開(kāi)關(guān)特性器件原理

開(kāi)關(guān)特性器件原理第一頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用2.電荷貯存效應(yīng)3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施圖5-1二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)正電平輸入，二極管導(dǎo)通，開(kāi)態(tài)負(fù)電平輸入，二極管截止，關(guān)態(tài)與理想開(kāi)關(guān)區(qū)別：1.正向壓降；2.反向漏電流；3.開(kāi)關(guān)時(shí)間。第二頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日2§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性2.電荷貯存效應(yīng)圖5-2導(dǎo)通過(guò)程中p+-n結(jié)內(nèi)電流、電壓和少子密度的變化1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施（5-1）（5-2）（5-3）第三頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日3§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施圖5-3關(guān)斷過(guò)程中p+-n結(jié)內(nèi)電流、電壓和少子密度的變化存儲(chǔ)時(shí)間ts下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間tr=ts+tf，反向恢復(fù)時(shí)間2.電荷貯存效應(yīng)第四頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日4§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施圖5-4反向恢復(fù)過(guò)程對(duì)開(kāi)關(guān)速度的限制2.電荷貯存效應(yīng)第五頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日5§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用2.電荷貯存效應(yīng)4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施采用電荷法進(jìn)行計(jì)算。電荷法的優(yōu)點(diǎn)是概念清楚，所得公式簡(jiǎn)單而便于應(yīng)用。貯存時(shí)間ts正向時(shí)：穩(wěn)態(tài)時(shí)：反向時(shí)：第六頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日6§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用2.電荷貯存效應(yīng)4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施初始條件：解得：認(rèn)為Ir不變：1線為初始時(shí)刻，Q=Iftp虛線為x=0處切線2、3、4線平行（斜率、梯度相同）斜率為Ir/AqDp陰影區(qū)面積=Q(ts)3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算（5-12）第七頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日7§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用2.電荷貯存效應(yīng)4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施解得：上述計(jì)算利用邊界少子濃度等于零為標(biāo)志，實(shí)際上應(yīng)是非平衡少子濃度。由上式可見(jiàn)，ts與tp、Ir、If有關(guān)，分別起復(fù)合、抽取和貯存作用。實(shí)際中可用測(cè)ts的方法確定tp，是測(cè)量少子壽命的簡(jiǎn)便方法。3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算第八頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日8§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用2.電荷貯存效應(yīng)4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施下降時(shí)間tf實(shí)際下降過(guò)程中，結(jié)邊緣附近少子濃度梯度逐漸下降，反向電流不再是常數(shù)，問(wèn)題復(fù)雜。可以近似認(rèn)為Ir不變，而用（5-12）計(jì)算，即認(rèn)為整個(gè)反向過(guò)程為Ir抽取Iftp的時(shí)間，所得結(jié)果較實(shí)際的tf短。3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算第九頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日9§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用2.電荷貯存效應(yīng)3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷在IC中常將npn管的cb短路，利用eb結(jié)作為二極管，因Wp(Wb)<<Lnb，故稱之為薄基區(qū)二極管。正向工作時(shí)，p區(qū)電子線性分布。向其中注入少子的區(qū)域稱為半導(dǎo)體器件的基區(qū)。第十頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日10§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用2.電荷貯存效應(yīng)3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷(平均停留時(shí)間)第十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日11§5.1p-n結(jié)二極管的開(kāi)關(guān)特性1.p-n結(jié)二極管的兩個(gè)狀態(tài)和開(kāi)關(guān)作用2.電荷貯存效應(yīng)3.反向恢復(fù)時(shí)間的計(jì)算4.薄基區(qū)二極管中的貯存電荷5.縮短反向恢復(fù)時(shí)間的措施兩個(gè)原則：1.減少貯存電荷量2.加快貯存電荷的消失過(guò)程減小正向電流減小少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，即縮短少子壽命減薄輕摻雜區(qū)厚度縮短少子壽命增大抽取電流第十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日12§5.2晶體管的開(kāi)關(guān)作用1.晶體管的三個(gè)狀態(tài)及開(kāi)關(guān)作用2.晶體管開(kāi)關(guān)與二極管開(kāi)關(guān)比較3.開(kāi)關(guān)運(yùn)用對(duì)晶體管的基本要求4.開(kāi)關(guān)過(guò)程簡(jiǎn)介第十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日13§5.2晶體管的開(kāi)關(guān)作用1.晶體管的三個(gè)狀態(tài)及開(kāi)關(guān)作用線性區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)第十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日14試分析Vce=0時(shí)，Ic=?第十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日15飽和時(shí)，eb結(jié)正偏約0.7V，ceV，因而集電結(jié)正偏。這是進(jìn)入飽和態(tài)的重要標(biāo)志。處于飽和態(tài)的晶體管ce間壓降稱為飽和壓降，其值與飽和深度有關(guān)，取決于負(fù)載電阻上承受的電源電壓?！?.2晶體管的開(kāi)關(guān)作用飽和區(qū)特點(diǎn)：過(guò)驅(qū)動(dòng)飽和壓降（?。┘娊Y(jié)正偏由于負(fù)載電阻限制，集電極電流達(dá)到集電極飽和電流而不能繼續(xù)隨基極電流增大。實(shí)際的基極電流（驅(qū)動(dòng)電流）超過(guò)與飽和集電極電流相應(yīng)的數(shù)值。1.晶體管的三個(gè)狀態(tài)及開(kāi)關(guān)作用第十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日16§5.2晶體管的開(kāi)關(guān)作用集電極飽和電流飽和度過(guò)驅(qū)動(dòng)因子飽和壓降如果在基極交替地施加正、負(fù)脈沖(或電平)，使晶體管交替地處于飽和態(tài)和截止態(tài)，對(duì)于集電極回路而言。則是交替地處于導(dǎo)通(開(kāi))和斷開(kāi)(關(guān))狀態(tài)，因而可將其作開(kāi)關(guān)使用。1.晶體管的三個(gè)狀態(tài)及開(kāi)關(guān)作用第十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日17§5.2晶體管的開(kāi)關(guān)作用2.晶體管開(kāi)關(guān)與二極管開(kāi)關(guān)比較相似之處： (1)正向時(shí)(導(dǎo)通時(shí))管子本身有壓降。 (2)反向時(shí)(截止時(shí))存在漏電流。 (3)存在開(kāi)關(guān)時(shí)間不同之處：

(1)晶體管開(kāi)關(guān)的輸出波形與輸入波形相位差180。而二極管開(kāi)關(guān)是同相位的。前者可在集成電路中作倒相器。 (2)晶體管開(kāi)關(guān)有電流及電壓的放大作用，而二極管開(kāi)關(guān)沒(méi)有。第十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日18§5.2晶體管的開(kāi)關(guān)作用3.開(kāi)關(guān)運(yùn)用對(duì)晶體管的基本要求開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)特性好飽和壓降小，消耗功率?。徽驂航敌?，啟動(dòng)功率小；反向漏電流小。開(kāi)關(guān)時(shí)間短第十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日19§5.2晶體管的開(kāi)關(guān)作用4.開(kāi)關(guān)過(guò)程簡(jiǎn)介開(kāi)關(guān)過(guò)程延遲上升貯存下降開(kāi)關(guān)時(shí)間延遲時(shí)間td上升時(shí)間tr貯存時(shí)間ts下降時(shí)間tf開(kāi)啟時(shí)間ton關(guān)閉時(shí)間toff開(kāi)關(guān)時(shí)間第二十頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日20第二十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日21§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間1.電荷控制理論2.延遲過(guò)程和延遲時(shí)間3.上升過(guò)程和上升時(shí)間4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間5.下降過(guò)程和下降時(shí)間6.提高開(kāi)關(guān)速度的措施第二十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日22§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間1.電荷控制理論前幾章分析晶體管特性時(shí)是將晶體管看做“電流控制器件”。對(duì)于穩(wěn)態(tài)及小信號(hào)運(yùn)用情況比較容易用線性微分方程來(lái)描述晶體管的特性。在作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用時(shí)，晶體管的輸入信號(hào)幅度變化很大，且不是工作在線性區(qū)，而是在截止區(qū)與飽和區(qū)之間跳變。這時(shí)的晶體管表現(xiàn)出高度的非線性。若再采用前面的分析方法會(huì)使問(wèn)題變得很復(fù)雜。另一方面，研究晶體管的開(kāi)關(guān)特性時(shí)，著重討論的是晶體管在由開(kāi)到關(guān)及由關(guān)到開(kāi)的過(guò)程中結(jié)偏壓及內(nèi)部電荷的變化趨勢(shì)及結(jié)果，至于變化過(guò)程的每一瞬間電荷(載流子)的具體分布情況并不需要知道，因而可以用“電荷控制理論”來(lái)討論晶體管的開(kāi)關(guān)特性。第二十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日23§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間1.電荷控制理論電荷控制理論的基本思想是從少數(shù)載流子的連續(xù)性方程導(dǎo)出電荷控制分析的基本微分方程，將電流（密度）、電荷和時(shí)間聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)開(kāi)關(guān)過(guò)程中結(jié)偏壓及內(nèi)部電荷的變化趨勢(shì)及結(jié)果得出各個(gè)階段的時(shí)間。對(duì)于npn晶體管，基區(qū)電子連續(xù)性方程為（5-25）（5-26）第二十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日24§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間（5-28）根據(jù)高斯定理（5-29）（5-30）（5-31）（5-31a）1.電荷控制理論流入基區(qū)電子(-Δin)與注入基區(qū)凈電子電流Δin符號(hào)相反電中性要求：流入基區(qū)電子等于流入基區(qū)空穴第二十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日25§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間（5-31a）基區(qū)中電荷隨時(shí)間的變化率等于單位時(shí)間基極電流所提供的電荷減去在基區(qū)內(nèi)部的復(fù)合損失穩(wěn)態(tài)時(shí)，有（穩(wěn)態(tài)值，角標(biāo)大寫(xiě)）穩(wěn)態(tài)時(shí)，基極電流等于基區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合電流1.電荷控制理論第二十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日26§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間定義基極時(shí)間常數(shù)將穩(wěn)態(tài)下基區(qū)貯存的少子電荷與相應(yīng)的基極電流聯(lián)系起來(lái)。集電極時(shí)間常數(shù)發(fā)射極時(shí)間常數(shù)稱為電荷控制參數(shù)，其相互關(guān)系及數(shù)值與器件本身參數(shù)有關(guān)1.電荷控制理論第二十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日27§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間此即電荷控制分析中描寫(xiě)瞬態(tài)基極電流與瞬態(tài)基區(qū)電荷關(guān)系的基本方程。由于此方程是由穩(wěn)態(tài)方程外推所得的。因而是一個(gè)近似方程，此近似方程也只有在一定的條件下才可以使用（頻率限制）。（5-39）（5-40）計(jì)及結(jié)電容等非本征參數(shù)，完整的電荷控制方程為物理意義：基極電流所提供的電荷用于補(bǔ)充基區(qū)積累電荷的復(fù)合損失和基區(qū)電荷的積累，用于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電，補(bǔ)充超量貯存電荷的積累及其復(fù)合損失。1.電荷控制理論第二十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日28§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間2.延遲過(guò)程和延遲時(shí)間延遲過(guò)程：當(dāng)晶體管從關(guān)態(tài)向開(kāi)態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)，輸出端不能立即對(duì)輸入脈沖作出響應(yīng)，而產(chǎn)生延遲過(guò)程。定義延遲過(guò)程為從正向脈沖輸入到集電極有輸出電流的過(guò)程。eb結(jié)反偏零偏正偏（?。ヽb結(jié)反偏反偏（小）第二十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日29§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間第三十頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日30§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間在延遲過(guò)程中，基極電流IB1提供的空穴有下列用途：①給eb結(jié)充電；②給cb結(jié)充電；③在基區(qū)建立與0.1Ics相對(duì)應(yīng)的空穴積累以及④補(bǔ)充維持這一電荷積累的復(fù)合損失。

延遲過(guò)程就是基極注入電流IB1向發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充電、集電結(jié)勢(shì)壘電容充電、并在基區(qū)內(nèi)建立起某一穩(wěn)定的電荷積累的過(guò)程。2.延遲過(guò)程和延遲時(shí)間第三十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日31§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間延遲時(shí)間的計(jì)算將根據(jù)延遲過(guò)程中結(jié)電壓和電流的變化分兩個(gè)階段，分別列出電荷控制方程和求解。第一階段：基極輸入正脈沖→晶體管開(kāi)始導(dǎo)通Ic≈0第二階段：

Ic由0→0.1Ics實(shí)際的延遲過(guò)程屬于上升過(guò)程2.延遲過(guò)程和延遲時(shí)間第三十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日32§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間2.延遲過(guò)程和延遲時(shí)間第三十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日33§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間3.上升過(guò)程和上升時(shí)間上升過(guò)程：延遲過(guò)程結(jié)束，基區(qū)開(kāi)始積累電荷，并積累相應(yīng)于Ic從0(0.1Ics)到Ics(0.9Ics)的電荷（梯度）的過(guò)程。eb結(jié)反偏零偏正偏（?。ヽb結(jié)反偏反偏（?。┱ㄐ。┭舆t上升第三十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日34§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間①繼續(xù)向發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容充電；②繼續(xù)向集電結(jié)勢(shì)壘電容充電；③增加基區(qū)電荷積累；④補(bǔ)充基區(qū)電荷在積累過(guò)程的損失3.上升過(guò)程和上升時(shí)間第三十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日35§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間基區(qū)少子分布集電極電流0-----------------------0-----0.1Ics---------------0.9Ics--------發(fā)射結(jié)電壓-VBB-------------------Vjo(0.5V)----------------------0.7------------集電結(jié)電壓-(Vcc+VBB)--------(Vcc-Vjo)------------------------0V-----正偏-時(shí)間結(jié)點(diǎn)0------------------------td1-----td2(t1)-----0--------t1--------------------t2---------延遲時(shí)間延遲過(guò)程上升過(guò)程上升時(shí)間t0t1t2td1td2tr第三十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日36上升過(guò)程以Ic為標(biāo)志，故將電荷方程變換成Ic的關(guān)系計(jì)算式中采用了以下變換:第三十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日37上升過(guò)程以Ic為標(biāo)志，故將電荷方程變換成Ic的關(guān)系計(jì)算第三十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日38§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間電荷貯存效應(yīng)：上升過(guò)程結(jié)束時(shí)，集電極電流接近飽和值Ics，基極復(fù)合電流為Ics/bDC（臨界飽和基極電流），但實(shí)際基極電流大于此值，存在過(guò)驅(qū)動(dòng)電流IBX，即基極電流除補(bǔ)充基區(qū)復(fù)合損失外，多余部分引起晶體管中電荷的進(jìn)一步積累，形成超量存貯電荷，并導(dǎo)致集電結(jié)正偏，晶體管進(jìn)入飽和態(tài)。關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始時(shí)，超量存貯電荷因復(fù)合和被基極電流抽取而逐漸消失，使得集電極電流不能立即對(duì)輸入負(fù)脈沖作出響應(yīng)。第三十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日39§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間第四十頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日40§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間Jnb第四十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日41§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間貯存時(shí)間的計(jì)算即討論超量貯存電荷的消失定義貯存時(shí)間常數(shù)其中，QX為晶體管中總的超量貯存電荷。ts則是過(guò)驅(qū)動(dòng)電流IBX對(duì)基區(qū)、集電區(qū)充電以形成超量貯存電荷的充電時(shí)間常數(shù)。4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間第四十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日42§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間超量貯存電荷的消失基區(qū)電荷QB的復(fù)合電流超量貯存電荷自身復(fù)合的復(fù)合電流基極抽取電流4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間(5-60)第四十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日43§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間變換（5-60）為（5-61）初始條件解得（5-62）4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間第四十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日44§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間當(dāng)t=ts1時(shí)，超量貯存電荷完全消失QX=0，代入(5-62)得（5-63）至此，存貯過(guò)程結(jié)束，但I(xiàn)C尚未減小，即存貯時(shí)間的tS2將在下降過(guò)程中計(jì)算。4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間第四十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日45§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間貯存時(shí)間常數(shù)tS的計(jì)算eb結(jié)IF形成QBSFcb結(jié)IRn形成QBSRcb結(jié)IRp形成Q'CS基區(qū)總電荷QBS=QBSF+QBSRIBS對(duì)應(yīng)的QB晶體管中總的超量存貯電荷為QX=QBSF+QBSR+Q'CS-Qb4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間第四十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日46§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間第四十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日47§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間縮短貯存時(shí)間的途徑：縮短集電區(qū)少子壽命，既可減小Q’CS，又可加速Q(mào)’CS的消失——摻金金在硅中有兩個(gè)能級(jí)，在n型硅中，金接受電子，受主能級(jí)起主要作用。在p型硅中，金釋放電子，施主能級(jí)起主要作用。在n型硅中的受主能級(jí)對(duì)空穴的俘獲能力約比其在P型硅中施主能級(jí)對(duì)電子的俘獲能力大一倍。因此，在Si-npn管中摻金既可以有效地縮短tpc而又不至于影響tnb，從而不會(huì)影響電流放大系數(shù)。4.電荷貯存效應(yīng)和貯存時(shí)間第四十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日48§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間5.下降過(guò)程和下降時(shí)間貯存過(guò)程結(jié)束時(shí)，QX=0，QB相當(dāng)于上升過(guò)程結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。IB2繼續(xù)抽取QB、QTc及QTeIC由ICS→0.9ICS→0.1ICS為上升過(guò)程的逆過(guò)程：QB、IC、Veb、Vcb第四十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日49§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間于是，（5-75）5.下降過(guò)程和下降時(shí)間基極電流的作用在上升過(guò)程中，基極驅(qū)動(dòng)電流IB1注入空穴對(duì)CTe、CTc充電；積累Qb；補(bǔ)充Qb積累過(guò)程中的復(fù)合基極抽取電流-IB2抽走空穴使CTe、CTc放電;抽走Qb基區(qū)復(fù)合的作用在上升過(guò)程中，復(fù)合作用阻礙Qb的積累，延緩上升過(guò)程，增大tr在下降過(guò)程中，復(fù)合作用加快Qb的消失，加速下降過(guò)程，縮短tf第五十頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日50§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間代入相關(guān)各量與Ic關(guān)系（5-76）利用t=t3=0時(shí)，Ic=Ics為初始條件，解得（5-77）5.下降過(guò)程和下降時(shí)間第五十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日51§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間5.下降過(guò)程和下降時(shí)間第五十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日52§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間基區(qū)少子分布集電極電流Ics--------------------Ics----0.9Ics---------------0.1Ics--------發(fā)射結(jié)電壓0.7零偏-反偏集電結(jié)電壓正偏-------------------0V----------------0V------------------反偏-貯存時(shí)間貯存過(guò)程下降過(guò)程下降時(shí)間t3t4t5ts1ts2tf第五十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日53§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間6.提高開(kāi)關(guān)速度的措施tdtrtstf減小結(jié)面積，以減小結(jié)電容減小IB2，增大IB1減小結(jié)面積，以減小結(jié)電容減小基區(qū)寬度，更快建立梯度增加基區(qū)少子壽命，加強(qiáng)基區(qū)輸運(yùn)，減小復(fù)合增大IB1IB1不要太大，不要飽和太深減小Wc或Lpc加大IB2減小tpc摻金減小結(jié)面積，以減小結(jié)電容減小基區(qū)寬度，更快建立梯度增大IB2第五十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日54§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間綜合分析晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程，要想提高開(kāi)關(guān)速度，也就是要求eb結(jié)、cb結(jié)勢(shì)壘電容充電快，基區(qū)電荷積累快——“開(kāi)”快；飽和深度不要太深，超量存貯電荷少，并能盡快被抽走或復(fù)合——“關(guān)”快。但這些要求往往是互相矛盾的。如增大IB1，可使CTe、CTc充電快，Qb積累快，但這會(huì)增加飽和深度S，使tS增加；又如增大(-IB2)，可有效地降低tf但若通過(guò)減小Rb來(lái)實(shí)現(xiàn)，又會(huì)使IB1、tS增大；若增加(-VBB)，又會(huì)使td增加，所以四個(gè)時(shí)間不能同時(shí)縮短。其中以貯存時(shí)間tS為最長(zhǎng)，所以如何縮短tS便成了縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間的主要目標(biāo)。6.提高開(kāi)關(guān)速度的措施第五十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日55§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間6.提高開(kāi)關(guān)速度的措施其中以貯存時(shí)間tS為最長(zhǎng)第五十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日56§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間(一)開(kāi)關(guān)管的設(shè)計(jì)思想(1)Si-npn管摻金：既不影響電流增益又可有效地減小集電區(qū)少子－－空穴壽命．一方面減少導(dǎo)通時(shí)的超量存貯Q’cs，同時(shí)加速關(guān)閉時(shí)的復(fù)合。(2)采用外延結(jié)構(gòu)并：①減小外延層厚度，②降低外延層電阻率，以減小集電區(qū)少于壽命。前者從空間、后者從時(shí)間上限制Q’cs。這兩項(xiàng)措施也同時(shí)減小集電區(qū)串聯(lián)電阻rcs，從而對(duì)減小飽和壓降Vces有利。但它們都會(huì)影響集電結(jié)耐壓能力。所以在考慮采用時(shí)要注意兼顧。(3)減小結(jié)面積，以減小CTe、CTc，這可有效地縮短td、tr、tf。但結(jié)面積最小尺寸受集電極最大電流JCM及工藝水平的限制。(4)減小基區(qū)寬度，減小Qb，可使tr、tf大大降低(濃度梯度變化快)。6.提高開(kāi)關(guān)速度的措施第五十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日57§5.3晶體管的開(kāi)關(guān)過(guò)程和開(kāi)關(guān)時(shí)間(二)開(kāi)關(guān)管應(yīng)用電路選擇原則

(1)加大IB1:充電快，可縮短td、tr。同時(shí)由于IB1較大，增加了飽和深度S，對(duì)降低飽和壓降Vces有利，但同時(shí)也由于增加了超量存貯電荷量而使tS延長(zhǎng)，一般控制S＝4來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腎B1。(2)加大(-IB2)：反向抽取快，可縮短tS、tf，但要注意應(yīng)選在-VBB和Rb的允許范圍之內(nèi)。(3)非飽和運(yùn)用：晶體管工作在臨界飽和區(qū)。其中沒(méi)有超量存貯電荷Qx，則tS→0，但此時(shí)c、e之間的壓降Vce較高(接近0.7V)。是否可以非飽和運(yùn)用要視電路條件而定。(4)負(fù)載電阻的選擇；在Vcc與IB1一定時(shí)，選擇較小的RL可使晶體管不致進(jìn)入太深的飽和態(tài)，有利于縮短tS。但RL減小會(huì)使ICS增大，從而延長(zhǎng)了tr、tf，并增大了功耗?？紤]管殼電容、引線電容等寄生電容的影響，RL盡量小些。6.提高開(kāi)關(guān)速度的措施第五十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日58§5.4開(kāi)關(guān)晶體管的正向壓降和飽和壓降正向壓降、飽和壓降和開(kāi)關(guān)時(shí)間一樣，都屬于開(kāi)關(guān)晶體管的特征參數(shù)。定義：當(dāng)晶體管驅(qū)動(dòng)到飽和態(tài)時(shí)，基極—發(fā)射極間(輸入端)的電壓降稱為共發(fā)射極正向壓降，記為Vbes。此時(shí)輸出端(集電極—發(fā)射極之間)的電壓降稱為共發(fā)射極飽和壓降，記為Vces。第五十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日59§5.4開(kāi)關(guān)晶體管的正向壓降和飽和壓降1.正向壓降Vbes即發(fā)射極與基極兩極之間的電壓降。它包括：①eb結(jié)的結(jié)壓降Ve；②eb結(jié)到基極電極接觸之間的基區(qū)體電阻rb上的電壓降Ibrb；③eb結(jié)到發(fā)射極電極接觸之間的發(fā)射區(qū)體電阻res上的壓降Ieres。

一般情況下，發(fā)射區(qū)摻雜濃度很高，發(fā)射區(qū)厚度又不大，上式中第三項(xiàng)可以略去。但對(duì)于大功率管，發(fā)射區(qū)上串聯(lián)有鎮(zhèn)流電阻時(shí)就不可忽略。另外若由于光刻引線孔沒(méi)刻透或金屬電極合金化未做好時(shí)也會(huì)使電極的接觸電阻大大增加而導(dǎo)致res增大。而后者又往往是Vbes不合格的重要原因。第六十頁(yè)，共六十九頁(yè)，2022年，8月28日60§5.4開(kāi)關(guān)晶體管的正向壓降和飽和壓降1.正向壓降VbesVbes主要決定于發(fā)