半导体器件物理第3章-第2部分.pdf

3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 3 4 1工作模式和少子分布 1 正向有源工作模式 0 0 3 4 1工作模式和少子分布 1 正向有源工作模式 0 0 基区少子满足的边界条件为 2 反向有源工作模式 0 2 反向有源工作模式 0 相应的边界条件为 3 饱和工作模式 0 0 3 饱和工作模式 0 0 相应的边界条件为 4 截止工作模式 4 截止工作模式 0 0 0 0 相应的边界条件为 前面指出 双极晶体管有四种工作模式 取决于发射结和集电结的偏置状况 E V C V TE VV pp enn 0 0 0 Bp xn E V C V 00 p n TC VV pBp enxn 0 E V C V TE VV pp enn 0 0 TC VV pBp enxn 0 E V C V 00 Bpp xnn 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 四种工作模式及相应的少子分布四种工作模式及相应的少子分布 此外此外 0EEE pxp TE VV EEE ePWP 0 0CC pp 0 正向有源饱 和 截 止 反向有源 图图3 14 晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布晶体管四种不同工作模式对应的少数载流子分布 0 CTVV CCCP xP e 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 3 4 2 爱拜耳斯 莫尔方程 发射极注入到基极的电子电流为 基极注入到发射极的空穴电流为 对于的情形 3 19 简化为 发射极注入到基极的电子电流为 基极注入到发射极的空穴电流为 对于的情形 3 19 简化为 在电路分析中 不考虑 3 19 式和 3 24 式中的负号 在电路分析中 不考虑 3 19 式和 3 24 式中的负号 MollEbers 0 1 11 sinh CTET npVVVV B nE nn B n D n x IqActhee LLx L 2 1 ET VV i pE dEE n qADe Nx pEE IW nB Lx 2 11 CTET VVVV ni nE aB qAD n Iee N x 3 19 3 24 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流 则 式中 暂时把发射结空间电荷区复合电流看作是外部电流 则 式中 nEpEE III 11 1211 TCTE VVVV eaea 3 40 EdE pE Ba n i xN D xN D qAna 2 11 Ba in xN nqAD a 2 12 用类似的方法得到用类似的方法得到 11 2221 TCTE VVVV C eaeaI 其中其中 Ba in xN nqAD a 2 21 pCdC pC Ba n i LN D xN D qAna 2 22 3 41 3 42 3 43 3 40 和 3 42 称为爱拜耳斯 3 40 和 3 42 称为爱拜耳斯 莫尔方程 简称为 E M 方程莫尔方程 简称为 E M 方程 2112 aa 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 爱拜耳斯爱拜耳斯 莫尔模型的等效电路图莫尔模型的等效电路图 a 图3 15 Ebers Moll 模型 a NPN一维晶体管 b 将晶体管表示为有公 共区域的背靠背连接的二极管 c Ebers Moll 模型等效电路 c F 叫做正向共基极电流增益 R 叫做反向共基极电流增益 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 根据图3 15C可以写出 1 0 TE VV FF eII 1 0 TC VV RR eII 3 44 3 45 其中其中 0F I 和和 0R I 分别为两个二极管反向饱和电流分别为两个二极管反向饱和电流 端电流为 端电流为 RRFE III RFFC III 3 46 3 47 联立 3 44 3 45 3 46 3 44 3 45 3 46 和 3 47 3 47 式得到 11 00 TCTE VV RR VV FE eIeII 11 00 TCTE VV R VV FFC eIeII 3 48 3 49 3 48 和 3 49 式即 3 48 和 3 49 式即为E ME M方程方程 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 将 3 48 式与 3 4将 3 48 式与 3 40 0 式比较 3 49 式与 3 42 式比较 得到 式比较 3 49 式与 3 42 式比较 得到 3 50 022 021 012 011 R FF RR F Ia Ia Ia Ia 由于由于 2112 aa 有有 00FFRR II 3 51 式称为互易关系 3 51 式称为互易关系 3 51 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 以上讨论的E M方程 只是一种非线性直流模型 通常将它 记为模型 在模型的基础上计及非线性电荷贮 存效应和欧姆电阻 就构成第二级复杂程度的模型 第 三级复杂程度的模型则还包括多种二级效应 如基区 宽度调制 基区展宽效应以及器件参数随温度的变化等等 以上讨论的E M方程 只是一种非线性直流模型 通常将它 记为模型 在模型的基础上计及非线性电荷贮 存效应和欧姆电阻 就构成第二级复杂程度的模型 第 三级复杂程度的模型则还包括多种二级效应 如基区 宽度调制 基区展宽效应以及器件参数随温度的变化等等 1 ME 1 ME 2 ME 3 ME 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 小结小结 给出了BJT在四种工作模式下少子分布边界条件和少子分布示意图 给出了BJT在四种工作模式下少子分布边界条件和少子分布示意图 导出了E M方程导出了E M方程 讨论了E M方程的基本思想 讨论了E M方程的基本思想 11 00 TCTE VV RR VV FE eIeII 11 00 TCTE VV R VV FFC eIeII 3 48 3 49 3 4爱拜耳斯 莫尔方程3 4爱拜耳斯 莫尔方程 教学要求教学要求 理解并记忆BJT四种工作模式下的少子分布边界条件理解并记忆BJT四种工作模式下的少子分布边界条件 画出BJT四种工作模式下少子分布示意图 画出BJT四种工作模式下少子分布示意图 理解写出方程 3 24 的根据 理解写出方程 3 24 的根据 根据爱拜耳斯 莫尔模型的等效电路图导出E M方程根据爱拜耳斯 莫尔模型的等效电路图导出E M方程 了解E M方程中四个参数的物理意义了解E M方程中四个参数的物理意义 根据E M方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式 根据E M方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式 作业 习题3 5 3 6 3 7 作业 习题3 5 3 6 3 7 11 00 TCTE VV RR VV FE eIeII 11 00 TCTE VV R VV FFC eIeII 3 48 3 49 3 5缓变基区晶体管3 5缓变基区晶体管 3 5缓变基区晶体管3 5缓变基区晶体管 2N3866晶体管的杂质分布 2N3866晶体管的杂质分布 距离x m 图3 16 2N3866晶体管的杂质分布 3 5缓变基区晶体管3 5缓变基区晶体管 一一 基区的缓变杂质分布 引起内建电场 这个电场沿着杂质浓度增加的方向 有助于电子在大部分基区范围内输运 这 时电子通过扩散和漂移越过基区薄层 致使输运因子增加 基区的缓变杂质分布 引起内建电场 这个电场沿着杂质浓度增加的方向 有助于电子在大部分基区范围内输运 这 时电子通过扩散和漂移越过基区薄层 致使输运因子增加 二 基区少子分布 dx xdN xN V a a T 3 52 dxN NqAD I xn B x x a an n p 3 55 式 3 56 中负号表示电流沿 x方向 三 电子电流 式 3 56 中负号表示电流沿 x方向 三 电子电流 TE B VV x a in n e dxN nqAD I 0 2 3 56 3 5缓变基区晶体管3 5缓变基区晶体管 四 基区输运因子 把整个基区复合电流取为 四 基区输运因子 把整个基区复合电流取为 3 57 3 58 0 B x rgp n qA Inx dx 根据基区输运因子的定义根据基区输运因子的定义 1 1 1 n Trgn nrgrgn I II IIII 0 1 B x p nn qA nx dx I 把式 3 55 代入式 3 58 并使用 便得到把式 3 55 代入式 3 58 并使用 便得到 2 nnn LD BB xx x a an T dxdxN NL 0 2 11 1 3 59 3 5缓变基区晶体管3 5缓变基区晶体管 四 基区输运因子四 基区输运因子 对于均匀基区 3 58 式化简为 3 32 式 基区的缓变杂质分布 引起内建电场 这个电场沿着杂质浓度增加的方向 有助于电子在大部分基区范围内输运 基区的缓变杂质分布 引起内建电场 这个电场沿着杂质浓度增加的方向 有助于电子在大部分基区范围内输运 2 2 2 1 1 n B T L x 小结小结 dx xdN xN V a a T 3 52 3 52 3 5缓变基区晶体管3 5缓变基区晶体管 小结小结 利用式 3 52 1 137 和爱因斯坦关系导出了少子分布公式利用式 3 52 1 137 和爱因斯坦关系导出了少子分布公式 导出了电流公式导出了电流公式 导出了基区输运因子公式导出了基区输运因子公式 3 56 3 56 dxN NqAD I xn B x x a an n p 3 55 3 55 TE B VV x a in n e dxN nqAD I 0 2 BB xx x a an T dxdxN NL 0 2 11 1 3 3 5959 3 5缓变基区晶体管3 5缓变基区晶体管 教学要求教学要求 1 导出缓变基区晶体管基区内建电场公式 3 52 1 导出缓变基区晶体管基区内建电场公式 3 52 2 导出少子分布公式 3 55 2 导出少子分布公式 3 55 3 导出电流公式 3 56 3 导出电流公式 3 56 4导出基区输运因子公式 3 59 4导出基区输运因子公式 3 59 5 扩展知识 导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电流分布表达式 考研参考 5 扩展知识 导出缓变发射区晶体管发射区少子空穴分布和空穴电流分布表达式 考研参考 6 作业 3 8 3 9 3 106 作业 3 8 3 9 3 10 3 6基区扩展电阻和电流集聚3 6基区扩展电阻和电流集聚 3 6基区扩展电阻和电流集聚3 6基区扩展电阻和电流集聚 一 基区扩展电阻和电流集聚一 基区扩展电阻和电流集聚 有源电阻和无源电阻有源电阻和无源电阻 图3 17 基区中的横向基极电流和欧姆电压降 导致在发射结边缘 处有最大的正 向偏压 3 6基区扩展电阻和电流集聚3 6基区扩展电阻和电流集聚 二 中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图二 中功率双极晶体管交叉指状电极图形的俯视图 图3 18 中功率双极晶体管指状交叉图形的俯视图 3 6基区扩展电阻和电流集聚3 6基区扩展电阻和电流集聚 小结小结 指出了BJT存在基极电阻并分析了电流集聚效应 指出了BJT存在基极电阻并分析了电流集聚效应 提出了有源电阻 无源电阻 基区扩展电阻和电流集聚的概念 提出了有源电阻 无源电阻 基区扩展电阻和电流集聚的概念 交叉指状电极能有效克服电流集聚效应 交叉指状电极能有效克服电流集聚效应 教学要求教学要求 了解BJT基极扩展电阻和电流集聚效应了解BJT基极扩展电阻和电流集聚效应 掌握有源电阻 无源电阻 基区扩展电阻和电流集聚的概念 掌握有源电阻 无源电阻 基区扩展电阻和电流集聚的概念 为什么交叉指状电极能有效克服电流集聚效应为什么交叉指状电极能有效克服电流集聚效应 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 根据式 3 12 在共发射极电路正向有源模式下 对于给定的基极电流 集电极电流应当 与集电极电压无关 图3 8 根据式 3 12 在共发射极电路正向有源模式下 对于给定的基极电流 集电极电流应当 与集电极电压无关 图3 8 b b 中的曲线斜率应为零 但图3 8中的曲线斜率应为零 但图3 8 b b 中的电流却随 集电极电压的增加而增加 这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应 也称 为Early效应 中的电流却随 集电极电压的增加而增加 这种现象起因于晶体管的基区宽度调变效应 也称 为Early效应 0 0 11 CEBFE C BC IIh I II 3 12 V 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 图3 8 集电结电流 电压特性 a 共基极情形 b 共发射极情形 VCB V 0 2 46810 IC mA 2 4 6 8 10 mAIE0 10 6 8 4 2 有源区 饱和区 截止区 IC mA 0 2 4 6 8 10 0246810 VCE V AIB 0 125 75 100 50 25 a b 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 基区宽度调变效应可解释如下 基区宽度调变效应可解释如下 前面的讨论中默认有效基区宽度是不变的 实际上是集电结偏压的函数 1 的变化 可见共发射极电流增益正比于 当增加时 集电结空间电荷区展 宽 使有效基区宽度减小 如图3 21所示 减小使增加 从而集电极电 流 将随的增加而增加 前面的讨论中默认有效基区宽度是不变的 实际上是集电结偏压的函数 1 的变化 可见共发射极电流增益正比于 当增加时 集电结空间电荷区展 宽 使有效基区宽度减小 如图3 21所示 减小使增加 从而集电极电 流 将随的增加而增加 B x B x FE h 2 2 2 111 B n T T T T FE x L h 3 60 2 B x CE V B x B x FE h C I CE V 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 2 的变化 可见也将随增加而增加 呈现出不饱和特性 如图3 21b所示 综合1 2 可见随的增加而增加 这就是Early效应 2 的变化 可见也将随增加而增加 呈现出不饱和特性 如图3 21b所示 综合1 2 可见随的增加而增加 这就是Early效应 3 61 0CE I COFE C CE Ih I I 1 1 0 0 0CE I CE V C I CE V 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 基区宽度减小使少子浓度梯度增加 图3 21 晶体管中的少数载流子分布 a 有源区工作 常数 改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化 b 和对应的基区少数载流子分布 基区宽度减小使少子浓度梯度增加 图3 21 晶体管中的少数载流子分布 a 有源区工作 常数 改变时有效基区宽度与少数载流子分布的变化 b 和对应的基区少数载流子分布 xnp xnp 0 p n 0p n 0 BB x x B x 0CE I EB V 0 EB V 0 0 0CB I 0p n a b EB V CB V 0CB I CEO I 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 3 扩展知识 考研参考 讨论图3 21b 设NPN双极结型晶体管有效基区边界分别为0和 在下列三种边界条件下解扩 散方程求少子分布和电流分布 讨论三种边界条件下电流的大小 根据所得结果得出结论 当增加时 集电结空间电荷区展宽 使有效基区宽度 减小 基区宽度减小 使少子浓度梯度增加因而增加 3 扩展知识 考研参考 讨论图3 21b 设NPN双极结型晶体管有效基区边界分别为0和 在下列三种边界条件下解扩 散方程求少子分布和电流分布 讨论三种边界条件下电流的大小 根据所得结果得出结论 当增加时 集电结空间电荷区展宽 使有效基区宽度 减小 基区宽度减小 使少子浓度梯度增加因而增加 B x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ET VV pppB pppB p pB nn enx nnnx dn xnx dx 正偏发射结 零偏发射结 发射极开路 CE V B x C I 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 小结小结 基区宽度调变效应是双极晶体管的一种非理想效应 它使双极晶体管的输出电流呈 现非饱和特性即输出电导不为零 基区宽度调变效应是双极晶体管的一种非理想效应 它使双极晶体管的输出电流呈 现非饱和特性即输出电导不为零 定量地导出了随的变化 减小使增加 定量地导出了随的变化 减小使增加 定量地导出了随的变化 减小使增加 定量地导出了随的变化 减小使增加 也可以从基区宽度减小使少子浓度梯度增加因而增加的角度解释基区宽度调变 效应 也可以从基区宽度减小使少子浓度梯度增加因而增加的角度解释基区宽度调变 效应 FE h B x B x FE h CEO I B x CEO I C I 3 7基区宽度调变效应3 7基区宽度调变效应 教学要求教学要求 解释基区宽度调变效解释基区宽度调变效应应 推导随的变化 推导随的变化 推导随的变化推导随的变化 从基区宽度减小使少子浓度梯度增加因而增加的角度定量解释基区宽度调变效 应 扩展知识 考研参考 从基区宽度减小使少子浓度梯度增加因而增加的角度定量解释基区宽度调变效 应 扩展知识 考研参考 B x FE h B x CEO I C I 3 8晶体管的频率响应3 8晶体管的频率响应 3 8晶体管的频率响应3 8晶体管的频率响应 小小信信号的共基极和共发射极电流增益定义为 电流增益与频率的关系称为晶体管的频率响应 号的共基极和共发射极电流增益定义为 电流增益与频率的关系称为晶体管的频率响应 常数 CB V E C dI dI 常数 CE V B C fe dI dI h 图3 22 电流增益作为频率的函数图3 22 电流增益作为频率的函数 电流增益 FE h 0 T dB3 dB3 3 8晶体管的频率响应3 8晶体管的频率响应 图中的各种频率定义为图中的各种频率定义为 共基极截止频率 的大小下降为0 707 即的模量的平方等于的一半 或者说下降3dB 时的频率 共发射极截止频率 的大小下降为0 707 下降3dB 时的频率 和也称为3dB频率 增益 带宽乘积 它是的模量变为1时的频率 也叫做特征频率 相对频率的曲线的斜率为20dB 十进位 它可用下式来描述 共基极截止频率 的大小下降为0 707 即的模量的平方等于的一半 或者说下降3dB 时的频率 共发射极截止频率 的大小下降为0 707 下降3dB 时的频率 和也称为3dB频率 增益 带宽乘积 它是的模量变为1时的频率 也叫做特征频率 相对频率的曲线的斜率为20dB 十进位 它可用下式来描述 0 0 fe h FE h T fe h j 1 0 3 62 可见在 的大小为0 707可见在 的大小为0 707 0 相对频率的曲线的斜率为20相对频率的曲线的斜率为20dBdB 十进位 在时的大小下降 3dB 因而 也称为3dB频率 十进位 在时的大小下降 3dB 因而 也称为3dB频率 3 8晶体管的频率响应3 8晶体管的频率响应 利用和之间的关系求得利用和之间的关系求得 fe h j h h FE fe 11 3 63 式中式中 0 1 T 是模量为1时的频率 由 3 63 式 取 有 是模量为1时的频率 由 3 63 式 取 有 T 1 fe h 1 2 FET h FE h 3 65 由于 是晶体管共射极接法工作的截止频率即带宽 故是晶体管共射极接法工作的截止频率即带宽 故 T 称为增益带宽乘积称为增益带宽乘积 3 8晶体管的频率响应3 8晶体管的频率响应 再由再由 3 66 0 0 1 FE h 0 0 1 T 0 以上讨论说明共发射极截止频率要比以上讨论说明共发射极截止频率要比 低得多 但增益带宽之积接近于低得多 但增益带宽之积接近于 C CTE TE C CTC TC的情形 增益 带宽乘积为 的情形 增益 带宽乘积为 3 86 2 2 B n FET x D h 注意增益 带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是完全相同的 注意增益 带宽乘积与上节中均匀基区晶体管的基区渡越时间的倒数是完全相同的 3 9混接型等效电路混接型等效电路 小结小结 根据共发射极正向有源模式下晶体管工作原理归纳出电路参数并建立了等效电路根据共发射极正向有源模式下晶体管工作原理归纳出电路参数并建立了等效电路 扩散电容来源于少子在基区的贮存效应 扩散电容来源于少子在基区的贮存效应 共发射极短路电流增益的截止频率为共发射极短路电流增益的截止频率为 FETCTED m hCCC g 2 2 B n FET x D h 对于C对于CD D C CTE TE C CTC TC的情形 增益 带宽乘积为 的情形 增益 带宽乘积为 3 85 3 86 3 9混接型等效电路混接型等效电路 教学要求教学要求 导出公式 3 78 3 81 3 84 导出公式 3 78 3 81 3 84 画出混接型等效电路 画出混接型等效电路 解释扩散电容的起因 解释扩散电容的起因 写出输入 输出电流表达式 写出输入 输出电流表达式 证明证明 作业 3 15作业 3 15 FETCTED m hCCC g 2 2 B n FET x D h 和和 3 85 3 86 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 由图3 25b中的电流脉冲驱动 使得晶体管运用于截止区与饱和区由图3 25b中的电流脉冲驱动 使得晶体管运用于截止区与饱和区 图3 25 双极晶体管的开关运用 a 电路图 b 基极电流驱动 c 输出VI 特性 d 输出电流波形 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 当 于是发射结和集电结都处于反偏状态 晶体管处于截止区 在截止状态集电极电 流很小 阻抗很高 晶体管处于 关 态 在饱和状态集电极电流很大而且它的阻抗很低 所以晶体管被认为是 通 态 当 于是发射结和集电结都处于反偏状态 晶体管处于截止区 在截止状态集电极电 流很小 阻抗很高 晶体管处于 关 态 在饱和状态集电极电流很大而且它的阻抗很低 所以晶体管被认为是 通 态 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 当 随增加而增加 随增加而减少 集电结正向偏压也 将随增加而减少 当集电结偏压 0时 晶体管进入饱和区 硅晶体管在饱和 区 在饱和状态集电极电流很大而阻抗很低 晶体管处于 通 态 当 随增加而增加 随增加而减少 集电结正向偏压也 将随增加而减少 当集电结偏压 0时 晶体管进入饱和区 硅晶体管在饱和 区 在饱和状态集电极电流很大而阻抗很低 晶体管处于 通 态 0 1 E B V II C I B I CCCCCE RIVV C I C V C I C V 2 0 6 0VVVV CEE VVC4 0 在饱和状态 集电极电流被负载电阻所限制 在饱和状态 集电极电流被负载电阻所限制 L CECC CCS R satVV satII 3 87 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 3 88 C CC BA FEFEL IsatV I hh R 在 通 和 断 两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的 在 通 和 断 两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的 载载流子分布不能立刻改变 需要一个过渡时间 称为开关时间 集电极电流的典型开关 波形示于图3 25 流子分布不能立刻改变 需要一个过渡时间 称为开关时间 集电极电流的典型开关 波形示于图3 25 d 中 开关时间的定义中 开关时间的定义 1 1 导通延迟时间 导通延迟时间 导通延迟时间 导通延迟时间td是从加上输入阶跃脉冲至输出电流达到最终值的百分之十 所经历的时间 它受到下列因素的限制 是从加上输入阶跃脉冲至输出电流达到最终值的百分之十 所经历的时间 它受到下列因素的限制 1 从反偏压改变到新电平 1 从反偏压改变到新电平 结的耗尽层电容的充电时间 2 载流子通过基区和集电结耗尽层的渡越时间 结的耗尽层电容的充电时间 2 载流子通过基区和集电结耗尽层的渡越时间 驱动晶体管进入饱和所需要的最小基极电流为 驱动晶体管进入饱和所需要的最小基极电流为 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 少数载流子密度 发射极基极 集电极 饱和 饱和 截止 有源 p n n p C Q BX Q B Q 图3 26 饱和时的贮存在基区和集电区中的电荷 同时表示了处在截止和有源区的基区电荷 图3 26 饱和时的贮存在基区和集电区中的电荷 同时表示了处在截止和有源区的基区电荷 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 2 2 上升和下降时间 上升时间 电流从 的百分之十上升到百分之九十所需要的时间 它对 应于在基区建立少数载流子分布以达到集电极饱和电流的百分之九十 该时间受输出时 间常数的影响 关断的下降时间 表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分之十的 时间间隔 这是上升时间的逆过程 并且受到同样的因素限制 上升和下降时间 上升时间 电流从 的百分之十上升到百分之九十所需要的时间 它对 应于在基区建立少数载流子分布以达到集电极饱和电流的百分之九十 该时间受输出时 间常数的影响 关断的下降时间 表示集电极电流从它最大值的百分之九十下降到百分之十的 时间间隔 这是上升时间的逆过程 并且受到同样的因素限制 r t C Isat LTCR C f t 3 3 贮存时间 从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到之间的时间 贮存时间 从基极电流发生负阶跃到集电极电流下降到之间的时间 s t satIC9 0 C I 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 对连续性方程 1 213a 从0至求一次积分 令 并利用对连续性方程 1 213a 从0至求一次积分 令 并利用 n W0 G dxpqAQ n W nS 0 p SS npp Q dt dQ WII 0 2 106 得到由 用代替 2 106 得到由 用代替 0 0 用代替 并用代替用代替 并用代替 便得到正向有源模式的 基区电荷控制方程 便得到正向有源模式的 基区电荷控制方程 B i P I B Q S Q n n BB B Q dt dQ i 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 在稳态条件下 式中依赖于时间的项为零 由上式 基极电流可表示为在稳态条件下 式中依赖于时间的项为零 由上式 基极电流可表示为 n B B Q I 当进入饱和时 总电荷为当进入饱和时 总电荷为 BXB QQ 电荷控制方程变为 电荷控制方程变为 dt dQ dt dQQQ i BXB s BX n B B 现在让我们突然把基极电流从现在让我们突然把基极电流从 1B I 改变到改变到 2B I 过量电荷开始减少 但有源电荷 过量电荷开始减少 但有源电荷 B Q 0t s t之间保持不变 于是在这段时间内可以令在和之间保持不变 于是在这段时间内可以令在和 0 dt dQB 以及以及 BA n B I Q 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 于是有 或 方程 3 93 于是有 或 方程 3 93a a 的通解为 的通解为 dt dQQQ I Bx s Bx n B B 2 2BAB s BxBx II Q dt dQ 特解为特解为 BAB II 2 s t BX QAe 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 在t 时 方程 3 93 中的时间依赖项为零 并利用 3 95 式得到过量电荷为 这是方程 3 93 在t 时 方程 3 93 中的时间依赖项为零 并利用 3 95 式得到过量电荷为 这是方程 3 93a a 的初始条件 于是得方程 3 93 的初始条件 于是得方程 3 93a a 的解为 在时 全部过量少数载流子被去除掉 因此求得 的解为 在时 全部过量少数载流子被去除掉 因此求得 BABsBX IIQ 1 BABs t BBsBX IIeIIQ s 221 s tt 0 BX Q 2 21 ln BBA BB ss II II t 0 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 小结小结 晶体管可以起开关作用 晶体管可以起开关作用 晶体管处于截止状态起到关断的作用 处于饱和状态起到开通的作用 开关工作的晶 体管在截止状态和饱和状态之间往复转换 晶体管处于截止状态起到关断的作用 处于饱和状态起到开通的作用 开关工作的晶 体管在截止状态和饱和状态之间往复转换 在 通 和 断 两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的 这些载流 子分布不能立刻改变 需要一个过渡时间 称为开关时间 在 通 和 断 两个状态之间的转换是通过改变载流子的分布来完成的 这些载流 子分布不能立刻改变 需要一个过渡时间 称为开关时间 开关时间包括 导通延迟时间t开关时间包括 导通延迟时间td d 导通上升时间t 导通上升时间tr r 关断的下降时间t 关断的下降时间tf f 贮存时间t 贮存时间ts s 建立电荷控制方程求解了贮存时间 建立电荷控制方程求解了贮存时间 3 10 晶体管的开关特性3 10 晶体管的开关特性 教学要求教学要求 了解晶体管开关工作原理 了解晶体管开关工作原理 为什么晶体管开关需要开关时间 为什么晶体管开关需要开关时间 了解晶体管开关时间所涉及的物理过程 了解晶体管开关时间所涉及的物理过程 为什么当发射结正偏 基极电流增加时会使晶体管进入饱和状态 为什么当发射结正偏 基极电流增加时会使晶体管进入饱和状态 建立电荷控制方程求解贮存时间 建立电荷控制方程求解贮存时间 晶体管在放大和截止状态之间转换可否起到开关作用 如果可以 为什么不 使用这种方式 晶体管在放大和截止状态之间转换可否起到开关作用 如果可以 为什么不 使用这种方式 s t 3 11击穿电压3 11击穿电压 3 11击穿电压3 11击穿电压 晶体管中最高电压的根本限制与在P N结二极管中的相同 即雪崩击 穿或齐纳击穿 但是 击穿电压不仅依赖于所涉及的P N结的性质 它还依 赖于外部的电路结构 晶体管中最高电压的根本限制与在P N结二极管中的相同 即雪崩击 穿或齐纳击穿 但是 击穿电压不仅依赖于所涉及的P N结的性质 它还依 赖于外部的电路结构 一 共基极连接 在发射极开路的情况下 晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏 压 经验公式 对于共基极电路 图3 27中 在处突然增加 一 共基极连接 在发射极开路的情况下 晶体管集电极和基极两端之间容许的最高反向偏 压 经验公式 对于共基极电路 图3 27中 在处突然增加 从集电极电流与发射极电流之间的关系来看 包 含 雪崩效应的有效电流增益增大M倍 即 从集电极电流与发射极电流之间的关系来看 包 含 雪崩效应的有效电流增益增大M倍 即 0CB BV n CBOCB BVV M 1 1 0CB BV C I Ma 3 99 3 100 3 11击穿电压3 11击穿电压 当M接近无穷时满足击穿条件 图3 27 共发射极和共基极电路的击穿电压 当M接近无穷时满足击穿条件 图3 27 共发射极和共基极电路的击穿电压 C I 0V 0CE BV 0CB BV CB CE CE B R 0 B R 3 11击穿电压3 11击穿电压 二 共发射极连接二 共发射极连接 由于 因此 包含雪崩效应的共发射极电流增益为 当达到的条件时 新的电流增益变为无穷 即发生击穿 由于非常接近于1 当不要比1大很多时就能满足共发射极击穿条件 基极开路情况下的击穿电压用表示 令 3 99 式中的并使 等于 可以解得 硅的数值在2到4之间 在值较大时 共发射极击穿电压可比共 基极击穿 电压低很多 由于 因此 包含雪崩效应的共发射极电流增益为 当达到的条件时 新的电流增益变为无穷 即发生击穿 由于非常接近于1 当不要比1大很多时就能满足共发射极击穿条件 基极开路情况下的击穿电压用表示 令 3 99 式中的并使 等于 可以解得 硅的数值在2到4之间 在值较大时 共发射极击穿电压可比共 基极击穿 电压低很多 1 h FE FE h M M hFE 1 1 3 101 1M M 0CE BV 0CECB BVV M 1 0CE BV n FECBO n CBOCEO hBVBVBV 1 1 3 102 n FE h 0CE BV 3 11击穿电压3 11击穿电压 共发射极的击穿特性也示于图3 27中 图3 28 晶体管的穿通 a 穿通前的空间电荷区 b 能带图 c 穿通后的空间电荷区 耗尽层 在穿通前 在穿通后 a b c 3 11击穿电压3 11击穿电压 穿通电压穿通电压 若在发生雪崩击穿之前集电结的空间电荷层到达了发射结 则 晶体管穿通 这个击穿电压就叫做穿通电压 穿通机制穿通机制 一个晶体管的空间电荷区及能带分布示于图3 28中 在这种条 件下 发射区和集电区被连接成好象一个连续的空间电荷区 使发射结处的 势垒被穿通时的集电结电压降低了 结果是 使得大的发射极电流得以在晶 体管当中流过并发生击穿 穿通击穿的特点穿通击穿的特点 穿通击穿的I V曲线不象雪崩击穿那样陡直 3 11击穿电压3 11击穿电压 穿通电压的计算 穿通电压的计算 1 如图所示 为基区的冶金学宽度 是BC结延伸到基区中的空间电荷区宽度 忽略BE结在零偏 或 正偏压时的空间电荷区宽度 当反偏压使时出现基区穿通 计算穿通击穿电压 1 如图所示 为基区的冶金学宽度 是BC