晶體管的開(kāi)關(guān)特性

1、3.1晶體管的開(kāi)關(guān)特性3.1.13.1.1晶體二極管開(kāi)關(guān)特性晶體二極管開(kāi)關(guān)特性3.1.23.1.2晶體三極管開(kāi)關(guān)特性晶體三極管開(kāi)關(guān)特性SRV圖3- -1- -1 理想開(kāi)關(guān)3.1.13.1.1晶體二極管開(kāi)關(guān)特性晶體二極管開(kāi)關(guān)特性理想開(kāi)關(guān)的特性：理想開(kāi)關(guān)的特性：(1) 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流i=0，這時(shí)開(kāi)關(guān)兩端點(diǎn)間呈現(xiàn)的電阻為無(wú)，這時(shí)開(kāi)關(guān)兩端點(diǎn)間呈現(xiàn)的電阻為無(wú)窮大。窮大。(2) 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，開(kāi)關(guān)兩端的電壓閉合時(shí)，開(kāi)關(guān)兩端的電壓v=0，這時(shí)開(kāi)關(guān)兩端點(diǎn)間呈現(xiàn)的電阻為零。，這時(shí)開(kāi)關(guān)兩端點(diǎn)間呈現(xiàn)的電阻為零。(3) 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S的接通或斷開(kāi)動(dòng)作瞬間完成。的接通或斷開(kāi)動(dòng)作瞬

2、間完成。(4) 上述開(kāi)關(guān)特性不受其他因素（如溫度等）的影響。上述開(kāi)關(guān)特性不受其他因素（如溫度等）的影響。二極管穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性二極管穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性當(dāng)外加正向電壓時(shí)，正當(dāng)外加正向電壓時(shí)，正向電流隨電壓的增加按指數(shù)向電流隨電壓的增加按指數(shù)規(guī)律增加。圖中規(guī)律增加。圖中Vth稱為正向稱為正向開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓或或門(mén)限電壓門(mén)限電壓，也稱，也稱為為閾值電壓閾值電壓。iDvDVthISO圖3- -1- -2 二極管伏安特性(a) 二極管電路表示二極管電路表示(b) 二極管伏安特性二極管伏安特性iDvD穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性：穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性：電路處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)電路處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開(kāi)關(guān)特性。的開(kāi)

3、關(guān)特性。二極管的伏安特性方程二極管的伏安特性方程為：為：)1e (DSD kTqvIi計(jì)。計(jì)。值很小，通?？珊雎圆恢岛苄?，通?？珊雎圆环Q為反向飽和電流，數(shù)稱為反向飽和電流，數(shù)。，則有，則有，此時(shí)，此時(shí)，由于，由于當(dāng)外加反向電壓時(shí)當(dāng)外加反向電壓時(shí)SSDD1e0DIIivkTqv iDvDOiDvDVthO圖3- -1- -2 二極管伏安特性(c) 理想理想二極管開(kāi)關(guān)特性二極管開(kāi)關(guān)特性(d) 二極管特性折線簡(jiǎn)化二極管特性折線簡(jiǎn)化當(dāng)二極管作為開(kāi)關(guān)使用當(dāng)二極管作為開(kāi)關(guān)使用時(shí)，可將其伏安特性折線化。時(shí)，可將其伏安特性折線化。當(dāng)正向偏置時(shí)，二極管導(dǎo)通，當(dāng)正向偏置時(shí)，二極管導(dǎo)通，壓降為壓降為Vth值，相當(dāng)于

4、開(kāi)關(guān)值，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；當(dāng)反向偏置時(shí)，二極閉合；當(dāng)反向偏置時(shí)，二極管截止，流過(guò)的電流為反向管截止，流過(guò)的電流為反向飽和電流，非常小，相當(dāng)于飽和電流，非常小，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。結(jié)論：結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開(kāi)關(guān)特性與理想開(kāi)關(guān)存在一在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開(kāi)關(guān)特性與理想開(kāi)關(guān)存在一定差異。主要表現(xiàn)為，正向?qū)〞r(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，但兩端定差異。主要表現(xiàn)為，正向?qū)〞r(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，但兩端仍有電位降落；反向截止時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，存在反向電流。仍有電位降落；反向截止時(shí)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，存在反向電流。此外，二極管的此外，二極管的Vth和和IS都與溫度有關(guān)。都與溫度有關(guān)。通常硅二極管的通常硅二極管的

5、Vth值取值取0.7V，鍺二極管取，鍺二極管取0.3V。二極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性二極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性電路處于瞬變狀態(tài)下晶體電路處于瞬變狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開(kāi)關(guān)特性。具體的管所呈現(xiàn)的開(kāi)關(guān)特性。具體的說(shuō)，就是晶體管在大信號(hào)作用說(shuō)，就是晶體管在大信號(hào)作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)的開(kāi)關(guān)特性。到導(dǎo)通時(shí)呈現(xiàn)的開(kāi)關(guān)特性。理想二極管作開(kāi)關(guān)時(shí)，在理想二極管作開(kāi)關(guān)時(shí)，在外加跳變電壓作用下，由導(dǎo)通外加跳變電壓作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通都是到截止或者由截止到導(dǎo)通都是在瞬間完成，沒(méi)有過(guò)渡過(guò)程。在瞬間完成，沒(méi)有過(guò)渡過(guò)程。DRvI圖3- -1- -3 理想二極管開(kāi)關(guān)特性vDiD(a

6、)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIF圖3- -1- -4 二極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性O(shè)vItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr當(dāng)當(dāng)tt1時(shí)，二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電時(shí)，二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電壓為壓為vD0.60.7V（以硅管為例），（以硅管為例），導(dǎo)通電流導(dǎo)通電流iD=IF=(VFvD)/RVF/R。當(dāng)當(dāng)t=t1時(shí)，時(shí)，vI由由VF突變?yōu)橥蛔優(yōu)閂R，由于存儲(chǔ)電荷的存在，形成漂移電由于存儲(chǔ)電荷的存在，形成漂移電流，流，iD=(vIvD)/RVR/R，使存儲(chǔ)，使存儲(chǔ)電荷不斷減少。從電荷不斷減少。從vI負(fù)跳變開(kāi)始至負(fù)跳變開(kāi)始至反向電流降到反向電流降到0.9IR所需的時(shí)間，稱

7、所需的時(shí)間，稱為為存儲(chǔ)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間ts。在這段時(shí)間內(nèi)，。在這段時(shí)間內(nèi)，PN結(jié)維持正向偏置，反向電流結(jié)維持正向偏置，反向電流IR近似近似不變。不變。存儲(chǔ)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間圖3- -1- -4 二極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性O(shè)vItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)ts時(shí)間后，反向電流使存儲(chǔ)時(shí)間后，反向電流使存儲(chǔ)電荷繼續(xù)消失，空間電荷區(qū)逐漸加電荷繼續(xù)消失，空間電荷區(qū)逐漸加寬，二極管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。寬，二極管轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。反向電流由反向電流由IR減小至反向飽和減小至反向飽和電流值，這段時(shí)間稱為電流值，這段時(shí)間稱為下降時(shí)間下降時(shí)間tf。通常以從通常以從0.9IR下降到下降到0.1I

8、R所需時(shí)間所需時(shí)間確定確定tf。trr= ts+ tf 稱為稱為反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間。反向恢復(fù)時(shí)間是影響二極管開(kāi)反向恢復(fù)時(shí)間是影響二極管開(kāi)關(guān)速度的主要原因，是二極管開(kāi)關(guān)關(guān)速度的主要原因，是二極管開(kāi)關(guān)特性的重要參數(shù)。特性的重要參數(shù)。下降時(shí)間下降時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間圖3- -1- -4 二極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性O(shè)vItOvDtOiDtVFVRt1t2t1t2IFIRtstftrrtr在在tVREF1時(shí)，二時(shí)，二極管導(dǎo)通，極管導(dǎo)通，vOvI；當(dāng)；當(dāng)vIVREF1時(shí)，時(shí)，二極管截止，二極管截止，vO=VREF1。這樣就將。這樣就將輸入波形中瞬時(shí)電位低于輸入波形中瞬時(shí)電位低于VREF1的部的部分抑

9、制掉，而將高于分抑制掉，而將高于VREF1的部分波的部分波形傳送到輸出端，實(shí)現(xiàn)了下限限幅形傳送到輸出端，實(shí)現(xiàn)了下限限幅的功能。的功能。演演 示示D1R2VREF2vI(a)vOD2R1VREF1A圖3- -1- -6 串聯(lián)雙向限幅器及其工作波形(b)OvOtVREF2VAvI串聯(lián)雙向限幅器串聯(lián)雙向限幅器（假設(shè)（假設(shè)VREF1VREF2）vI=0時(shí)，時(shí)，A點(diǎn)電位為點(diǎn)電位為T(mén)REF1121REF1REF2AVRRRVVV vIVA時(shí)，時(shí)，D1截止，截止，D2導(dǎo)通，導(dǎo)通，vOVA。實(shí)現(xiàn)下限限幅，限幅。實(shí)現(xiàn)下限限幅，限幅電平為電平為VA 。vIVREF2時(shí)，時(shí)，D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2截止，截止，vOVR

10、EF2。實(shí)現(xiàn)上限限幅，。實(shí)現(xiàn)上限限幅，限幅電平為限幅電平為VREF2。當(dāng)當(dāng)VAvIrD(rD為二極管導(dǎo)通為二極管導(dǎo)通電阻電阻)，時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)1= rDCT2(輸入輸入脈沖休止期脈沖休止期)。在在t1t2期間，在期間，在vI由由0正跳變正跳變至至Vm時(shí)，由于電容兩端電壓不能突時(shí)，由于電容兩端電壓不能突變，故變，故vO正跳變至正跳變至Vm，二極管導(dǎo)通，二極管導(dǎo)通，電容很快充電至電容很快充電至Vm，vO很快下降到很快下降到0。DR圖3- -1- -9 鉗位電路及工作波形vI(a)(b)OvItvOOvOtVmCVmVmVmVVT1T2t1t2t3t4t5t6當(dāng)當(dāng)t = t2時(shí)，時(shí)，vI由由Vm

11、負(fù)跳變至負(fù)跳變至0， vO則由則由0跳變至跳變至Vm。在。在t2t3期間，期間，二極管截止，電容通過(guò)電阻二極管截止，電容通過(guò)電阻R放電，放電，vO緩慢上升。上升值為：緩慢上升。上升值為：m2VRCTV 當(dāng)當(dāng)t = t3時(shí)，時(shí)，vI由由0正跳變至正跳變至Vm， vO從從(Vm+V)值上跳至值上跳至V。之后。之后t3t4期間二極管導(dǎo)通，期間二極管導(dǎo)通，C很快充電很快充電至至Vm，vO迅速下降至迅速下降至0V。此后電。此后電路工作情況周期性重復(fù)。路工作情況周期性重復(fù)?？梢?jiàn)，輸出波形的頂部被鉗定可見(jiàn)，輸出波形的頂部被鉗定在在0V。DR圖3- -1- -10 鉗位電平為VREF (VREF)的鉗位電路v

12、I(a)vOCVREFDRvI(b)vOCVREF若需要改變鉗位電平，可以在二極管若需要改變鉗位電平，可以在二極管D的支路中串接一個(gè)的支路中串接一個(gè)電源電源VREF。RCvIvOVCCRBT圖3- -1- -11 基本單管共射電路3.1.23.1.2晶體三極管開(kāi)關(guān)特性晶體三極管開(kāi)關(guān)特性在脈沖與數(shù)字電路中，在大幅度信號(hào)作用下，晶體管交替在脈沖與數(shù)字電路中，在大幅度信號(hào)作用下，晶體管交替工作于工作于截止區(qū)截止區(qū)與與飽和區(qū)飽和區(qū)，作為開(kāi)關(guān)元件使用。，作為開(kāi)關(guān)元件使用。三極管穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性三極管穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性如如圖圖3- -1- -11所示基本單管共射電路。所示基本單管共射電路。CCCCCEOBBIBEi

13、RVvviRvv 傳輸特性是指電路的輸出電壓與傳輸特性是指電路的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系?；締喂芄采漭斎腚妷旱暮瘮?shù)關(guān)系?；締喂芄采潆娐返膫鬏斕匦郧€大體上分為三個(gè)電路的傳輸特性曲線大體上分為三個(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。圖3- -1- -12 單管共射電路傳輸特性vI/VvO/V10500.511.5截止截止放大放大飽和飽和當(dāng)當(dāng)vIVth時(shí)，工作于截止時(shí)，工作于截止區(qū)。區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置，即向偏置，即vBvE，vBVth而小于某一數(shù)值（圖中約為而小于某一數(shù)值（圖中約為1V）時(shí)，工作于放大）時(shí)，工作于放大區(qū)。區(qū)。發(fā)射結(jié)正偏

14、，集電結(jié)反偏，即發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，即vBvE，vB1當(dāng)當(dāng)vI大于某一數(shù)值時(shí)，工作于飽和區(qū)。大于某一數(shù)值時(shí)，工作于飽和區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏，即為正偏，即vBvE，vBvC。且。且iB滿足：滿足：iBIBS=(VCCVCE(sat)/RC此時(shí)，此時(shí)，vO=VCE(sat)0； iC=(VCCVCE(sat)/RC VCC/ RC。晶體管。晶體管C、E之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。在飽和型開(kāi)關(guān)電路中，穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)在飽和型開(kāi)關(guān)電路中，穩(wěn)態(tài)時(shí)，當(dāng)vI=VIL時(shí)，晶體三極管穩(wěn)時(shí)，晶體三極管穩(wěn)定工作于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)定工作于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)vI=VIH時(shí)，晶體三極管穩(wěn)定工作于飽和

15、時(shí)，晶體三極管穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)。狀態(tài)。S=iB/IBS稱為稱為飽和系數(shù)飽和系數(shù)，S越大，飽和深度越深。越大，飽和深度越深。三極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性三極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性當(dāng)當(dāng)vI從從V跳變跳變V時(shí)，晶體時(shí)，晶體管不能立即導(dǎo)通，要經(jīng)歷一段管不能立即導(dǎo)通，要經(jīng)歷一段延延遲時(shí)間遲時(shí)間td和一個(gè)和一個(gè)上升時(shí)間上升時(shí)間tr，iC才才能接近于最大值能接近于最大值ICS。ton= td+tr稱稱為為開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間。OtVVvIOiCtOvOtontdtrtstftoff圖3- -1- -13 三極管的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性tICS0.9ICS0.1ICS開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間OtVVvIOiCtOvOtontdtrtstftoff

16、圖3- -1- -13 三極管的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性tICS0.9ICS0.1ICS關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間當(dāng)當(dāng)vI從從V跳變跳變V時(shí)，晶體時(shí)，晶體管也不能立即截止，要經(jīng)歷一段管也不能立即截止，要經(jīng)歷一段存儲(chǔ)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間ts和一個(gè)和一個(gè)下降時(shí)間下降時(shí)間tf，iC才才逐漸下降到逐漸下降到0。toff= ts+tf稱為稱為關(guān)斷關(guān)斷時(shí)間時(shí)間。(1) 晶體三極管由截止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到飽和狀態(tài)的過(guò)程。晶體三極管由截止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到飽和狀態(tài)的過(guò)程。可分為可分為發(fā)射結(jié)由反偏至正偏發(fā)射結(jié)由反偏至正偏和和集電極電流形成集電極電流形成兩個(gè)階段。兩個(gè)階段。12345x=0 x=wNPNQBSnb(x)pc(x)QCSpe(x)圖3- -1-

17、 -14 晶體三極管基區(qū)少子 濃度分布曲線發(fā)射結(jié)變?yōu)檎?，并逐漸發(fā)射結(jié)變?yōu)檎?，并逐漸形成集電極電流所需的時(shí)間，形成集電極電流所需的時(shí)間，即為即為延遲時(shí)間延遲時(shí)間td，其長(zhǎng)短取決，其長(zhǎng)短取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件。三極管結(jié)電容越小，作條件。三極管結(jié)電容越小， td越短；三極管截止時(shí)反偏越越短；三極管截止時(shí)反偏越大，大，td越長(zhǎng)；正向驅(qū)動(dòng)電流越越長(zhǎng)；正向驅(qū)動(dòng)電流越大，大，td越短。越短。發(fā)射結(jié)正偏后，集電極電發(fā)射結(jié)正偏后，集電極電流流iC不斷上升，達(dá)到不斷上升，達(dá)到0.9ICS所需所需時(shí)間即為時(shí)間即為上升時(shí)間上升時(shí)間tr。tr的大小也取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電

18、路工作條件。基區(qū)的大小也取決于晶體三極管的結(jié)構(gòu)和電路工作條件?；鶇^(qū)寬度寬度w越小，越小，tr也越??；基極驅(qū)動(dòng)電流越大，也越小；基極驅(qū)動(dòng)電流越大，tr也越短。也越短。(2) 晶體三極管由飽和狀態(tài)過(guò)渡到截止?fàn)顟B(tài)的過(guò)程。晶體三極管由飽和狀態(tài)過(guò)渡到截止?fàn)顟B(tài)的過(guò)程。可分為可分為驅(qū)散基區(qū)多余存儲(chǔ)電荷驅(qū)散基區(qū)多余存儲(chǔ)電荷及及驅(qū)散基區(qū)存儲(chǔ)電荷驅(qū)散基區(qū)存儲(chǔ)電荷兩個(gè)階兩個(gè)階段。段。三極管穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)時(shí)，基區(qū)形成有多余存儲(chǔ)電荷三極管穩(wěn)定工作于飽和狀態(tài)時(shí)，基區(qū)形成有多余存儲(chǔ)電荷的累積的累積QBS，當(dāng)，當(dāng)vI負(fù)向跳變時(shí)，負(fù)向跳變時(shí)，QBS全部消失所需時(shí)間即為全部消失所需時(shí)間即為存儲(chǔ)存儲(chǔ)時(shí)間時(shí)間ts。飽和度越深，。飽和度越深，ts越長(zhǎng)；基極反向驅(qū)動(dòng)電流越大，越長(zhǎng)；基極反向驅(qū)動(dòng)電流越大，QBS消失消失越快，越快，ts越短。越短。集電結(jié)兩邊多余存儲(chǔ)電荷集電結(jié)兩邊多余存儲(chǔ)電荷QBS