二極管和三極管的開關特性

1、第一節(jié)二極管的開關特性一般而言，開關器件具有兩種工作狀態(tài)：第一種狀態(tài)被稱為接通，此時器件的阻抗很小，相當于短路；第二種狀態(tài)是斷開，此時器件的阻抗很大，相當于開路。在數字系統(tǒng)中，晶體管基本上工作于開關狀態(tài)。對開關特性的研究，就是具體分析晶體管在導通和截止之間的轉換問題。晶體管的開關速度可以很快，可達每秒百萬次數量級，即開關轉換在微秒甚至納秒級的時間內完成。二極管的開關特性表現在正向導通與反向截止這樣兩種不同狀態(tài)之間的轉換過程。二極管從反向截止到正向導通與從正向導通到反向截止相比所需的時間很短，一般可以忽略不計，因此下面著重討論二極管從正向導通到反向截止的轉換過程。 一、二極管從正向導通到截止有一

2、個反向恢復過程在上圖所示的硅二極管電路中加入一個如下圖所示的輸入電壓。在0t1時間內，輸入為+VF，二極管導通，電路中有電流流通。設VD為二極管正向壓降（硅管為0.7V左右），當VF遠大于VD時，VD可略去不計，則在t1時，V1突然從+VF變?yōu)?VR。在理想情況下 ，二極管將立刻轉為截止，電路中應只有很小的反向電流。但實際情況是，二極管并不立刻截止，而是先由正向的IF變到一個很大的反向電流IR=VRRL，這個電流維持一段時間tS后才開始逐漸下降，再經過tt后 ，下降到一個很小的數值0.1IR，這時二極管才進人反向截止狀態(tài)，如下圖所示。通常把二極管從正向導通轉為反向截止所經過的轉換過程稱為反向恢

3、復過程。其中tS稱為存儲時間，tt稱為渡越時間，tre=ts+tt稱為反向恢復時間。由于反向恢復時間的存在，使二極管的開關速度受到限制。二、產生反向恢復過程的原因電荷存儲效應產生上述現象的原因是由于二極管外加正向電壓VF時，載流子不斷擴散而存儲的結果。當外加正向電壓時區(qū)空穴向區(qū)擴散，區(qū)電子向區(qū)擴散，這樣，不僅使勢壘區(qū)（耗盡區(qū)）變窄，而且使載流子有相當數量的存儲，在區(qū)內存儲了電子，而在區(qū)內存儲了空穴，它們都是非平衡少數載流于，如下圖所示?？昭ㄓ蓞^(qū)擴散到區(qū)后，并不是立即與區(qū)中的電子復合而消失，而是在一定的路程LP（擴散長度）內，一方面繼續(xù)擴散，一方面與電子復合消失，這樣就會在LP范圍內存儲一定數量

4、的空穴，并建立起一定空穴濃度分布，靠近結邊緣的濃度最大，離結越遠，濃度越小。正向電流越大，存儲的空穴數目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴散到區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲電荷的分布。我們把正向導通時，非平衡少數載流子積累的現象叫做電荷存儲效應。當輸入電壓突然由+VF變?yōu)?VR時區(qū)存儲的電子和區(qū)存儲的空穴不會馬上消失，但它們將通過下列兩個途徑逐漸減少： 在反向電場作用下，區(qū)電子被拉回區(qū)，區(qū)空穴被拉回區(qū)，形成反向漂移電流IR，如下圖所示； 與多數載流子復合。在這些存儲電荷消失之前，結仍處于正向偏置，即勢壘區(qū)仍然很窄，結的電阻仍很小，與RL相比可以忽略，所以此時反向電流IR=（VRVD）/RL

5、。VD表示結兩端的正向壓降，一般 VR>>VD，即 IRVRRL。在這段期間，IR基本上保持不變，主要由VR和RL所決定。經過時間ts后區(qū)和區(qū)所存儲的電荷已顯著減小，勢壘區(qū)逐漸變寬，反向電流IR逐漸減小到正常反向飽和電流的數值，經過時間tt，二極管轉為截止。由上可知，二極管在開關轉換過程中出現的反向恢復過程，實質上由于電荷存儲效應引起的，反向恢復時間就是存儲電荷消失所需要的時間。三、二極管的開通時間二極管從截止轉為正向導通所需的時間稱為開通時間。這個時間同反向恢復時間相比是很短的。這是由于結在正向偏壓作用下，勢壘區(qū)迅速變窄，有利于少數載流子的擴散，正向電阻很小，因而它在導通過程中及

6、導通以后，其正向壓降都很小，比輸入電壓VF小得多，故電路中的正向電流 IF=VRRL ，它由外電路的參數決定，而幾乎與二極管無關。因此，只要電路在t=0時加入+VF的電壓，回路的電流幾乎是立即達到 VFRL。這就是說 ，二極管的開通時間是很短的，它對開關速度的影響很小，可以忽略不計。第二節(jié)BJT的開關特性型BJT的結構如下圖所示。從圖中可見型BJT由兩個型區(qū)和一個型區(qū)構成了兩個結，并從三個區(qū)分別引出了集電極、基極和發(fā)射極。在電路圖中的符號如下圖所示。型BJT的結構如下圖中的上半部所示，下邊為電路圖中的符號。這里的BJT英文原文是：Bipolar Junction Transistor，意為“雙

7、極結晶體管”。也就是通常所說的三極管。 一、BJT的開關作用BJT的開關作用對應于有觸點開關的“斷開”和“閉合”。上圖所示電路用來說明BJT開關作用，圖中BJT為型硅管。當輸入電壓V1=-VB 時，BJT的發(fā)射結和集電結均為反向偏置（VBE0，VBC0），只有很小的反向漏電流IEBO和ICBO分別流過兩個結，故iB 0，iC 0，VCE VCC，對應于上圖中的點。這時集電極回路中的c、e極之間近似于開路，相當于開關斷開一樣。BJT的這種工作狀態(tài)稱為截止。當V1=+VB2時，調節(jié)RB，使IB=VCC / RC，則BJT工作在上圖中的C點，集電極電流iC已接近于最大值VCC / RC，由于iC受到

8、RC的限制，它已不可能像放大區(qū)那樣隨著iB的增加而成比例地增加了 ，此時集電極電流達到飽和，對應的基極電流稱為基極臨界飽和電流IBS（），而集電極電流稱為集電極飽和電流ICS（VCC / RC）。此后，如果再增加基極電流，則飽和程度加深，但集電極電流基本上保持在ICS不再增加，集電極電壓VCE=VCC-ICSRC=VCES=2.0-0.3V。這個電壓稱為BJT的飽和壓降，它也基本上不隨iB增加而改變。由于VCES很小，集電極回路中的c、e極之間近似于短路，相當于開關閉合一樣。BJT的這種工作狀態(tài)稱為飽和。由于BJT飽和后管壓降均為0.3V，而發(fā)射結偏壓為0.7V，因此飽和后集電結為正向偏置，即

9、BJT飽和時集電結和發(fā)射結均處于正向偏置，這是判斷BJT工作在飽和狀態(tài)的重要依據。下圖示出了型BJT飽和時各電極電壓的典型數據。由此可見BJT相當于一個由基極電流所控制的無觸點開關。BJT截止時相當于開關“斷開”，而飽和時相當于開關“閉合”。型BJT截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)的特點列于下表中。二、BJT的開關時間BJT的開關過程和二極管一樣，也是內部電荷“建立”和“消散”的過程。因此BJT飽和與截止兩種狀態(tài)的相互轉換也是需要一定的時間才能完成的。如上圖所示電路的輸入端加入一個幅度在-VB1和+VB2之間變化的理想方波，則輸出電流Ic的波形如下圖?？梢奍c的波形已不是和輸入波形一樣的理想方波，上升和下降沿都變得緩慢了。為了對BJT開關的瞬態(tài)過程進行定量描述,通常引人以下幾個參數來表征：以上4個參數稱為BJT的開關時間參數。通常把tontdtr稱為開通時間,它反映了BJT從截止到飽和所需的時間；把 t0ff= tstf稱為關閉時間,它反映了BJT從飽和到截止所需的時