半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性

1、半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體三極管最顯著的特點(diǎn)是具有放大能力，能夠通過基極電流iB控制其工作狀態(tài)，是一種具有放大特性的由基極電流控制的開關(guān)元件。一、 靜態(tài)特性 （一） 結(jié)構(gòu)示意圖、符號(hào)和輸入、輸出特性 1 結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)圖給出的是硅NPN半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)。半導(dǎo)體三極管是一種具有三層、兩結(jié)、三端的器件。三層分別是發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，兩結(jié)是發(fā)射結(jié)J2、集電結(jié)J1，三端是發(fā)射極e、基極b和集電極c。2 輸入特性 輸入特性指的是基極電流iB和基極-發(fā)射極間電壓uBE之間的關(guān)系曲線，也即反映函數(shù) iB=f(uBE)|uBE 的幾何圖形，見圖。與半導(dǎo)體二極管的伏安特性相似，當(dāng)uBE大于死

2、區(qū)電壓UO=0.5V時(shí)，發(fā)射結(jié)開始導(dǎo)通，當(dāng)uBE=0.7V時(shí)，即使iB在很大范圍內(nèi)變化，uBE基本維持不變。需要指出的是，半導(dǎo)體三極管發(fā)射結(jié)承受反向電壓的能力是很差的，集電極開路時(shí)發(fā)射-基極間的反向擊穿電壓U(BR)EBO，一般合金管較高，平面管尤其是高頻管只有幾伏，有的甚至不到1V。3 輸出特性 輸出特性指的是集電極電流iC和集電極-發(fā)射極間電壓uCE之間的關(guān)系曲線，也即反映函數(shù) iC=f(uCE)|iB 的幾何圖形，如圖所示。輸出特性非常清晰地反映了iB對(duì)iC的控制作用。在數(shù)字電路中，半導(dǎo)體三極管不是工作在截止區(qū)，就是工作在飽和區(qū)，而放大區(qū)僅僅是一種瞬間即逝的工作狀態(tài)。（二） 半導(dǎo)體三極管

3、的開關(guān)應(yīng)用 1 開關(guān)應(yīng)用舉例 圖給出的是一個(gè)最簡單的硅半導(dǎo)體三極管開關(guān)電路。輸入電壓為uI，其低電平UIL= -2V，高電平為UIH=3V。在圖所示電路中，不難看出，當(dāng)uI=UIL=-2V時(shí)，三極管T發(fā)射結(jié)處于反向偏置，T為截止?fàn)顟B(tài)， iB=0、iC=0、uO=VCC=12V。當(dāng)u1=U1H=3V時(shí)三極管是導(dǎo)通的，基極電流iB=1 mA臨界飽和時(shí)的基極電流IBS=0.06 mAICS是半導(dǎo)體三極管T飽和導(dǎo)通時(shí)的集電極電流，UCES是T飽和導(dǎo)通時(shí)集電極到發(fā)射極的電壓降，對(duì)于開關(guān)管，總是小于或等于0.3B，即UCES<=0.3V由估算結(jié)果知，iB遠(yuǎn)大于IBS，所以T深度飽和，則uO=UCES

4、<=0.3V人們一般把iB與IBS之比q叫做飽和深度，也即圖所示電路中，三極管的飽和深度q=16.62 靜態(tài)開關(guān)特性 通過對(duì)圖所示簡單開關(guān)電路的分析可知，半導(dǎo)體三極管具有下列靜態(tài)開關(guān)性：（1） 飽和導(dǎo)通條件及飽和時(shí)的特點(diǎn)飽和導(dǎo)通條件：三極管基極電流iB大于其臨界飽和時(shí)的數(shù)值IBS時(shí)，飽和導(dǎo)通即若 時(shí)，三極管一定飽和。飽和導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)：由輸入特性和輸出特性知道，對(duì)硅半導(dǎo)體三極管來說，飽和導(dǎo)通以后 Ube=0.7B，Uce=UCES0.3V如同閉合了的開關(guān)，其等效電路如圖（a）所示。（2） 截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)截止條件：uBE<UO=0.5V式中U0是硅管發(fā)射結(jié)的死區(qū)電壓。由硅三極管

5、的輸入特性圖知道，當(dāng)Ube<U0=0.5V時(shí)，管子基本上是截止的，因此，在數(shù)字電路的分析估算中，常把Ube<0.5V做為硅三極管截止的條件。截止時(shí)的特點(diǎn)：iB=0，iC=0如同短開的開關(guān)，其等效電路如圖（b）所示。二、 動(dòng)態(tài)特性 半導(dǎo)體三極管和二極管一樣，在開關(guān)過程中也存在電容效應(yīng)，都伴隨著相應(yīng)電荷的建立和消散過程，因此都需要一定時(shí)間。（一） 開關(guān)電路中u1和iC的波形 在圖（二） 開關(guān)時(shí)間 1 開通時(shí)間ton 當(dāng)u1由U1L=-2V跳變到U1H=3V時(shí)，三極管需要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時(shí)間td=t2-t1和上升時(shí)間tr=t3-t2之后，才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到飽和導(dǎo)通狀態(tài)。開通時(shí)間ton=td+tr2 關(guān)斷時(shí)間toff 當(dāng)u1由U1H=3V跳變到U1L=-2V時(shí)，三極管需要經(jīng)過存儲(chǔ)時(shí)間ts=t5-t4、下降時(shí)間tf=t6-t5之后，才能由飽和導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf應(yīng)當(dāng)特別說明的是，在數(shù)字電路中，半導(dǎo)體三極管飽和導(dǎo)通時(shí)，其飽和深度均較深，基區(qū)存儲(chǔ)電荷很多，因此在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其消散時(shí)間即存儲(chǔ)時(shí)間ts較長。半導(dǎo)體三極管開關(guān)時(shí)間的存在，影響了開關(guān)電路的工作速度。一般情況下，由于toff>ton，所以，減少飽和和導(dǎo)通