要求l开态和关态特性好开态和关态特性好饱和压降小，消耗功率小；饱和压降小，消耗功率小；正向压降小，启动功率小；正向压降小，启动功率小；反向漏电流小。反向漏电流小。l开关时间短开关时间短5.1 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性5. 开关过程简介开关过程简介l开关过程开关过程延迟延迟上升上升贮存贮存下降下降l开关时间开关时间延迟时间延迟时间td d上升时间上升时间tr r贮存时间贮存时间ts s下降时间下降时间tf f开启时间开启时间ton关闭时间关闭时间tof
17、f开关时间开关时间5.1 开关晶体管的静态特性开关晶体管的静态特性5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间1. 电荷控制理论电荷控制理论2. 延迟过程和延迟时间延迟过程和延迟时间3. 上升过程和上升时间上升过程和上升时间4. 电荷贮存效应和贮存时间电荷贮存效应和贮存时间5. 下降过程和下降时间下降过程和下降时间6. 提高开关速度的措施提高开关速度的措施5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间1. 电荷控制理论电荷控制理论前几章分析晶体管特性时是将晶体管看做前几章分析晶体管特性时是将晶体管看做“电流控制器件电流控制器件”。对于。对于稳态及小信号运用情况比较
18、容易用线性微分方程来描述晶体管的特稳态及小信号运用情况比较容易用线性微分方程来描述晶体管的特性。性。在作为开关运用时，晶体管的输入信号幅度变化很大，且不是工作在作为开关运用时，晶体管的输入信号幅度变化很大，且不是工作在线性区，而是在截止区与饱和区之间跳变。这时的晶体管表现出在线性区，而是在截止区与饱和区之间跳变。这时的晶体管表现出高度的高度的非线性非线性。若再采用前面的分析方法会使问题变得很复杂。若再采用前面的分析方法会使问题变得很复杂。另一方面，研究晶体管的开关特性时，着重讨论的是晶体管在由开另一方面，研究晶体管的开关特性时，着重讨论的是晶体管在由开到关及由关到开的过程中到关及由关到开的过程
19、中结偏压及内部电荷的变化趋势及结果结偏压及内部电荷的变化趋势及结果，至，至于变化过程的每一瞬间电荷于变化过程的每一瞬间电荷( (载流子载流子) )的具体分布情况并不需要知道，的具体分布情况并不需要知道，因而可以用因而可以用“电荷控制理论电荷控制理论”来讨论晶体管的开关特性。来讨论晶体管的开关特性。5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间1. 电荷控制理论电荷控制理论电荷控制理论的基本思想是从少数载流子的连续性方程导出电荷控电荷控制理论的基本思想是从少数载流子的连续性方程导出电荷控制分析的基本微分方程，将电流（密度）、电荷和时间联系起来，通制分析的基本微分方程，将电流（密度）
20、、电荷和时间联系起来，通过开关过程中结偏压及内部电荷的变化趋势过开关过程中结偏压及内部电荷的变化趋势( (规律规律) )及结果得出各个阶及结果得出各个阶段的时间。段的时间。 对于对于npnnpn晶体管，基区电子连续性方程为晶体管，基区电子连续性方程为 （5-3）（5-4）nnnJqtn )(1nbVnbQdxdydzJtQ )(5.2 晶体管的开关过程和开关时间VsnnnidsnJdxdydzJ)(根据高斯定理（5-5）（5-6）（5-7）（5-8）1. 电荷控制理论电荷控制理论nbnbQitQ npbiii nbbbQitQ nbbbQitQdd进入基区净的电子电进入基区净的电子电流流in净
21、流入基区电子对应净流入基区电子对应的电流的电流(-in)电中性要求：流入基区电子等于流入基区空穴5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间基区中电荷随时间的变化率等于单位时间基极基区中电荷随时间的变化率等于单位时间基极电流所提供的电荷减去在基区内部的复合损失电流所提供的电荷减去在基区内部的复合损失稳态时稳态时 ，有，有 （稳态值，角标大写）（稳态值，角标大写）0ddtQbnBBQI稳态时，基极电流等于基区内的少子复合电流稳态时，基极电流等于基区内的少子复合电流1. 电荷控制理论电荷控制理论（5-8）nbbbQitQdd5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时
22、间定义定义基极时间常数基极时间常数 将稳态下基区贮存的将稳态下基区贮存的少子电荷与相应的基极电流联系起来。少子电荷与相应的基极电流联系起来。nBBBIQ集电极时间常数集电极时间常数发射极时间常数发射极时间常数CBCIQEBEIQ称为称为电荷控制参数电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关，其相互关系及数值与器件本身参数有关1. 电荷控制理论电荷控制理论5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间dtdQQibBBb（5-16）sXXTcTebBbbQdtdQdtdQdtdQdtdQQi物理意义：物理意义：基极电流所提供的电荷用于基极电流所提供的电荷用于补充基区积累电荷的
23、补充基区积累电荷的复合损失复合损失和和基区电荷的基区电荷的积累积累，用于，用于发射结和发射结和集电结集电结势垒电容充电势垒电容充电，补充超量贮存电荷的补充超量贮存电荷的积累积累及其及其复合损失复合损失。1. 电荷控制理论电荷控制理论此即电荷控制分析中描写瞬态基极电流与瞬态基区电荷关系的基本方此即电荷控制分析中描写瞬态基极电流与瞬态基区电荷关系的基本方程。由于此方程是由稳态方程外推所得的。因而是一个近似方程，此程。由于此方程是由稳态方程外推所得的。因而是一个近似方程，此近似方程也只有在一定的条件下才可以使用（频率限制）。近似方程也只有在一定的条件下才可以使用（频率限制）。 计及结电容等非本征参数
24、，完整的电荷控制方程为计及结电容等非本征参数，完整的电荷控制方程为5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间2. 延迟过程和延迟时间延迟过程和延迟时间延迟过程延迟过程：当晶体管从关态向开态转化时，输：当晶体管从关态向开态转化时，输出端不能立即对输入脉冲作出响应，而产生延出端不能立即对输入脉冲作出响应，而产生延迟过程。定义延迟过程为从正向脉冲输入到集迟过程。定义延迟过程为从正向脉冲输入到集电极电极开始有开始有输出电流的过程。输出电流的过程。eb结反偏结反偏零偏零偏正偏正偏（小）（小）cb结反偏结反偏反偏反偏（小）（小）5.2 晶体管的开关过程和开关时间图5-5 截止状态晶体管的
25、(a)结电压(b)电流传输(c)基区少子分布 图5-7 延迟过程结束时的(a)结电压和(b)基区少子分子 5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间 在延迟过程中，基极电流在延迟过程中，基极电流I IB1B1提供的空穴有下列用途：提供的空穴有下列用途：给给ebeb结充电；结充电；给给cbcb结充电；结充电；在基区建立与在基区建立与0.10.1I Icscs相对应的空穴积累以及相对应的空穴积累以及补充维持这一电荷积累的复合损失。补充维持这一电荷积累的复合损失。 延迟过程就是基极注入电流延迟过程就是基极注入电流I IB1B1向发射结势垒电容充向发射结势垒电容充电、集电结势垒电容充
26、电、并在基区内建立起某一稳定电、集电结势垒电容充电、并在基区内建立起某一稳定的电荷积累的过程。的电荷积累的过程。2. 延迟过程和延迟时间延迟过程和延迟时间5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间 延迟时间延迟时间的计算将根据延迟过程中结电压和电流的的计算将根据延迟过程中结电压和电流的变化分两个阶段，分别列出电荷控制方程和求解。变化分两个阶段，分别列出电荷控制方程和求解。第一阶段：第一阶段： 基极输入正脉冲基极输入正脉冲晶体管开始导通晶体管开始导通Ic0第二阶段：第二阶段： Ic由由00.1Ics实际的延迟过程实际的延迟过程属于上升过程属于上升过程2. 延迟过程和延迟时间延迟
27、过程和延迟时间5.2 晶体管的开关过程和开关时间dtdQdtdQiTeTcbsXXTcTebBbbQdtdQdtdQdtdQdtdQQi1000)()(1)()(djBBjccBBcctVVVVVVcbTcebTeBdVVCdVVCdtI2. 延迟过程和延迟时间24)-(5 )1 ()1()1 ()0()1 ()1()1 ()0(101110111cceenDcjCCnDcBBCCcBTcDcnDejnDeBBeBTeDedVVVVVVnICVVVVVnICVtnRTRDTRDTVCVVCVVC 31215.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间3. 上升过程和上升时间上升过
28、程和上升时间上升过程上升过程：延迟过程结束，基区开始积累电荷，：延迟过程结束，基区开始积累电荷，并积累相应于并积累相应于Ic从从0(0.1Ics)到到Ics(0.9Ics)的电荷的电荷（梯度）的过程。（梯度）的过程。eb结反偏结反偏零偏零偏正偏正偏（小）（小）cb结反偏结反偏反偏反偏（小）（小）正偏正偏正偏正偏（小）（小）延迟延迟上升上升5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间 继续向发射结势垒电容充电；继续向发射结势垒电容充电； 继续向集电结势垒电容充电；继续向集电结势垒电容充电； 增加基区电荷积累；增加基区电荷积累； 补充基区电荷在积累过程的损失补充基区电荷在积累过程的
29、损失3. 上升过程和上升时间上升过程和上升时间nbbbTcTeBQdtdQdtdQdtdQI 1图5-8 上升过程中基区少子分布5.2 晶体管的开关过程和开关时间基区少子分布集电极电流 0-0-0.1Ics-0.9Ics- 发射结电压 -VBB-Vjo(0.5V)-0.7-集电结电压 -(Vcc+VBB)- -(Vcc-Vjo)-0V-正偏-时间节点 0-td1-td2(t1)- 0-t1-t2-延迟时间延迟过程上升过程上升时间t0t1t2td1td2tr上升过程以Ic为标志，故将电荷方程变换成Ic的关系计算dtdIRCIIdtdIrCdtdIRCdtdIrCIcLTcTDccDccceDec
30、LTcceTeB)1(1 TbeeDeeTeDccnbbceDeceebDecebccbbcLTccLTccbTcTcceTeeeTeebTeTerCrCIQdtdIrCdtdIdIdVCdtdIdIdQdtdIdIdQdtdQdtdIRCdtdIRCdtdVCdtdQdtdIrCdtdIrCdtdVCdtdQ 1式中采用了以下变换:上升过程以Ic为标志，故将电荷方程变换成Ic的关系计算dtdIRCIIdtdIrCdtdIRCdtdIrCIcLTcTDccDccceDecLTcceTeB)1(1 csDcBcsDcBLTcTDcrcsDcBDcBLTcTDccsccsDcBDcBLTcTDcc
31、scLTcTDcDcBctcIIIIRCtttIIIRCtIIttIIIRCtIIttRCtItII9.01.0ln)1(9.0ln)1(9.01.0ln)1(1.0)1(exp(1)(011121122111110时，时，解得：利用初始条件：2dtLTcTBLTcTDcccRCIRCIdtdI 111)(5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间4. 电荷贮存效应和贮存时间电荷贮存效应和贮存时间电荷贮存效应电荷贮存效应：上升过程结束时，集电极电流接近：上升过程结束时，集电极电流接近（达到）饱和值（达到）饱和值Ics，基极复合电流为基极复合电流为Ics/ DC（临界饱临界饱和
32、基极电流和基极电流），但实际基极电流大于此值，存在），但实际基极电流大于此值，存在过驱过驱动电流动电流IBX，即基极电流除补充基区复合损失外，多余即基极电流除补充基区复合损失外，多余部分引起晶体管中电荷的进一步积累，形成部分引起晶体管中电荷的进一步积累，形成超量存贮超量存贮电荷电荷，并导致集电结正偏，晶体管进入饱和态。，并导致集电结正偏，晶体管进入饱和态。 关断过程开始时，超量存贮电荷因复合和被基极关断过程开始时，超量存贮电荷因复合和被基极电流抽取而电流抽取而逐渐逐渐消失，使得集电极电流不能立即对输消失，使得集电极电流不能立即对输入负脉冲作出响应。入负脉冲作出响应。5.2 晶体管的开关过程和开
33、关时间4. 电荷贮存效应和贮存时间图5-9 饱和态晶体管的载流子分布 图5-10 饱和态时的载流子流动示意图 图5-11 晶体管关断过程电路原理图 图5-12 超量存贮电荷的消失 5.2 晶体管的开关过程和开关时间4. 电荷贮存效应和贮存时间Jnb5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间贮存时间贮存时间的计算即讨论超量贮存电荷的消失的计算即讨论超量贮存电荷的消失定义贮存时间常数定义贮存时间常数BXXBXXsIQdIdQ其中，其中，QX为晶体管中总的为晶体管中总的超量贮存电荷超量贮存电荷。 s则是过驱动电流则是过驱动电流IBX对基区、集电区充电以形成超量贮存电荷的对基区、集电
34、区充电以形成超量贮存电荷的充电时间常数充电时间常数。4. 电荷贮存效应和贮存时间电荷贮存效应和贮存时间5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间sXXTcTebBbbQdtdQdtdQdtdQdtdQQi2BsXXnbBbIQdtdQQi2BsXDCCSXIQIdtdQ超量贮存电超量贮存电荷的消失荷的消失基区电荷基区电荷QB的复合电流的复合电流超量贮存电荷超量贮存电荷自身复合的复自身复合的复合电流合电流基极抽取基极抽取电流电流4. 电荷贮存效应和贮存时间电荷贮存效应和贮存时间(5-35)5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间变换（变换（5-35）为）为)
35、(2DCCSBSXXIIQdtdQ（5-36）初始条件初始条件)(103DCCSBSBXSttXIIIQ解得解得（5-37）)()(221DCCSBStBBSXIIeIIQS4. 电荷贮存效应和贮存时间电荷贮存效应和贮存时间5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间当当t=ts1时，超量贮存电荷完全消失时，超量贮存电荷完全消失QX=0，代入代入(5-37)得得（5-38） 至此，存贮过程结束，但至此，存贮过程结束，但IC尚未减小，即存贮尚未减小，即存贮时间的时间的tS2将在下降过程中计算。将在下降过程中计算。4. 电荷贮存效应和贮存时间电荷贮存效应和贮存时间)ln()ln(2
36、212211CSBDcBDcBDcsDcCSBBBssIIIIIIIIt 5.2 晶体管的开关过程和开关时间贮存时间常数S的计算eb结IF形成QBSFcb结IRn形成QBSRcb结IRp形成QCS基区总电荷QBS=QBSF+QBSRIBS对应的QB晶体管中总的超量存贮电荷为QX=QBSF+QBSR+QCS-Qb4. 电荷贮存效应和贮存时间图5-135.2 晶体管的开关过程和开关时间4. 电荷贮存效应和贮存时间BXEERpCSRnERFEsBXBCSBSRBSFsIIIIIIQQQQ 或写成或写成RRcsREREs1)1 (贮存时间常数的普遍形式: 5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关
37、过程和开关时间缩短贮存时间的途径：缩短贮存时间的途径：缩短集电区少子寿命，既可减小缩短集电区少子寿命，既可减小QCS，又可加速又可加速QCS的消的消失失掺金掺金金在硅中有两个能级，在金在硅中有两个能级，在n n型硅中，型硅中，金接受电子，受主能级起主要作金接受电子，受主能级起主要作用。在用。在p p型硅中，金释放电子，施型硅中，金释放电子，施主能级起主要作用。主能级起主要作用。在在n n型硅中的受主能级对空穴的俘型硅中的受主能级对空穴的俘获能力约比其在获能力约比其在P P型硅中施主能级型硅中施主能级对电子的俘获能力大一倍。因此，对电子的俘获能力大一倍。因此，在在Si-npnSi-npn管中掺金
38、既可以有效地管中掺金既可以有效地缩短缩短 pcpc而又不至于影响而又不至于影响 nbnb，从而从而不会影响电流放大系数。不会影响电流放大系数。4. 电荷贮存效应和贮存时间电荷贮存效应和贮存时间5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间5. 下降过程和下降时间下降过程和下降时间贮存过程贮存过程结束时，结束时，QX=0，QB相相当于上升过程结束时的状态。当于上升过程结束时的状态。IB2继续抽取继续抽取QB、QTc及及QTeIC由由ICS0.9ICS0.1ICS为上升过程的逆过程：为上升过程的逆过程：QB、IC、Veb、Vcb图5-15 下降过程基区少子的变化 5.2 晶体管的开关
39、过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间于是，于是，nbbBbTcTeQIdtdQdtdQdtdQ2)(（5-42）5. 下降过程和下降时间下降过程和下降时间n基极电流的作用基极电流的作用n在上升过程中，基极在上升过程中，基极驱动电流驱动电流IB1注入空穴注入空穴1)对对CTe、CTc充电；充电；2)积累积累Qb；3)补充补充Qb积累积累过程过程中的复合中的复合n基极抽取电流基极抽取电流-IB2抽抽走空穴走空穴1)使使CTe、CTc放电放电;2)抽走抽走Qbn基区复合的作用基区复合的作用n在上升过程中，复合作在上升过程中，复合作用阻碍用阻碍Qb的积累，延缓的积累，延缓上升过程，增大上升过程，增
40、大trn在下降过程中，复合作在下降过程中，复合作用加快用加快Qb的消失，加速的消失，加速下降过程，缩短下降过程，缩短tf5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间代入相关各量与代入相关各量与Ic关系关系（5-43）利用利用t=t3=0时，时，Ic=Ics为初始条件，解得为初始条件，解得DCBRCtCSDCBCIeIIILTcTDC 2)1(2)( （5-44）5. 下降过程和下降时间下降过程和下降时间)1()1(2LTcTBLTcTDcccRCIRCIdtdI LTcTBLTcTDcccRCIRCIdtdI1)1(15.2 晶体管的开关过程和开关时间342tttS存贮时间第二
41、段5. 下降过程和下降时间(5-45)(5-46)(5-47)5.2 晶体管的开关过程和开关时间基区少子分布集电极电流 Ics-Ics-0.9Ics-0.1Ics- 发射结电压 0.7V-0.7V-0.5-零偏-反偏集电结电压 正偏-0V-0V-反偏-贮存时间贮存过程下降过程下降时间t3t4t5ts1ts2tf5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间6. 提高开关速度的措施提高开关速度的措施tdtrtstf减小结面积，减小结面积，以减小结电以减小结电容容减小减小IB2，增增大大IB1减小结面积，减小结面积，以减小结电容以减小结电容减小基区宽度，减小基区宽度，更快建立梯度更快
42、建立梯度增加基区少子增加基区少子寿命，加强基寿命，加强基区输运，减小区输运，减小复合复合增大增大IB1IB1不要太大，不要太大，不要饱和太深不要饱和太深减小减小Wc或或Lpc加大加大IB2减小减小 pc掺金掺金减小结面积，减小结面积，以减小结电容以减小结电容减小基区宽度，减小基区宽度，更快建立梯度更快建立梯度增大增大IB25.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间 综合分析晶体管的开关过程，要想提高开关速度，也就是要求综合分析晶体管的开关过程，要想提高开关速度，也就是要求ebeb结、结、cbcb结势垒电容充电快，基区电荷积累快结势垒电容充电快，基区电荷积累快“开开”快；饱和深
43、度快；饱和深度不要太深，超量存贮电荷少，并能尽快被抽走或复合不要太深，超量存贮电荷少，并能尽快被抽走或复合“关关”快。快。但这些要求往往是互相矛盾的。如增大但这些要求往往是互相矛盾的。如增大I IB1B1，可使可使C CTeTe、C CTcTc充电快，充电快，Q Qb b积积累快，但这会增加饱和深度累快，但这会增加饱和深度S S，使使t tS S增加；又如增大增加；又如增大(-(-I IB2B2) )，可有效地可有效地降低降低t tf f但若通过减小但若通过减小R Rb b来实现，又会使来实现，又会使I IB1B1、t tS S增大；若增加增大；若增加(-(-V VBBBB) )，又又会使会使
44、t td d增加，所以四个时间不能同时缩短。增加，所以四个时间不能同时缩短。 其中以贮存时间其中以贮存时间t tS S为最长，所以如何缩短为最长，所以如何缩短t tS S便成了缩短开关时间便成了缩短开关时间的主要目标。的主要目标。 6. 提高开关速度的措施提高开关速度的措施5.2 晶体管的开关过程和开关时间6. 提高开关速度的措施其中以贮存时间其中以贮存时间tS为最长为最长5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间( (一一) )开关管的设计思想开关管的设计思想 (1) (1)Si-npnSi-npn管掺金管掺金：既不影响电流增益又可有效地减小集电区少子：既不影响电流增益又可
45、有效地减小集电区少子空穴寿命，一方面减少导通时的超量存贮空穴寿命，一方面减少导通时的超量存贮Q Qcscs，同时加速关闭时的同时加速关闭时的复合。复合。 (2) (2)采用外延结构采用外延结构并：减小外延层厚度，并：减小外延层厚度，降低外延层电阻率，以降低外延层电阻率，以减小集电区少于寿命。前者从空间、后者从时间上限制减小集电区少于寿命。前者从空间、后者从时间上限制Q Qcscs。这两项措这两项措施也同时减小集电区串联电阻施也同时减小集电区串联电阻r rcscs，从而对减小饱和压降从而对减小饱和压降V Vcesces有利。但有利。但它们都会影响集电结耐压能力。所以在考虑采用时要注意兼顾。它们都
46、会影响集电结耐压能力。所以在考虑采用时要注意兼顾。 (3) (3)减小结面积减小结面积，以减小，以减小C CTeTe、C CTcTc，这可有效地缩短这可有效地缩短t td d、t tr r、t tf f。但结但结面积最小尺寸受集电极最大电流面积最小尺寸受集电极最大电流J JCMCM及工艺水平的限制。及工艺水平的限制。 (4) (4)减小基区宽度减小基区宽度，减小，减小Q Qb b，可使可使t tr r、t tf f大大降低大大降低( (浓度梯度变化快浓度梯度变化快) )。6. 提高开关速度的措施提高开关速度的措施5.2 晶体管的开关过程和开关时间晶体管的开关过程和开关时间( (二二) )开关管
47、应用电路选择原则开关管应用电路选择原则 (1)加大加大IB1:充电快，可缩短充电快，可缩短td、tr。同时由于同时由于IB1较大，增加了饱和深较大，增加了饱和深度度S，对降低饱和压降对降低饱和压降Vces有利，但同时也由于增加了超量存贮电荷量有利，但同时也由于增加了超量存贮电荷量而使而使tS延长，一般控制延长，一般控制S4来选择适当的来选择适当的IB1。 (2)加大加大(-IB2)：反向抽取快，可缩短反向抽取快，可缩短tS、tf，但要注意应选在但要注意应选在-VBB和和Rb的允许范围之内。的允许范围之内。 (3)非饱和运用：晶体管工作在临界饱和区。其中没有超量存贮电非饱和运用：晶体管工作在临界
48、饱和区。其中没有超量存贮电荷荷Qx，则则tS0，但此时但此时c、e之间的压降之间的压降Vce较高较高(接近接近0.7V)。是否可以是否可以非饱和运用要视电路条件而定。非饱和运用要视电路条件而定。 (4)负载电阻的选择；在负载电阻的选择；在Vcc与与IB1一定时，选择较小的一定时，选择较小的RL可使晶体管可使晶体管不致进入太深的饱和态，有利于缩短不致进入太深的饱和态，有利于缩短tS。但但RL减小会使减小会使ICS增大，从而增大，从而延长了延长了tr、tf，并增大了功耗。并增大了功耗。 考虑管壳电容、引线电容等寄生电容的影响，考虑管壳电容、引线电容等寄生电容的影响，RL尽量小些。尽量小些。6. 提
49、高开关速度的措施提高开关速度的措施5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降 正向压降、饱和压降和开关正向压降、饱和压降和开关时间一样，都属于开关晶体管的时间一样，都属于开关晶体管的特征参数。特征参数。 定义：当晶体管驱动到饱和定义：当晶体管驱动到饱和态时，基极态时，基极发射极间发射极间( (输入端输入端) )的电压降称为的电压降称为共发射极正向压降共发射极正向压降，记为记为Vbes。此时输出端此时输出端(集电极集电极发射极之间发射极之间)的电压降称为的电压降称为共发射共发射极饱和压降极饱和压降，记为，记为Vces。图5-17 npn晶体管饱和态等效电路 5.3 开关
50、晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降1. 正向压降正向压降Vbes 即发射极与基极两极之间的电压降。它包括：即发射极与基极两极之间的电压降。它包括：ebeb结的结压降结的结压降Ve e；ebeb结到基极电极接触之间的基区体电阻结到基极电极接触之间的基区体电阻r rb b上的电压降上的电压降Ib brb b；ebeb结到发射极电极接触之间的发射区体电阻结到发射极电极接触之间的发射区体电阻r reses上的压降上的压降Ie ereses。 esebbebesrIrIVV 一般情况下，发射区掺杂浓度很高，发射区厚度又不大，上式一般情况下，发射区掺杂浓度很高，发射区厚度又不大，上式
51、中第三项可以略去。但对于大功率管，发射区上串联有镇流电阻时中第三项可以略去。但对于大功率管，发射区上串联有镇流电阻时就不可忽略。另外若由于光刻引线孔没刻透或金属电极合金化未做就不可忽略。另外若由于光刻引线孔没刻透或金属电极合金化未做好时也会使电极的接触电阻大大增加而导致好时也会使电极的接触电阻大大增加而导致r reses增大。而后者又往往增大。而后者又往往是是V Vbesbes不合格的重要原因。不合格的重要原因。5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降1. 正向压降正向压降VbesVbes主要决定于发射结压降主要决定于发射结压降图5-18 Vbes与Ib、Ic关系实
52、验曲线1 5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降2. 饱和压降饱和压降Vces 作为开关晶体管的输出特性，它直接影响着逻辑电路作为开关晶体管的输出特性，它直接影响着逻辑电路的输出电平和的输出电平和功耗。功耗。Vces包括四个部分：包括四个部分： eb结的结压降结的结压降Ve； cb结的结压降结的结压降Vc； 发射极串联电阻发射极串联电阻res上的压降上的压降Ieres； 集电极串联电阻集电极串联电阻rcs上的压降上的压降Icrcs。 cscesececesrIrIVVV)(5-(5-49)49)5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降
53、绝大多数晶体管的发射区体电阻绝大多数晶体管的发射区体电阻reses很小，故式很小，故式(5-(5-49)49)中第二项可以略去。第三项中中第二项可以略去。第三项中rcscs的数值强烈的数值强烈地依赖于集电区的掺杂情况，这在各类晶体管中差地依赖于集电区的掺杂情况，这在各类晶体管中差异很大。此处讨论集电区异很大。此处讨论集电区重掺杂重掺杂和集电区和集电区轻掺杂轻掺杂两两种典型情况。种典型情况。 2. 饱和压降饱和压降VcescscesececesrIrIVVV )(5-(5-49)49)5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降合金管合金管外延平面管或台面管外延平面管或台
54、面管cecesVVV2. 饱和压降饱和压降VcescscesececesrIrIVVV )(图5-21 n+pn n+晶体管的饱和特性 图5-19 集电区重掺杂晶体管的共射输出特性5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降bBeBEDFBEcesrIVVVVVbBbBDFecesrIrIVVV2. 饱和压降饱和压降Vces图5-20 覆盖二极管对饱和压降的影 5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降放大区放大区饱和区饱和区临界饱和线临界饱和线完全饱和区完全饱和区/深饱和区深饱和区部分饱和区部分饱和区/浅饱和区浅饱和区集电区掺杂浓度低，串联电
55、阻集电区掺杂浓度低，串联电阻 rCS不可忽略。其上压降和阻值的变不可忽略。其上压降和阻值的变化（集电区电导调制效应）引起两段饱和特性。化（集电区电导调制效应）引起两段饱和特性。2. 饱和压降饱和压降Vces图5-21 n+pn n+晶体管的饱和特性 5.3 开关晶体管的正向压降和饱和压降开关晶体管的正向压降和饱和压降cscesececesrIrIVVV)(5-(5-49)49)浅饱和区，集电结虽已正偏，浅饱和区，集电结虽已正偏，rCS较大，较大，Vces也较大，且主要成分为也较大，且主要成分为Icrcs，故饱和故饱和压降随压降随rcs而变化，呈电阻特性。而变化，呈电阻特性。深饱和区，深饱和区，rCS因超量存贮电荷的积累因超量存贮电荷的积累而减小，结压降差成为而减小，结压降差成为Vces的主要的主要成分，成分，故与集电区重掺杂情况相似。故与集电区重掺杂情况相似。RL2. 饱和压降饱和压降Vces
