课件：第三章晶体管的开关特性与击穿电压解析.ppt

半导体器件物理,晶体管的开关特性 晶体管的击穿特性,3.10、3.11、3.12,一 开关波形和开关时间的定义,1理想晶体管的开关波形,晶体管开关电路,理想晶体管的输入和输出脉冲波形,当输入端为脉冲波形时，在理想的情况下，输出波形和输入波形完全相仿，只是被放大和倒相。,饱和压降,2实际晶体管的开关波形与开关时间,输入电压波形,基极电流波形,集电极电流波形,输出电压波形, 延迟时间, 上升时间, 贮存时间, 下降时间,0.1 ICS,0.9 ICS,晶体管的开关时间：,1、开启时间,2、关闭时间,0.9 ICS,开启时间和关闭时间大致在几纳秒到几十微秒范围内。,1、当输入负脉冲的持续时间及其周期比开关时间大得多时，晶体管能很好地起开关作用,开关时间对脉冲波形的影响,2、当输入负脉冲(关断晶体管)的持续时间及其周期和开关时间相近，甚至比开关时间更小时，那么在晶体管关断过程中(下降过程)，输出电压尚未上升到高电平(晶体管还没有彻底关断)时，第二个高电平脉冲就来了晶体管又开始导通了，晶体管就失去了开关作用。,由于晶体管的开关速度的限制，输入脉冲的宽度不能太窄，频率不能太高。,二 开关过程和影响开关时间的因素,1延迟过程和延迟时间 td,发射结保持负偏压或零偏压的状态,发射结的偏压变正，有电子入注入到基区,发射结正向电压上升到0.5V，正向电流很小,集电极电流接近1/10ICS,开启之前，处于截止态，发射结和集电结反偏。,这一段时间就是延迟时间 td,2上升过程和上升时间 tr,发射结偏压继续上升，从0.5V变到0.7V左右,注入到基区的电子增多，电子的浓度梯度增大，集电极电流增大 0.9 ICS,集电结的负偏压逐渐减小，一直减小到零偏压附近。,当 IC = ICS 晶体管进入临界饱和区,上升过程，基极电流作用： 增加基区电荷积累，增大基区少子分布梯度使集电极电流上升； 继续对发射结集电结势垒电容充电，使结的压降继续上升结压降上升又使基区电荷积累增加，如此循环使集电极电流不断增加； 补充基区中因复合而损失的空穴。,浓度梯度不再变化,3贮存电荷和贮存时间 ts,处于过驱动状态，基极驱动电流很大,超量存储电荷空穴 Qb,保持电中性，基区中也要有等量的电子电荷积累Qb,集电结处于正偏，集电区将向基区注入电子,真正进入了饱和区，达到稳定状态,集电结正偏,集电结零偏,超量存储电荷,空穴积累,进入深饱和区,基区注入空穴与复合减少的空穴相等时，基区积累电荷不再变化,超量存储电荷,基区也将向集电区注入空穴,基极电压突然变负，在基极产生了抽取电流,抽取贮存电荷Qb Qc的作用,（全部抽走以前，基区中的电子浓度梯度不会减小）,贮存电荷被全部抽走贮存时间,（还应加上从 ICS 下降到0.9 ICS 所需的时间，才是贮存时间）,4下降过程和下降时间 tf,基区中还存在积累电荷 Qb,IB 继续从基区中抽取空穴，并且基区中积累的电子和空穴不断地复合,电子和空穴的浓度梯度减小,集电极电流就从 ICS 开始下降至 0.1 ICS,电子浓度变化趋势,积累电荷消失,电子和空穴复合对上升和下降过程的作用不同。,？,二 晶体管的反向击穿电压,1 集电极基极反向击穿电压（发射极开路）：BVCBO,当反向电流得到规定的反向电流时所对应的电压即为BVCBO。软击穿时BVCBO比雪崩击穿电压VB低；硬击穿特性情况， BVCBO由VB决定。,软击穿,硬击穿,（共基极连接）即：集电极基极之间容许的最高反向偏压,BVCBO,VB,VCB,对于共基极电路，其雪崩倍增因子为：,在BVCB0处，IC突然增加，集电极电流与发射极电流的关系为：,1、软击穿（电压击穿）是可恢复的击穿，硬击穿（电流击穿）是不可恢复的击穿。无论是软击穿还是硬击穿都是在瞬间形成的，一般很难测量，击穿的过程是先软击穿再硬击穿，在软击穿（电压击穿）的一瞬间反向电阻值减小，在高反压情况下电流会急剧增加导致硬性击穿（电流击穿），它是个连锁反应。所以我们一般看到的击穿一般都是硬性击穿。 2、测量方法是用高电压大内阻的电源测量，当管子处于软击穿状态下由于电源内阻大所以输出的电流很小，这样就不能导致电流击穿。这是管子两端的电压就是软击穿电压，用两端电压除以电流值就能得到软击穿电阻值。 3、软击穿比硬击穿带来的危害更大，产生较大漏流。造成器件的性能劣化或参数指标下降。,2 集电极发射极反向击穿电压（基极开路）：BVCEO,基极开路，电流ICEO随电压增加而增加，当反向电流达到规定的反向电流时所对应的电压即为BVCEO。在软击穿时，实测的BVCEO 比ICEO趋近无穷大时所对应的电压小很多。,由于：,当Ma=1时，电流增益变为为穷。由于非常接近于1，当M不需要比1大很多时就能满足共发射极击穿条件,M=1/a，且令VCB =BVCE0,对于硅n的数值在24，在hFE较大时，共发射极的击穿电压要比共基极击穿电压低很多。,共发射极和共基极的击穿电压,负阻,思考题？,2019/8/20,17,可编辑,晶体管在电路应用中，基极并不是开路的，而是有各种不同的偏置情况(如图所示)，实际的集电极发射极间的击穿电压与基极开路时BUCEO是不同的。,3 BVCEO与BVCES、BVCER 、 BVCEX 、 BVCEZ的关系,1、BUCES基极对地短路,在基极短路时，反向饱和电流 ICBO 有一部分流出基极，在基区积累的空穴量减少，与基极开路时相比，发射结正偏减弱。正向注入电流和到达集电结的电流都随之减小。也就意味着发生击穿时，需要的雪崩倍增因子比基极开路时大，即集电结反偏电压比基极开路时要高，则有：,BVCES BVCEO,2、BUCER基极接电阻R,由于电阻R的接入，流出基极的空穴电流减小，ICBO 的分流量减小，所以发射结正偏程度比短路时高（但比开路时发射结正偏减弱），电流比短路时大，击穿时需要的M值比短路时低，即有：,BUCEO BUCER BUCES,3、BUCEX基极接反偏电压,发射结以正偏程度更小甚至反偏，电流比基极接电阻时小（显然其正偏程度也比基极短路时要小，即基极短路时的正偏程度位于两者之间），击穿时需要的M值更大，因此：,BUCEX BUCES BUCER,4、BUCEZ基极接正偏电压,晶体管正常工作状态。外加正偏电压使得发射结以正偏程度比基极开路时更甚，电流比基极开路时更大，击穿时需要的M值更小，因此：,总结：,BUCEZ BUCEO,BUCEZ BUCEO BUCER BUCES BUCEX BUCBO,4 发射极基极反向击穿电压（集电极开路）,1、合金晶体管或扩散晶体管的发射区均为重掺杂区，BVEBO通常由基区净杂质浓度决定。合金管的BVEBO较高，且与BVCBO相近； 2、扩散管的基区表面杂质浓度较高，而BVEBO基本上由基区表面杂质浓度决定，因此BVEBO较小。,IEBO达到规定的电流值时所对应的发射结外加反向偏压BVEBO,三 晶体管的穿通电压,1 基区穿通电压UPT,在测量平面晶体管集电结反向击穿特性时，有时会出现：,当反向电压超过UPT(基区穿通电压)时，反向电流随电压近于线性地增加，电压增高到UB(雪崩击穿电压)时才发生正常的雪崩击穿，发生这种现象的原因，一般认为是基区穿通引起的。 基区穿通是指：在发生雪崩倍增效应之前，集电结空间电荷区在反向偏压的作用下，往基区一侧扩展，而与发射结空间电荷区连通在一起的现象。,NPN晶体管的穿通,2 外延层穿通,对于双扩散外延平面管之类的晶体管，由于基区杂质浓度高于集电区，其势垒区主要向集电区外延层)扩展，所以一般不会发生基区穿通，但容易发生外延层穿通，即在集电结发生雪崩击穿之前，集电结势垒区已扩展到衬底N+层。这就相当于集电结由PN- 变为基区与衬底形成的PN+结，而PN+结的击穿电压相对较低，因此发生外延层穿通后，PN+ 随即产生击穿。,穿通,外延层,四 P-N-P-N结构,P-N-P-N结构可用作二端、三端或四端器件，具有P-N-P-N结构的器件称为晶闸管，依赖于器件结构，晶闸管的开态电流可达几百至几千安培，关态电压可高达几千甚至上万伏。,作为二端器件，具有开关性质，称为P-N-P-N二极管 (两端P-N-P-N二极管称为肖克莱二极管),在内部区加第三个电极（称为栅极或控制极），构成三端器件，其开关过程由通过第三电极的电流控制。三端的P-N-P-N器件称为半导体可控整流器（SCR）或晶闸管。,P-N-P-N 二极管,在正向区工作的P-N-P-N二极管是一个双稳态器件，它能在高阻的关断态和低阻的导通态之间互相转换。,可以把它看成两个背对背连接的晶体管，一个是PNP管BJT1另一个是NPN管BJT2 ，中间的P区和N区为两个晶体管共有。 BJT1的基区和BJT2的集电区相连。,令两个晶体管的电流增益分别为a1、a2，漏电流分别为IC01、 IC02，则有：,IB1=IC2,IE1=IE2 =I,式中：,小电流时，a1、a2比1小得多，流过器件的电流就是漏电流IC0，当外加电压增加到正向转折（或开关）电压时， a1+a2接近于1，流过器件的电流迅速增大，即器件发生转折。,在正向关断时，J1和J3结正偏， J2结反偏，外加偏压主要降落在J2结上。中心结对来自J1的空穴和来自J3的电子皆起集电结的作用，使得J2结正偏，器件上的电压突然下降，器件进入正向导通状态。,在反向关断状态，J2结正偏，J1和J3结反