二極管三極管的開(kāi)關(guān)特性

1、第一節(jié) 二極管的開(kāi)關(guān)特性一般而言 ,開(kāi)關(guān)器件具有兩種工作狀態(tài) :第一種狀態(tài)被稱為接通,此時(shí)器件的阻抗很小 ,相當(dāng)于短路 ;第二種狀態(tài)是斷開(kāi) ,此時(shí)器件的阻抗很大 ,相 當(dāng)于開(kāi)路。在數(shù)字系統(tǒng)中 , 晶體管基本上工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 對(duì)開(kāi)關(guān)特性的研究 , 就是具體 分析晶體管在導(dǎo)通和截止之間 的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。 晶體管的開(kāi)關(guān)速度可以很快 , 可達(dá)每秒 百萬(wàn)次數(shù)量級(jí) , 即開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換在微秒甚至納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)完成。 二極管的開(kāi)關(guān)特性表 現(xiàn)在正向?qū)ㄅc反向截止這樣兩種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 二極管從反向截止 到正向 導(dǎo)通與從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂瓜啾人璧臅r(shí)間很短 , 一般可以忽略不計(jì) , 因 此下面著重討論二極管從

2、正向?qū)ǖ?反向截止的轉(zhuǎn)換過(guò)程。、二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€(gè)反向恢復(fù)過(guò)程在上圖所示的硅二極管電路中加入一個(gè)如下圖所示的輸入電壓。在 0t 1 時(shí)間內(nèi), 輸入為 +VF , 二極管導(dǎo)通 , 電路中有電流流通。設(shè) V D 為二極管正向壓降 （硅管為 0.7V 左右,當(dāng) V F 遠(yuǎn)大于 V D 時(shí), V D 可略去 不計(jì),則在 t 1 時(shí) , V 1 突然從 +VF 變?yōu)?-V R 。在理想情況下 ,二極管將立刻轉(zhuǎn)為截止 ,電路中應(yīng)只有很小的反向電流。 但實(shí)際情況是 , 二極管并不立刻截止 , 而是先由正 向的 I F 變到一個(gè)很大的反向電流 I R =VR /R L ,始逐漸下降 ,再經(jīng)過(guò) t

3、t 后 ,下降到一個(gè)很小的數(shù)值這個(gè)電流維持一 段時(shí)間 t S 后才開(kāi)0.1I R ,這時(shí)二極管才進(jìn)人反向截止?fàn)顟B(tài),如 下圖所示。通常把二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)為反向截止所經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)換過(guò)程稱為反向恢復(fù)過(guò)程 其中 t S 稱為存儲(chǔ)時(shí)間 , t t 稱為 渡越時(shí)間 , t re =ts +tt 稱為反向恢復(fù)時(shí)間。由于反向恢復(fù)時(shí)間的存在 ,使二極管的開(kāi)關(guān)速度受到限制。二、產(chǎn)生反向恢復(fù)過(guò)程的原因 電荷存儲(chǔ)效應(yīng)產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是由于二極管外加正向電壓 V F 時(shí),載流子不斷擴(kuò)散而存 儲(chǔ)的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時(shí) P區(qū)空穴向 N 區(qū)擴(kuò)散,N 區(qū)電子向 P區(qū)擴(kuò)散,這樣,不僅 使勢(shì)壘區(qū) （耗盡區(qū)變窄 ,而且使載流子有相

4、當(dāng)數(shù)量的 存儲(chǔ) ,在 P區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了電子 ,而在 N 區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)了空穴,它們都是非平衡少數(shù)載流于 ,如下圖所示空穴由 P區(qū)擴(kuò)散到 N區(qū)后, 并不是立即與 N 區(qū)中的電子復(fù)合而消失 , 而是在一 定的路程 L P （擴(kuò)散長(zhǎng)度 內(nèi), 一方面繼續(xù)擴(kuò)散 ,一方面與電子復(fù)合消失 ,這樣就會(huì)在 L P 范圍內(nèi)存儲(chǔ)一定數(shù)量的空穴 ,并建立起一定空穴濃度 分布,靠近結(jié)邊緣的濃度最大 離結(jié)越遠(yuǎn) ,濃度越小。正向電流越大 ,存儲(chǔ)的空穴數(shù)目越多 ,濃度分布的梯度也越大。電子擴(kuò)散到 P 區(qū)的情況也類似 ,下圖為二極管 中存儲(chǔ)電荷的分布。我們把正向?qū)〞r(shí) ,非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做 電荷存儲(chǔ)效應(yīng) 。當(dāng)輸入電壓突然由

5、+VF 變?yōu)?-V R 時(shí) P區(qū)存儲(chǔ)的電子和 N 區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬 上消失 ,但它們將通過(guò)下列兩個(gè) 途徑逐漸減少 : 在反向電場(chǎng)作用下 ,P區(qū)電子被拉回 N區(qū),N 區(qū)空穴被拉回 P區(qū),形成反向漂移 電流 I R ,如下圖所示 ; 與多數(shù)載流子復(fù)合。在這些存儲(chǔ)電荷消失之前 ,PN 結(jié)仍處于正向偏置 ,即勢(shì)壘區(qū)仍然很窄 ,PN結(jié)的電 阻仍很小,與 R L 相比 可以忽略,所以此時(shí)反向電流 I R =(V R +V D /RL 。 V D 表示 PN結(jié)兩端的正向壓降 ,一般 V R >>VD ,即 I R =V R /R L 。在這段期間, I R 基本上 保持不變,主要由 V R 和

6、 R L 所決定。經(jīng)過(guò)時(shí)間 t s 后P區(qū)和N區(qū)所存儲(chǔ)的電荷已顯著減小 ,勢(shì)壘區(qū)逐漸變寬 ,反向電 流 I R 逐漸減小到正常反向飽 和電流的數(shù)值 , 經(jīng)過(guò)時(shí)間 t t,二極管轉(zhuǎn)為截止。由上可知, 二極管在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過(guò)程 , 實(shí)質(zhì)上由于電荷存儲(chǔ) 效應(yīng)引起的 , 反向恢復(fù)時(shí)間 就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間 。三、二極管的開(kāi)通時(shí)間二極管從截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄋ璧臅r(shí)間稱為開(kāi)通時(shí)間 。這個(gè)時(shí)間同反向恢復(fù)時(shí)間相比是很短的。 這是由于 PN 結(jié)在正向偏壓作用下 , 勢(shì)壘區(qū)迅速變窄 , 有利于少數(shù) 載流子的擴(kuò)散 ,正向電阻很小 ,因而它在導(dǎo)通過(guò)程中及 導(dǎo)通以后 ,其正向壓降都很小 ,比輸入電

7、壓 V F 小得多, 故電路中的正向電流 I F =VR /R L ,它由外電路的參數(shù)決定 ,而幾乎與二極管無(wú)關(guān)。因此 ,只要電路在 t=0時(shí)加入 +VF 的電壓,回路的電流幾乎是立即達(dá)到 V F /R L 。這就是說(shuō) ,二極管的開(kāi)通時(shí)間是很短的它對(duì)開(kāi)關(guān)速度的影響很小 , 可以忽略不計(jì)第二節(jié) BJT 的開(kāi)關(guān)特性NPN型 BJT 的結(jié)構(gòu)如下圖所示從圖中可見(jiàn) NPN 型 BJT 由兩個(gè) N 型區(qū)和一個(gè) P型區(qū)構(gòu)成了兩個(gè) PN 結(jié),并從三 個(gè)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(hào)如下圖所示。PNP型 BJT 的結(jié)構(gòu)如下圖中的上半部所示 ,下邊為電路圖中的符號(hào)斷 開(kāi)”和 “閉 合這里的

8、BJT 英文原文是 :Bipolar Junction Transistor,意為“雙 極結(jié)晶體管”。 也 就是通常所說(shuō)的三極管。一、 BJT 的開(kāi)關(guān)作用BJT 的開(kāi)關(guān)作用對(duì)應(yīng)于有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的上圖所示電路用來(lái)說(shuō)明 BJT 開(kāi)關(guān)作用 ,圖中 BJT 為 NPN型硅管。當(dāng)輸入電壓 V 1=-VB 時(shí), BJT 的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置 (V BE <0, V BC <0,只有很小的反向漏電流I EBO 和 I CBO 分別流過(guò)兩個(gè)結(jié) ,故 i B 0, i C 0, V CE 對(duì)應(yīng) 于VC上C圖 ,中 的 A 點(diǎn)。這時(shí)集電極回路中的 c 、 e 極之間近似于開(kāi)路 ,相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)一樣

9、。 BJT 的這種工作狀態(tài)稱為截止。當(dāng) V 1=+VB2 時(shí) ,調(diào)節(jié) R B ,使 I B =VCC / RC , 則 BJT 工作在上圖中的 C 點(diǎn),集電極電流 i C 已接近于最大值 V CC / RC ,由于 i C 受到 R C 的限制,它已不 可能像放大區(qū)那樣隨著 i B 的增加而成 比例地增加了 ,此時(shí)集電極電流達(dá)到飽和 ,對(duì) 應(yīng)的基極電流稱為基極臨界飽和電流 I BS (,而集電極電流稱為集電極飽和電流 I CS (V CC / 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 I CS 不再增加, 集電極電壓 V CE =VCC -I CS R

10、 C =VCES =2.0-0.3V。 這個(gè)電壓稱為 BJT 的飽和壓降 , 它 也基本上不 隨 i B 增加而改變。由于 V CES 很小,集電極回路中的 c 、 e 極之間近似于短路 ,相 當(dāng)于開(kāi)關(guān)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(jié)偏壓為 0.7V ,因此飽和后集電結(jié)為正向偏置 ,即 BJT 飽和時(shí)集 電結(jié)和發(fā)射結(jié)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(jù)。下圖示出了 NPN型 BJT 飽和時(shí)各 電極電壓的典型數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn) BJT 相當(dāng)于一個(gè)由基極電流所控制的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。BJT 截止時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“斷 開(kāi)”而

11、 ,飽和時(shí)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)“閉 合”。NPN型 BJT 截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)的特點(diǎn)列于下表中。二、BJT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間 BJT 的開(kāi)關(guān)過(guò)程和二極管一樣，也是內(nèi)部電荷 “建立”和 “消散”的過(guò)程。因此 BJT 飽和與截止兩種狀態(tài)的相互 轉(zhuǎn)換也是需要一定的時(shí)間才 能完成的。如上圖所示電路的輸入端加入一個(gè)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?jiàn) Ic 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(duì) BJT 開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行定量描述 ,通常引人以下幾個(gè)參數(shù)來(lái)表征： 以 上 4 個(gè)參數(shù)稱為 BJT 的開(kāi)關(guān)時(shí)間參數(shù)。通常把 tontdtr 稱為開(kāi)通時(shí)間 ,它反映了 BJT 從截止到飽和所需的時(shí)間； 把 t0ff= tstf 稱為關(guān)閉時(shí)間 ,它反映了 BJT