晶體管的開關(guān)特性

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1、第5章晶體管的開關(guān)特性5.1二極管的開關(guān)作用和反向恢復(fù)時間5.2開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性5.3晶體管開關(guān)的動態(tài)特性5.4習(xí)題●——本章重點(diǎn)開關(guān)晶體管開關(guān)原理（靜態(tài)特性）晶體管到開關(guān)過程（延遲過程、上升過程、超量儲存電荷消失過程、下降過程）?晶體管的開關(guān)時間及減小的方法晶體管（transistor，是轉(zhuǎn)換電阻transferresistor的縮寫）是一個多重結(jié)的半導(dǎo)體器件。通常晶體管會與其他電路器件整合在一起，以獲得電壓、電流或是信號功率增益。雙極型晶體管（bipolartransistor），或稱雙極結(jié)型

2、晶體管（bipolarjunctiontransistor，BJT），是最重要的半導(dǎo)體器件之一，在高速電路、模擬電路、功率放大等方面具有廣泛的應(yīng)用。雙極型器件是一種電子與空穴皆參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件，與只由一種載流子參與傳導(dǎo)的場效應(yīng)晶體管不同。（場效應(yīng)晶體管將在第七、八兩章中進(jìn)行討論。）在放大電路中，晶體管是一個優(yōu)良的放大元件，工作在放大區(qū)域。在開關(guān)電路中，晶體管作為優(yōu)良的開關(guān)元件而被廣泛使用在計(jì)算機(jī)和自動控制領(lǐng)域中，此時晶體管工作在截止區(qū)（斷開）或飽和區(qū)（接通），從而在電路中起到開關(guān)的作用。晶體管

3、的開關(guān)特性包括兩部分，一部分是晶體管處于開態(tài)和關(guān)態(tài)時端電流電壓間的靜態(tài)特性，另一部分是在開態(tài)和關(guān)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，電流電壓隨時間變化的瞬態(tài)特性。晶體管由截止區(qū)轉(zhuǎn)換到飽和區(qū)，或由飽和區(qū)轉(zhuǎn)換到截止區(qū)，可以通過加在其輸入端的外界信號來實(shí)現(xiàn)，因此轉(zhuǎn)換速度極快，可達(dá)每秒幾十萬次到幾百萬次，甚至更高。5.1二極管的開關(guān)作用和反向恢復(fù)時間利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性，可以把二極管作開關(guān)使用。當(dāng)開關(guān)K打向A時，二極管處于正向，電流很大，相當(dāng)于接有負(fù)載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接通狀態(tài)（開態(tài)）；若把K

4、打向B，二極管處于反向，反向電流很小，相當(dāng)于外回路的開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)（關(guān)態(tài)）。在開態(tài)時，流過負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流為I1V1為外加電源電壓，VJ為二極管的正向壓降，對硅管VJ約為0.7V，鍺管VJ約為0.25V，RL為負(fù)載電阻。通常VJ遠(yuǎn)小于V1，所以上式可近似寫為在關(guān)態(tài)時，流過負(fù)載的電流就是二極管的反向電流IR。把二極管作為開關(guān)使用時，若回路處于開態(tài)，在“開關(guān)”（即二極管）上有微小壓降；當(dāng)回路處于關(guān)態(tài)時，在回路中有微小電流，這與一般的機(jī)械開關(guān)有所不同。說明二極管的反向恢復(fù)時間假設(shè)外加脈沖的波形如圖

5、5-6(a)所示，則流過二極管的電流就如圖5-6(b)所示。導(dǎo)通過程中（外電路加以正脈沖），二極管P區(qū)向N區(qū)輸運(yùn)大量空穴，N區(qū)向P區(qū)輸運(yùn)大量電子。隨著時間的延長，N區(qū)內(nèi)空穴和P區(qū)內(nèi)電子不斷增加，直到穩(wěn)態(tài)時停止。在穩(wěn)態(tài)時，流入N區(qū)的空穴正好與N區(qū)內(nèi)復(fù)合掉的空穴數(shù)目相等，流入P區(qū)的電子也正好與P區(qū)內(nèi)復(fù)合掉的電子數(shù)目相等，達(dá)到動態(tài)平衡，流過P-N結(jié)的電流為一常數(shù)I1。隨著勢壘區(qū)邊界上的空穴和電子密度的增加，P-N結(jié)上的電壓逐步上升，在穩(wěn)態(tài)即為VJ。此時，二極管就工作在導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)某一時刻在外電路上加的正脈沖

6、跳變?yōu)樨?fù)脈沖，此時，正向時積累在各區(qū)的大量少子要被反向偏置電壓拉回到原來的區(qū)域，開始時的瞬間，流過P-N結(jié)的反向電流很大，經(jīng)過一段時間后，原本積累的載流子一部分通過復(fù)合，一部分被拉回原來的區(qū)域，反向電流才恢復(fù)到正常情況下的反向漏電流值IR。正向?qū)〞r少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象稱為電荷儲存效應(yīng)。二極管的反向恢復(fù)過程就是由于電荷儲存所引起的。反向電流保持不變的這段時間就稱為儲存時間ts。在ts之后，P-N結(jié)上的電流到達(dá)反向飽和電流IR，P-N結(jié)達(dá)到平衡。定義流過P-N結(jié)的反向電流由I2下降到0.1I2時所需的時

7、間為下降時間tf。儲存時間和下降時間之和（ts+tf）稱為P-N結(jié)的關(guān)斷時間（反向恢復(fù)時間）。反向恢復(fù)時間限制了二極管的開關(guān)速度。如果脈沖持續(xù)時間比二極管反向恢復(fù)時間長得多，這時負(fù)脈沖能使二極管徹底關(guān)斷，起到良好的開關(guān)作用；如果脈沖持續(xù)時間和二極管的反向恢復(fù)時間差不多甚至更短的話，這時由于反向恢復(fù)過程的影響，負(fù)脈沖不能使二極管關(guān)斷。所以要保持良好的開關(guān)作用，脈沖持續(xù)時間不能太短，也就意味著脈沖的重復(fù)頻率不能太高，這就限制了開關(guān)的速度。5.2開關(guān)晶體管的靜態(tài)特性晶體管共射開關(guān)電路原理圖VBB偏置電壓RL

8、負(fù)載電阻當(dāng)基極回路中輸入一幅值VI遠(yuǎn)大于VBB的正脈沖信號時，基極電流立即上升到在驅(qū)動電流IB的作用下，發(fā)射結(jié)電壓降逐漸由反偏變?yōu)檎?，晶體管由截止變?yōu)閷?dǎo)通，集電極電流也將隨著發(fā)射結(jié)正向壓降的上升而增大。當(dāng)集電極電流增加到負(fù)載電阻上的壓降ICRL達(dá)到或者超過VCC-VBE時，集電結(jié)將變?yōu)榱闫?，甚至正偏，發(fā)射結(jié)上的壓降很小，C和E之間近似短路，相當(dāng)于圖中CE間的開關(guān)K閉合。因此，當(dāng)晶體管導(dǎo)通后，在集電極回路中，晶體管相當(dāng)于一個閉合開關(guān)。當(dāng)基極回路的輸入脈沖