第五章--双极型晶体管开关特性

1第五章二极管和双极型晶体管的开关特性1P-N结2直流特性3频率特性4功率特性5开关特性（6，7结型和绝缘栅场效应晶体管）8噪声特性§5.1p-n结二极管的开关特性§5.2晶体管的开关作用§5.3晶体管的开关过程和开关时间§5.4开关晶体管的正向压降和饱和压降本章介绍二极管和晶体管的开关作用、开关过程，并讨论晶体管开关特性与其基本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。2§5.1p-n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2.电荷贮存效应3.反向恢复时间的计算4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施图5-1二极管的开关状态正电平输入，二极管导通，开态负电平输入，二极管截止，关态与理想开关区别：1.正向压降；2.反向漏电流；3.开关时间。3§5.1p-n结二极管的开关特性2.电荷贮存效应图5-2导通过程中p+-n结内电流、电压和少子密度的变化1.p-n结二极管的两个状态和开关作用3.反向恢复时间的计算4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施LffRVVI1（5-1）（5-2）（5-3）pfxAqDIdxdp0)1ln(RfIIqkTV4§5.1p-n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3.反向恢复时间的计算4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施图5-3关断过程中p+-n结内电流、电压和少子密度的变化存储时间ts下降时间tf关断时间tr=ts+tf，反向恢复时间2.电荷贮存效应5§5.1p-n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3.反向恢复时间的计算4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施图5-4反向恢复过程对开关速度的限制2.电荷贮存效应电荷贮存效应？6§5.1p-n结二极管的开关特性3.反向恢复时间的计算1.p-n结二极管的两个状态和开关作用2.电荷贮存效应4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施采用电荷法进行计算。电荷法的优点是概念清楚，所得公式简单而便于应用。贮存时间tspfQIdtdQ正向时：稳态时：pfIQdtdQ0反向时：prQIdtdQ7§5.1p-n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2.电荷贮存效应4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施初始条件：解得：pfIQt,0prtrfpIeIItQp认为Ir不变：1线为初始时刻，Q=Iftp虚线为x=0处切线2、3、4线平行（斜率、梯度相同）斜率为Ir/AqDp阴影区面积=Q(ts)3.反向恢复时间的计算（5-12）8§5.1p-n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2.电荷贮存效应4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施解得：上述计算利用边界少子浓度等于零为标志，实际上应是非平衡少子浓度。由上式可见，ts与p、Ir、If有关，分别起复合、抽取和贮存作用。实际中可用测ts的方法确定p，是测量少子寿命的简便方法。])2()(ln[2frrfrpsIIIIIt3.反向恢复时间的计算9§5.1p-n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2.电荷贮存效应4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施下降时间tf实际下降过程中，结边缘附近少子浓度梯度逐渐下降，反向电流不再是常数，问题复杂。可以近似认为Ir不变，而用（5-12）计算，即认为整个反向过程为Ir抽取Iftp的时间，所得结果较实际的tf短。)1ln()ln(1250rffpfrfrprrIIItIIItQtt）条件代入式（时将3.反向恢复时间的计算10§5.1p-n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2.电荷贮存效应3.反向恢复时间的计算5.缩短反向恢复时间的措施4.薄基区二极管中的贮存电荷在IC中常将npn管的cb短路，利用eb结作为二极管，因Wp(Wb)Lnb，故称之为薄基区二极管。正向工作时，p区电子线性分布。向其中注入少子的区域称为半导体器件的基区。11fnIDWQ22)0(21)0(nAqWQWnAqDInf§5.1p-n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2.电荷贮存效应3.反向恢复时间的计算5.缩短反向恢复时间的措施pfIQdtdQ04.薄基区二极管中的贮存电荷(平均停留时间)12§5.1p-n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2.电荷贮存效应3.反向恢复时间的计算4.薄基区二极管中的贮存电荷5.缩短反向恢复时间的措施两个原则：1.减少贮存电荷量2.加快贮存电荷的消失过程减小正向电流减小少子扩散长度，即缩短少子寿命减薄轻掺杂区厚度缩短少子寿命增大抽取电流13§5.2晶体管的开关作用1.晶体管的三个状态及开关作用2.晶体管开关与二极管开关比较3.开关运用对晶体管的基本要求4.开关过程简介14§5.2晶体管的开关作用1.晶体管的三个状态及开关作用线性区放大区饱和区截止区cLccceIRVV直流负载线15试分析Vce=0时，Ic=?16饱和时，eb结正偏约0.7V，ce间饱和压降约0.2-0.3V，因而集电结正偏。这是进入饱和态的重要标志。处于饱和态的晶体管ce间压降称为饱和压降，其值与饱和深度有关，取决于负载电阻上承受的电源电压。§5.2晶体管的开关作用饱和区特点：过驱动饱和压降（小）集电结正偏由于负载电阻限制，集电极电流达到集电极饱和电流而不能继续随基极电流增大。实际的基极电流（驱动电流）超过与饱和集电极电流相应的数值。1.晶体管的三个状态及开关作用17§5.2晶体管的开关作用集电极饱和电流饱和度过驱动因子饱和压降如果在基极交替地施加正、负脉冲(或电平)，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。则是交替地处于导通(开)和断开(关)状态，因而可将其作开关使用。1.晶体管的三个状态及开关作用LCCCSRVICSbIIS18§5.2晶体管的开关作用2.晶体管开关与二极管开关比较相似之处：(1)正向时(导通时)管子本身有压降。(2)反向时(截止时)存在漏电流。(3)存在开关时间不同之处：(1)晶体管开关的输出波形与输入波形相位差180。而二极管开关是同相位的。前者可在集成电路中作倒相器。(2)晶体管开关有电流及电压的放大作用，而二极管开关没有。19§5.2晶体管的开关作用3.开关运用对晶体管的基本要求开态和关态特性好饱和压降小，消耗功率小；正向压降小，启动功率小；反向漏电流小。开关时间短20§5.2晶体管的开关作用4.开关过程简介开关过程延迟上升贮存下降开关时间延迟时间td上升时间tr贮存时间ts下降时间tf开启时间ton关闭时间toff开关时间2122§5.3晶体管的开关过程和开关时间1.电荷控制理论2.延迟过程和延迟时间3.上升过程和上升时间4.电荷贮存效应和贮存时间5.下降过程和下降时间6.提高开关速度的措施23§5.3晶体管的开关过程和开关时间1.电荷控制理论前几章分析晶体管特性时是将晶体管看做“电流控制器件”。对于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。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高度的非线性。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到关及由关到开的过程中结偏压及内部电荷的变化趋势及结果，至于变化过程的每一瞬间电荷(载流子)的具体分布情况并不需要知道，因而可以用“电荷控制理论”来讨论晶体管的开关特性。24§5.3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，通过开关过程中结偏压及内部电荷的变化趋势(规律)及结果得出各个阶段的时间。对于npn晶体管，基区电子连续性方程为（5-25）（5-26）nnnJqtn)(1nbVnbQdxdydzJtQ)(25§5.3晶体管的开关过程和开关时间VsnnnidsnJdxdydzJ)(（5-28）根据高斯定理（5-29）（5-30）（5-31）（5-31a）1.电荷控制理论nbnbQitQnpbiiinbbbQitQnbbbQidtdQ进入基区净的电子电流Δin净流入基区电子对应的电流(-Δin)电中性要求：流入基区电子等于流入基区空穴26§5.3晶体管的开关过程和开关时间（5-31a）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稳态时，有（稳态值，角标大写）0dtdQbnBBQI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nbbbQidtdQ27§5.3晶体管的开关过程和开关时间定义基极时间常数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。nBBBIQ集电极时间常数发射极时间常数CBCIQEBEIQ称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关1.电荷控制理论28§5.3晶体管的开关过程和开关时间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，此近似方程也只有在一定的条件下才可以使用（频率限制）。dtdQQibBBb（5-39）sXXTcTebBbbQdtdQdtdQdtdQdtdQQi（5-40）计及结电容等非本征参数，完整的电荷控制方程为物理意义：基极电流所提供的电荷用于补充基区积累电荷的复合损失和基区电荷的积累，用于发射结和集电结势垒电容充电，补充超量贮存电荷的积累及其复合损失。1.电荷控制理论29§5.3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：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，而产生延迟过程。定义延迟过程为从正向脉冲输入到集电极开始有输出电流的过程。eb结反偏零偏正偏（小）cb结反偏反偏（小）30§5.3晶体管的开关过程和开关时间31§5.3晶体管的开关过程和开关时间在延迟过程中，基极电流IB1提供的空穴有下列用途：①给eb结充电；②给cb结充电；③在基区建立与0.1Ics相对应的空穴积累以及④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IB1向发射结势垒电容充电、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。2.延迟过程和延迟时间32§5.3晶体管的开关过程和开关时间延迟时间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。第一阶段：基极输入正脉冲→晶体管开始导通Ic≈0第二阶段：Ic由0→0.1Ics实际的延迟过程属于上升过程2.延迟过程和延迟时间33§5.3晶体管的开关过程和开关时间dtdQdtdQiTeTcbsXXTcTebBbbQdtdQdtdQdtdQdtdQQi1000)()(1)()(djBBjccBBcctVVVVVVcbTcebTeBdVVCdVVCdtI2.延迟过程和延迟时间47)-(5])1()1[()1()0(])1()1[()1()0(101110111cceenDcjCCnDcBBCCcBTcDcnDejnDeBBeBTeDedVVVVVVnICVVVVVnICVtnRTRDTRDTVCVVCVVC312134§5.3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程：延迟过程结束，基区开始积累电荷，并积累相应于Ic从0(0.1Ics