二極管三極管的開關(guān)特性

1、第一節(jié) 二極管的開關(guān)特性一般而言 ,開關(guān)器件具有兩種工作狀態(tài) :第一種狀態(tài)被稱為接通,此時器件的阻抗很小 ,相當(dāng)于短路 ;第二種狀態(tài)是斷開 ,此時器件的阻抗很大 ,相 當(dāng)于開路。在數(shù)字系統(tǒng)中 , 晶體管基本上工作于開關(guān)狀態(tài)。 對開關(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)換問題。 晶體管的開關(guān)速度可以很快 , 可達每秒 百萬次數(shù)量級 , 即開關(guān)轉(zhuǎn)換在微秒甚至納秒級的時間內(nèi)完成。 二極管的開關(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間很短 , 一般可以忽略不計 , 因 此下面著重討論二極管從

2、正向?qū)ǖ?反向截止的轉(zhuǎn)換過程。、二極管從正向?qū)ǖ浇刂褂幸粋€反向恢復(fù)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 0t 1 時間內(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 遠大于 V D 時, V D 可略去 不計,則在 t 1 時 , 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 變到一個很大的反向電流 I R =VR /R L ,始逐漸下降 ,再經(jīng)過 t

3、t 后 ,下降到一個很小的數(shù)值這個電流維持一 段時間 t S 后才開0.1I R ,這時二極管才進人反向截止?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)過的轉(zhuǎn)換過程稱為反向恢復(fù)過程 其中 t S 稱為存儲時間 , t t 稱為 渡越時間 , t re =ts +tt 稱為反向恢復(fù)時間。由于反向恢復(fù)時間的存在 ,使二極管的開關(guān)速度受到限制。二、產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因 電荷存儲效應(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,載流子不斷擴散而存 儲的結(jié)果。當(dāng)外加正向電壓時 P區(qū)空穴向 N 區(qū)擴散,N 區(qū)電子向 P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

4、當(dāng)數(shù)量的 存儲 ,在 P區(qū)內(nèi)存儲了電子 ,而在 N 區(qū)內(nèi)存儲了空穴,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 （擴散長度 內(nèi), 一方面繼續(xù)擴散 ,一方面與電子復(fù)合消失 ,這樣就會在 L P 范圍內(nèi)存儲一定數(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 ,濃度越小。正向電流越大 ,存儲的空穴數(shù)目越多 ,濃度分布的梯度也越大。電子擴散到 P 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?qū)〞r ,非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做 電荷存儲效應(yīng) 。當(dāng)輸入電壓突然由

5、+VF 變?yōu)?-V R 時 P區(qū)存儲的電子和 N 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 ,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。在這些存儲電荷消失之前 ,PN 結(jié)仍處于正向偏置 ,即勢壘區(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)過時間 t s 后P區(qū)和N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 I R 逐漸減小到正常反向飽 和電流的數(shù)值 , 經(jīng)過時間 t t,二極管轉(zhuǎn)為截止。由上可知, 二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過程 , 實質(zhì)上由于電荷存儲 效應(yīng)引起的 , 反向恢復(fù)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(zhuǎn)為正向?qū)ㄋ璧臅r間稱為開通時間 。這個時間同反向恢復(fù)時間相比是很短的。 這是由于 PN 結(jié)在正向偏壓作用下 , 勢壘區(qū)迅速變窄 , 有利于少數(shù) 載流子的擴散 ,正向電阻很小 ,因而它在導(dǎo)通過程中及 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 ,而幾乎與二極管無關(guān)。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 V F /R L 。這就是說 ,二極管的開通時間是很短的它對開關(guān)速度的影響很小 , 可以忽略不計第二節(jié) BJT 的開關(guān)特性NPN型 BJT 的結(jié)構(gòu)如下圖所示從圖中可見 NPN 型 BJT 由兩個 N 型區(qū)和一個 P型區(qū)構(gòu)成了兩個 PN 結(jié),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。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斷 開”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 就是通常所說的三極管。一、 BJT 的開關(guān)作用BJT 的開關(guān)作用對應(yīng)于有觸點開關(guān)的上圖所示電路用來說明 BJT 開關(guān)作用 ,圖中 BJT 為 NPN型硅管。當(dāng)輸入電壓 V 1=-VB 時, 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 分別流過兩個結(jié) ,故 i B 0, i C 0, V CE 對應(yīng) 于VC上C圖 ,中 的 A 點。這時集電極回路中的 c 、 e 極之間近似于開路 ,相當(dāng)于開關(guān)斷開一樣

9、。 BJT 的這種工作狀態(tài)稱為截止。當(dāng) V 1=+VB2 時 ,調(diào)節(jié) R B ,使 I B =VCC / RC , 則 BJT 工作在上圖中的 C 點,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 ,此時集電極電流達到飽和 ,對 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 飽和時各 電極電壓的典型數(shù)據(jù)。由此可見 BJT 相當(dāng)于一個由基極電流所控制的無觸點開關(guān)。BJT 截止時相當(dāng)于開關(guān)“斷 開”而

11、 ,飽和時相當(dāng)于開關(guān)“閉 合”。NPN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(guān)時間 BJT 的開關(guān)過程和二極管一樣，也是內(nèi)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(zhuǎn)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?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 BJT 開關(guān)的瞬態(tài)過程進行定量描述 ,通常引人以下幾個參數(shù)來表征： 以 上 4 個參數(shù)稱為 BJT 的開關(guān)時間參數(shù)。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(guān)閉時間 ,它反映了 BJT