第五章开关特性二极管和双极型晶体管的

第五章二极管和双极型晶体管的§5.3晶体管的开关过程和开关时§5.3晶体管的开关过程和开关时§5.2晶体管的开关作§5.1p-n结二极管的开关特P-N8§5.4§5.4开关晶体管的正向压降和饱和2.电效反向恢复薄基区二极管2.电效反向恢复薄基区二极管中 电缩短反向恢复时间的措1.p-n结二极管的两个状态和负电平输入，二极管截止，关图5-1二极管的开关状与与理想开关区别：1.正向压降；2.反向漏电流；3.21.p-n结二极管的两个状态和1.p-n结二极管的两个状态和反向恢复薄基区二极管中 电缩短反向恢复时间的措2.电 效I

Vf

（5-

（5-（5-x0IpVkTln(I qIR图5-2导通过程中p+-n结内电流、电压和少子密度的变31p-n结二极管的两个状态和开关反向恢1p-n结二极管的两个状态和开关反向恢复时薄基区二极管中 电缩短反向恢2.电 效下降时间tf时间ts关断时间tr=ts+tf，反向恢复时图5-3关断过程中p+-n结内电流、电压和少子密度的变41.p-n结二极管的两个状态和开关1.p-n结二极管的两个状态和开关薄基区二极管中 2.电 效图5-4

电 效应5§5.1p-n结二极管的开关特3.反向恢优点是概念清楚，所得简单而便于应

电 效薄基区二极管中 电缩短反向恢时间

正向时稳态时

dQ

0Q

IfdQdQIfpdQIrp反向时6§5.1p-n结二极管的开关特3.反向恢

电 效薄基区二极管中 电初始条件解得

QIf

缩短反向恢（5-认为Ir不变1线为初虚线为x=0处切阴影区面积QQtfItreppI 7 (I ) (I )2rfspI(I2I )] f电 效5.缩短反向恢电45.缩短反向恢电4薄基区二极管中上述计算利用边界少子浓度等于零为标志，实际上应是非平衡少子浓度。由上式可见，s与p、Ir、If有关，分别起复合、抽取和 作用。 8电 效电 效电4薄基区二极管电4薄基区二极管中5.缩短反向恢5.缩短反向恢实际下降过程中，结边缘附近少子浓度梯度逐渐下降，反向电流不再是常数，问题复杂。可以近似认为Ir不变，而用（5-12）计算，即认为整个反向过程为Ir抽取Ifp的时间，所得结果较实际的f短。将ttr时

tr

ln(

IfIt

I IfIr94.薄基区二极管中 电4.薄基区二极管中 电电 效反向恢复时5.缩短反向恢利用eb结作为二极管Wp(Wb)<<Lnb称之为薄基正向工作时，p区电子线性2.1.p-n2.1.p-n结二极管的两个状态和开关3.5.4.薄基区二极管中3.5.dQ0Q

IfQQ 2D WnIf nWQ12(平均停留时间电 效电 效反向恢复时薄基区二极管中 电5.缩短反向恢复时间的两个原则减 电荷减小正向电减小少子扩散长度，即缩短少减薄轻掺杂区厚加 电荷 过缩短少增大抽取电§5.2晶体管的开关作晶体管的晶体管的三个状态及开关作晶体管开关与二极管开关比开关运用对晶体管的基本要§5.21.晶体管的三个状态及开关作直流直流负载VccRLI试分析Vce=0时§5.2晶体管的开关作1.晶体管的三个状态及饱和区特过驱饱和压降（小集电

由于负载电阻限制，集电极电流达到集电极饱和电流而不能继续随基极电流增大。实际的基极电流（驱动电流）超过处于饱和态的晶体管ce间压降称为饱和压降，其值与饱和深度有关，取决于负饱和时，eb结正偏约0.7V，ce间饱和§5.2晶体管的开关作IRLIRLSIb如果在基极交替地施加正、负脉冲(或电平)，使晶体管交替地处于饱和态和截止态，对于集电极回路而言。则是交替地处于导通(开SIb§5.2晶体管的开关作2.晶体管开关与二极管相似之处(3)存在开关不同之处(1)晶体管开关的输出波形与输入波形相位差180。而二极管开关是同相位的。前者可在集成电路中作倒相器。(2)晶体管开关有电流及电压的放大作用，而二极开关没§5.2晶体管的开关作3.开关运用对晶体管的饱和压降小，消耗正向压降小，启动反向漏电流§5.2晶体管的开关作4.开关过延上下延迟时间上升时间时间下降时间

关闭时间

开关时§5.3晶体管的开关过程和开关时1.电荷效应和时6.§5.3晶体管的开关过程和开关时1.电荷控前几章分析晶体管特性时是将晶体管看做“电流控制器件”。对于稳态及小信号运用情况比较容易用线性微分方程来描述晶体管的特性。在作为开关运用时，晶体管的输入信号幅度变化很大，且不是工作性区，而是在截止区与饱和区之间跳变。这时的晶体管表现出高度的非线性。若再采用前面的分析方使问题变得很另一方面，研究晶体管的开关特性时，着重讨论的是晶体管在由开到关及由关到开的过程中结偏压及内部电荷的变化趋势及结果，至于变化过程的每一瞬间电荷(载流子)的具体分布情况并不需要知道，因而可以用“电荷控制理论”来讨论晶体管的开关特性。§5.3晶体管的开关过程和开关时1.电荷控电荷控制理论的基本思想是从少数载流子的连续性方程导出电荷控制分析的基本微分方程，将电流（密度）、电荷和时间联系起来，通过开关过程中结偏压及内部电荷的变化趋势(规律)及结果得出各个阶段的时间。对于npn晶体管，基区电子nn1(J)qnnV(J)dxdydzQbnn§5.3

进入基区净的电子流1.电荷控根 定

Jndxdydz(Jn

（5-

（5-于流入基区空

i

in

（5-（5-（5-iQbbniQbbn§5.3晶体管的开关过程和开关时iQiQbbn

（5-基区中电荷随时间的变化率等于单位时间基极电流所提供的电荷减去在基区内部的复合损失基区中电荷随时间的变化率等于单位时间基极电流所提供的电荷减去在基区内部的复合损失稳态

0

IB

（稳态值，角标大写n稳稳态时，基极电流等于基区内的少子复合电§5.3晶体管的开关过程和开关时1.电荷控定义基极时间常数

将稳态下基 CCICEIEIB少子电荷与相应的基极电流联系起来发射极时称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有§5.3晶体管的开关过程和开关时1.电荷控物理意义基极电流所提供的电荷用此即电荷控制发射结

基本近似方程

集电结势垒电容充电补充超 电荷的积累及复合损失

iQbbXbiQbbXbBs（5-cb结反eb结反§5.3晶体管的开关过程和cb结反eb结反2.延迟过延迟过程延迟过程：当晶体管从关态向开态转化时，输出端不能立即对输入脉冲作出响应，而产生延迟过程。定义延迟过程为从正向脉冲输入到集电极开始有输出电流的过程。零反偏（小正零反偏（小正偏（小§5.3§5.3晶体管的开关过程和开关时2.延迟过在延迟过程中，基极电流IB1提供的空穴有下列用途：①给eb结充电②给cb结充电③在基区建立与0.1Ics相对应的空穴积累④补充维持这一电荷积累的复合损失延迟过程就是基极注入电流IB1向发射结势垒电容充电、集电结势垒电容充电、并在基区内建立起某一稳定的电荷积累的过程。§5.3晶体管的开关过程和开关时2.延迟过实际的延实际的延第一阶段基极输入正脉冲→晶体管开始导通I第二阶段Ic由0→0.1I

属于上升§5.3iQbbiQbbbB siTc dQTeb ttd0IdtVj jV)(VccVBBC V CV TDV1R2eVj0)1eCTVDVRd1 (1n] TReVVVDcCTc(0)[(1VCCVBB)1IB1(1nc(1VCCVj0)1nc(5-反偏（小正偏（小零§5.3晶体管的开关过反偏（小正偏（小零3.上升过上升过程上升过程：延迟过程结束，基区开始积累电荷，并积累相应于Ic从00.1Ics)到Ics0.9Ics)的电荷（梯度）eb结反eb结反cb结反正偏（小正正偏（小正§5.3晶体管的开关过程和开关时3.上升过IIdQTedQTcdQb①继续向发射结势垒电容充电②继续向集电结势垒电容充电③增加基区电④补充基区电荷在积累过程的§5.3基区少子分集电极电

0-----------------------0-----0.1Ics---------------0.9Ics-------发射结电

集电结电 -(Vcc+VBB)------ -(Vcc-Vjo)------------------------ 正偏时间结 0------------------------td1-----td2(t1)----

t0

上升过程以Ic为标志，故将电荷方程变换成Ic的关系IB1

CDe

Ic Ic

(

)式中采用了以下变换

CTere

CTe

CTc

CTc

CDe

CTe

IcCDe

1b1T上升过程以Ic为标志，故将电荷方程变换成Ic的关系

rdIc

dIc

rdIc Ic

e

L

Dee

c Ic

(

)

11Dc11T

CTcRL

CTcT利用初始条件利用初始条件Ict00tI(t) c [1( RTtt1时，Ic (1IB1Dc1 R)T dtt2时，Ic IB1Dc2( R)T r2 1( R) T §5.3晶体管的开关过程和开关时4.电荷效应和时间电荷效应：上升过程结束时，集电极电流接近（达到）饱和值Ics，基极复合电流为Ics（临界饱和基极电流），但实际基极电流大于此值，存在过驱动电流IB，即基极电流除补充基区复合损失外，多余部分引起晶体管中电荷的进一步积累，形成超量存贮电荷，并导致集电结正偏，晶体管进入饱和态。关断过程开始时，超量存贮电荷因复合和被基极电流抽取而逐渐，使得集电极电流不能立即对输入负脉冲作出响应。§5.34.4.电 效应 时§5.34.4.电 效应 时sXI§5.3晶sXI4.电 效应 时 其中，QX为晶体管中总的超 电荷。s则是过驱动电流I对基区、集电区充电以形成超 电荷的充电时间常数§5.3晶体管的开关过程和开关时4.电 效应 时

B DC B

(5-超量

基区电荷QB

超量电荷自身复合的复

基极抽取iiQbbXbBsib BIBs§5.3晶体管的开关过程和开关时4.电 效应 时变换（5-60）（5-初始条

tS

（5- B

B

DC (IB)SQXtt3 (I )§5.3晶体管的开关过程和开关时4.电 效应 时当t=ts1时，超 电荷完 QX=0，代入(5-得

IB1

IB

)

ln(DcIB1

IB2

II

B

至此，存贮过程结束，但IC尚未减小，即存贮时间的2将在下降过程中计算。§5.34.4.电 效应 时 eb结IF形成间常数τScb结IRn形间常数τS

cb结IRp形成IBS对应的QX=QBSF+QBSR+Q'CS- Q' sI或写 I II I IsER(1R)s1R4.4.电 效应 时时间常数的普遍形式§5.3晶体管的开关过程和开关时4.电 效应 时缩 时间的途径 金接受电子，受主能级起主要作在n型硅中的受主能级对空穴的俘获能力约比其在P型硅中施主能级对电子的俘获能力大一倍。因此，在Si-pn管中掺金既可以有效地缩短c而又不至于影响，从而不会影响电流放大系数。§5.3晶体管的开关过程和开关时5.下降过为上升过程的逆过QB、IC、Veb、5.下降过§5.3晶体管的开关过程5.下降过基极电流的驱动电流IB1注入空穴 对CTe、CTc 积累 使CTe、CTc放电 抽走于是

基区复合的用加快Qb的，加速(dQTedQTcdQb)BdIcII ( dIcII ( R RTT5.下降过dIcIc dIcIc IB (1 R(1 RTT

（5-利用t=t3=0时，Ic=Ics为初始条件，解t t (I (1C RCB B §5.35.下降过程和下降时存贮时间第二段tS

§5.3基区少子分集电极电

发射结电

零偏-反集电结电

正偏-------------------0V---------------- 反偏

§5.3晶体管的开关过程和开关时6.提高开

增加基区少增大

减小Wc或加大减小掺

增大§5.3晶体管的开关过程和开关时6.提高开综合分析晶体管的开关过程，要想提高开关速度，也就是要求eb结、cb结势垒电容充电快，基区电荷积累快——“开”快；饱和深度不要太深，超量存贮电荷少，并能尽快被抽走或复合——“关”快。但这些要求往往是互相的。如增大IB1，可使CTe、CTc充电快，Qb积累快，但这会增加饱和深度S，使tS增加；又如增大(-IB2)，可有效地降低tf但若通过减小Rb来实现，又会使IB1、tS增大；若增加(-VBB)，又会使td增加，所以四个时间不能同时缩短。其中以时间tS为最长，所以如何缩短tS便成了缩短开关时间的主要目标§5.36.提高开关速度的措其中 时间tS为最§5.3晶体管的开关过程和开关时6.提高开(一)开关管的Si-npn管掺金：既不影响电流增益又可有效地减小集电区少子－空穴 ．一方面减少导通时的超量存贮Q’cs，同时加速关闭时的采用外延结构并：①减小外延层厚度，②降低外延层电阻率，以减小集电区少于。前者从空间、后者从时间上限制Q’cs。这两项措施也同时减小集电区串联电阻rc，从而对减小饱和压降Vcs有利。但它们都会影响集电结耐压能力。所以在考虑采用时要注意兼顾。减小结面积，以减小CTe、CTc，这可有效地缩短td、tr、tf。但结减小基区宽度，减小Qb，可使tr、tf大大降低(浓度梯度变化快)§5.3晶体管的开关过程和开关时6.提高开(二)开关管应用电路选择原加大IB1:充电快，可缩短t、tr。同时由于IB1较大，增加了饱和深度S，对降低饱和压降ces有利，但同时也由于增加了超量存贮电荷量而使t延长，一般控制S＝4来选择适当的IB。加大(-IB2)：反向抽取快，可缩短tS、tf，但要注意应选在-VBBRb的允许范围之非饱和运用：晶体管工作在临界饱和区。其中没有超量存贮电荷x，则t→0，但此时c、e之间的压降ce较高(接近0.7)。是否可以非饱和运用要视电路条件而定。负载电阻的选择；在cc与IB1一定时，选择较小的L可使晶体管不致进入太深的饱和态，有利于缩短tS。但RL减小会使ICS增大，从而延长了tr、tf，并增大了功耗。考虑管壳电容、引线电容等寄生电容的影响，RL尽量§5.4开关晶体管的正向压降和饱和压正向压降、饱和压降和开关时间一样，都属于开关晶体管的定义：当晶体管驱动到饱和态时，基极—发射极间(输入端)的电压降称为共发射极正向压降，记为Vbes。此时输出端(集电极—发射极之间)的电压降称为共发§5.4开关晶体管的正向压降和饱和压1.1.正向压降即发射极与基极两极之间的电压降。它包括①eb结的结压降②eb结到基极电极接触之间的基区体电阻rb上的电压降③eb结到发射极电极接触之间的发射区体电阻res上的压降Ieres

Ib

Ie一般情况下，发射区掺杂浓度很高，发射区厚度又不大，上式中第三项可以略去。但对于大功率管，发射区上串联有镇流电阻时就不可忽略。另外若由于光刻引线孔没刻透或金属电极合金化未