晶体管的开关特性
晶体管的开关原理
晶体管的开关原理
晶体管是一种用于控制电流流动的电子器件。
它由三个区域组成：发射区域(Emitter)、基区域(Base)和集电区域(Collector)。
晶体管的开关原理基于PN结的门控特性。
在晶体管中，PN结扮演着关键的角色。
PN结由一个N型半
导体和一个P型半导体组成，形成一个电荷分布不均匀的区域。
在PN结中，N型半导体的电子与P型半导体的空穴发生
复合，产生一个带电区域，称为耗尽区域。
当没有电压应用到晶体管的基极时，耗尽区域扩展到整个PN 结，并阻止电流流动。
这时，晶体管处于关闭状态。
然而，当在基极上施加一个正向电压时，P型半导体变得更加
正向偏置，N型半导体变得更加负向偏置。
这样，耗尽区域被压缩，形成一个导电通道，允许电流流动。
晶体管处于打开状态。
控制晶体管状态的电压称为基极电压。
当基极电压低于一个特定的阈值电压时，晶体管关闭；当基极电压高于该阈值电压时，晶体管打开。
这使晶体管能够被用作一个开关，用来控制电流的流动。
总之，晶体管的开关原理基于PN结的门控特性。
通过对基极
电压的控制，晶体管可以在关闭和打开状态之间切换，实现电流的开关控制。
晶体管的开关特性+32基本逻辑门电路
03
数字信号处理系统的设计和实现需要考虑逻辑门电路
的特性和性能，以确保信号处理的准确性和实时性。
THANKS
感谢观看
OR门
总结词
实现任一输入为1时，输出就为1的逻辑功能。
详细描述
当任一输入端输入高电平（1）时，晶体管导通，输出端输出低电平（0）；当两 个输入端都输入低电平（0）时，晶体管截止，输出端输出高电平（1）。
NOT门
总结词
实现输入为1时输出为0，输入为0时输出为1的逻辑功能。
详细描述
当输入端输入高电平（1）时，晶体管截止，输出端输出低电平（0）；当输入端输入低电平（0）时，晶体管导 通，输出端输出高电平（1）。
详细描述
Toggle AND门在逻辑功能上相当于与门和 非门的组合，其特点是当两个输入信号同时 为高电平时，输出信号才为高电平。当一个 输入信号为高电平而另一个为低电平时，输 出信号为低电平。这种门电路常用于实现双 控制逻辑功能。
Toggle OR门
要点一
总结词
Toggle OR门是一种双控制信号输入的逻辑门电路，当两 个输入信号同时为低电平时，输出信号才为低电平。
详细描述
Non-Blocking OR门的逻辑功能相当于普通的或门，其 特点是当输入信号为低电平时，无论其他控制信号的状 态如何，输出信号都为低电平。这种门电路常用于实现 单向逻辑控制功能。
Left-Input AND门
总结词
Left-Input AND门是一种单输入控制信号 的逻辑门电路，当输入信号为高电平时，输 出信号也为高电平。
晶体管的开关特性 与32种基本逻辑门 电路
目录
• 晶体管的开关特性 • 基本逻辑门电路 • 32种基本逻辑门电路 • 逻辑门电路的应用
第五章 双极型晶体管开关特性
16
§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
集电极饱和电流 饱和度 过驱动因子 饱和压降
将t t r时Q 0条件代入式（ 12） 5 t r p ln( Ir I f Ir If I f Ir ) )
9
t f p ln(1
§5.1 p-n结二极管的开关特性
4. 薄基区二极管中的贮存电荷
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 3. 反向恢复时间的计算 5. 缩短反向恢复时间的措施
26
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
QB n 将稳态下基区贮存的 定义基极时间常数 B IB 少子电荷与相应的基极电流联系起来。 QB 集电极时间常数 C IC QB 发射极时间常数 E IE
称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关
第五章 二极管和双极型晶体管的 开关特性
1 P-N结 2 直流特性
本章介绍二极管和晶体管的开关作用、开 关过程，并讨论晶体管开关特性与其基本 电学参数之间的关系，从而为设计和应用 开关管提供必要的理论根据。
3 频率特性
4 功率特性 5 开关特性
（6，7结型和绝 缘栅场效应晶体 管）
§5.1 p-n结二极管的开关特性 §5.2 晶体管的开关作用 §5.3 晶体管的开关过程和开关时间 §5.4 开关晶体管的正向压降和饱和
饱和区
直流负载线 Vce Vcc RL I c
第六章双极晶体管的开关特性.ppt
IE
R IC
IEBO exp
qVBE kT
பைடு நூலகம்
1
VBE
kT q
ln
IE RIC
I EBO
IC
R IE
ICBO exp
qVBC kT
1
VBC
Ib1 IBS
C
IB
Ics
ts
C
ln
Ib1 Ib2 Ics Ib2
t ts , QC ts
0
4、下降过程及下降时间
下降过程可以看作是上升过程的逆过程，-Ib2的作用
与上升过程相反。
Ib2
CDe
CTe
dvBE dt
EC
RL
IB
IBS
IB
Ics
S T
IB
EC
RL
Q
S IB IB
IBS ICS
过驱动因子
R
n+
pe(x) peo
p
nb(x) ②
Qbx ① nbo
n
过驱动
pc(x) Qcx
pco
超量储 存电荷
过驱动电流（
IB
IBS )
Qbx
B
Qcx
C
IB
IBS
Qcx
饱和区
IC EC VCE / RL
VBC VBE
晶体管开关特性教案
睢宁县职业教育中心教师课程教案
授课过程
等效为开关闭合
等效为开关断开
C、E极间等效为开关闭合
C、E极间等效为开关断开
、开关特性：表现在正向导通和反向截止这两种状态之间
关闭时间toff三极管从饱和到截止所需的时间。
toff = ts +tf ts：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）
tf：下降时间
开关时间一般在纳秒数量级
放大状态时他的过渡过程
3、(1) 截止状态
条件：发射结反偏
特点：输入电流I B≈0 → I C≈0, V CE≈V CC 等效电路为
(2)饱和状态
条件：发射结正偏，集电结正偏
特点：U BES=0.7V，U CES=0.3V/硅
四、三极管工作状态的判别
BE 判断三极管是截止还是导通。
B 和I BS 判断三极管是放大还是饱和c CC BS R V I β= 则三极管是饱和B ＜c CC BS R V I β= 则三极管是放大在电路的输入电阻1R 的两端并联一个适量的电容器到提高开关速度的。
晶体管开关特性
可变
很小，约为数百欧姆，相 当于开关闭合
四、三极管开关时间 1．开关时间：三极管在截止状态和
饱和状态之间转换所需的时间。 包括： （1）开通时间ton ——从三极管输 入开通信号瞬间开始至iC上升到 0.9ICS所需的时间。
（2）关闭时间toff ——从三极管输入关闭信
号瞬间开始至iC降低到0.1ICS所需的时间。
10.2 晶体管开关特性
10.2 晶体管开关特性
在脉冲电路中，二极管和三极管通常作为“开关”使用。 一、二极管的开关作用 1．正向偏置时， I0 ,V RV I V DV I ,相当于开关闭合。
2．反向偏置时，I 0,VR 0，相当于开关断开。
二、二极管的开关时间
1．反向恢复时间tre ：
二极管反偏时，从原来稳定的导通状态转换为稳定的截止 状态所需的时间。
一、三极管开关作用
动画 三极管开关作用
结论：三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。 截止时，相当于开关“断开”；等效电路： 饱和时，相当于开关“闭合”。等效电路：
通常因为它对二极管开关速度的影响很小,可以忽略不计。
（2）关闭时间toff ——从三极管输入关闭信号瞬间开始至iC降低到0.
二、饱和状态的估算 二极管正偏时，从原来稳定的截止状态转换为稳定的导通
I 集电极饱和电流，I I （2）vI负跳变瞬间，vI 与发射极e相连， vCS反向加至发射结，由于CS的放电作用，形成很大的反向基极电流，使V迅速截止。
例如2CK系C列S硅二极管tre
5ns；
CS
BS；
V 集射极饱和管压降。 结论：三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。
若2．IB反向偏置CIB时ES，S，I
晶体管伏安特性与开关特性图文说明
晶体管伏安特性与开关特性图文说明1. 晶体管伏安特性曲线⑴输入特性曲线输入特性曲线是指当集电极与发射极之间电压U CE 为常数时， 输入回路中加在晶体管基极与发射极之间的发射结电压u BE 和基极电流i B 之间的关系曲线，如图2.7所示。
用函数关系式表示为:常数==CE BE B u u f i |)(⑵输出特性曲线输出特性曲线是在基极电流i B 一定的情况下，晶体管的集电极输出回路中，集电极与发射极之间的管压降u CE 和集电极电流i C 之间的关系曲线，如图2.8所示。
用函数式表示为常数==B CE C i u f i |)(图2.7 晶体管的输入特性曲线 图2.7输出特性曲线①截止区习惯上把i B ≤0的区域称为截止区，即i B ＝0的输出特性曲线和横坐标轴之间的区域。
若要使i B ≤0，晶体管的发射结就必须在死区以内或反偏，为了使晶体管能够可靠截止，通常给晶体管的发射结加反偏电压。
②放大区在这个区域内，发射结正偏，集电结反偏i C 与i B 之间满足电流分配关系i C ＝βi B ＋I CEO ， 输出特性曲线近似为水平线。
③饱和区如果发射结正偏时，出现管压降u CE ＜0.7V (对于硅管来说)，也就是u CB ＜0 的情况，称晶体管进入饱和区。
所以饱和区的发射结和集电结均处于正偏状态。
饱和区中的i B 对i C 的影响较小，放大区的β也不再适用于饱和区。
2.晶体管的开关特性从上述可知，当U C >U B >U E 时，三极管集的电极电流与基极电流成C B I I β=关系，而且调整RX1电阻（集电极电阻），使U CE 从0-5V 变化，此时的I C 值已最大。
即：当U C >U B >U E 时，集电极电流I C 最大值。
所谓晶体管的开关特性是指，当U C >U B >U E 时，集电极到发射极相当于有大电流流过，U CE =0V ，电源电压全部作用于集电极电阻上；当U C >U B =U E 时（或U C >U E >U B ）时，集电极无电流流过，即I C =0A ，相当于晶体管的集电极与发射极断开，U CE 等于电源电压。
晶体管开关特性、限幅器与钳位器
晶体管开关特性、限幅器与钳位器实验二晶体管开关特性、限幅器与钳位器1. 实验目的（1）观察晶体二极管、三极管的开关特性，了解外电路参数变化对晶体管开关特性的影响（2）掌握限幅器和钳位器的基本工作原理。
2. 实验原理（1）晶体二极管的开关特性由于晶体二极管具有单向导电性，故英开关特性表现在正向导通与反向截止两种不同状态的转换过程。
如图2—1电路，输入端施加一方波激励信号％,由于二极管结电容的存在，因而有充电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。
因此当加在二极管上的电压突然由正向偏B（+K）变为反向偏置（-?时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流-冬，并维持R一段时间：（称为存贮时间）后，电流才开始减小，再经徐（称为下降时间）后，反向电流才等于静态特性上的反向电流厶，将tr=ts+tf叫做反向恢复时间，纭与二极管的结构有关，PN结面积小，结电容小，存贮电荷就少，匚就短，同时也与正向导通电流和反向电流有关。
当管子选泄后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。
（2）晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程，而且这种转换都需要一泄的时间才能完成。
如图2-2电路的输入端，施加一个足够幅度（在-％和+%之间变化）的矩形脉冲电压%激励信号，就能使晶体管从截止状态进入饱和导通，再从饱和进入截止。
可见晶体管T的集电极电流几和输出电压K 的波形已不是一个理想的矩形波，其起始部分和平顶部分都延迟了一段时间，苴上升沿和下降沿都变得缓慢了，如图2—2波形所示，从上开始跃升到丄上升到0.1A，所需时间定义为延迟时间乱，而丄从0.1矗增长到0.9矗的时间为上升时间“从K开始跃降到i.下降到0.9厶s 的时间为存贮时间ts,而几从0.9lcs下降到0.1忑的时间为下降时间如通常称1^=1Atr为三极管开关的“接通时间”，toff=ts+tf称为“断开时间”,形成上述开关特性的主要原因乃是晶体管结电容之故。
晶体管的开关特性资料课件
新产品研发
在新产品研发过程中，仿真分析 可缩短研发周期，降低实验成本，
提高产品的性能和可靠性。
实验研究的基本方法和步骤
01
02
03
04
选取合适的晶体管型号和规格， 根据需求设计合适的电路。
连接电路，包括电源、电阻、 电容等元件，确保连接正确、
可靠。
按照实验计划进行实验操作， 记录输入和输出数据，以及相
开关特性曲线的定义和重要性
定义
晶体管的开关特性曲线是指晶体管在静态工作点以上或以下时，基极输入电流对集电极输出电流的控 制关系曲线。
重要性
开关特性曲线是晶体管的重要特性之一，对于电路设计和性能优化具有重要意义。通过对开关特性曲 线的分析，可以得出晶体管的导通和截止状态下的电流、电压等参数，为电路设计提供依据。
数字电路
晶体管开关在数字电路中具有广 泛的应用，如逻辑门、触发器等。
模拟电路
在模拟电路中，晶体管开关可以用 于实现放大器、振荡器等电路的功 能。
混合信号电路
在混合信号电路中，晶体管开关可 以用于实现信号的转换和处理。
开关特性参数的定义和重要性
定义
晶体管的开关特性参数是指晶体管在开关状态下，与电流、电压等参数相关的性 能指标。
要点一
导通和截止状态下的电流、电压 参数对电路性能的影响
晶体管的开关特性曲线提供了导通和截止状态下的电流、 电压等参数，这些参数对于电路设计和性能优化至关重要。 例如，导通电阻和截止电压会影响电路的功耗和效率；集 电极电流和基极电流会影响电路的驱动能力和信号质量。
要点二
不同工作状态下的性能差异对电 路设计的影响
晶体管开关特性曲线的分类及绘制方法
分类
根据晶体管的工作状态，开关特性曲线 可分为三类：饱和区、线性区和截止区。
晶体管的开关介绍
晶体管开关
在脉冲与数字电路中，晶体管经常被当作开关来使用。这时晶体管工作于开 关状态，所以需要研究晶体管的开关特性。 一、晶体二极管开关特性 开关元件的作用是能把电路接通和截断。接通就是要元件呈现很小的电阻， 最好接近于短路； 截断就是要元件呈现很大的电阻， 最好接近于开路。 我们知道， 晶体二极管正向运用时的电阻很小，反向运用时接近于开路，用它作开关元件是 合适的。 1.开关等效电路 二极管的伏安特性如图 1.2.1 所示。在脉冲数字电路中的二极管常工作在开 关状态：或者截止，或者充分导通。硅二极管在导通时，伏安特性曲线的斜率很 陡(见图 1.2.1(a))，正向压降在 0.7 V 左右，这时硅二极管可以看成一个 0.7 V 的 恒压源(见图 1.2.2(a))。而锗二极管的正向伏安特性变化缓慢，管子的正向压降随 正向电流的增加 而增加，可 用一个电阻 RD 来表示正向导 通的二极管 ( 见图 1.2.2(b))。
r
t R 2.3rd C0 t f 2.3RC0 为了改善输出电压的下降边，应将 R 取小，但 R 太小是不行的，因为二极 管 D 导通时，输入电压通过二极管内阻 rd 的分压加到输出端， R 通常应比 rd 大 得多。因此这种限幅器的下降边要比上升边差很多。 下面再来研究并联限幅器寄生电容的影响。如图 1.2.13(b)所示，在时间 t1 之前，vI= -E2 ，二极管 D 导电，输出电压 vO=0。当 t=t1 时输入电压跃变到+E1 ， 二极管 D 截止，输入电压通过 R 对 C0 充电，输出电压的上升时间为 tr 2.3RC0
Байду номын сангаас
VA V1
V2 V1 R1 R1 R2
(1.2.2)
(a) 图 1.2.10 串联双向限幅器
晶体管的开关特性资料
可分为发射结由反偏至正偏和集电极电流形成两个阶段。
1
2
3
4
5
x=0
x=w
N
P
N
QBS
nb(x)
pc(x)
QCS
pe(x)
图3-1-14 晶体三极管基区少子 浓度分布曲线
发射结变为正偏，并逐渐形成集电极电流所需的时间，即为延迟时间td，其长短取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。三极管结电容越小， td越短；三极管截止时反偏越大，td越长；正向驱动电流越大，td越短。
发射结正偏后，集电极电流iC不断上升，达到0.9ICS所需时间即为上升时间tr。
tr的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。基区宽度w越小，tr也越小；基极驱动电流越大，tr也越短。
(2) 晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程。
可分为驱散基区多余存储电荷及驱散基区存储电荷两个阶段。
图3-1-5中，当vI>VREF1时，二极管导通，vO≈vI；当vI<VREF1时，二极管截止，vO=VREF1。这样就将输入波形中瞬时电位低于VREF1的部分抑制掉，而将高于VREF1的部分波形传送到输出端，实现了下限限幅的功能。
演 示
D1
R2
VREF2
＋
－
＋
－
vI
(a)
＋
－
vO
D2
R1
VREF1
3.1 晶体管的开关特性
3.1.1 晶体二极管开关特性
3.1.2 晶体三极管开关特性
S
R
V
图3-1-1 理想开关
＋
－
3.1.1 晶体二极管开关特性
第五章-双极晶体管的开关特性
Physics of Semiconductor Devices
第五章 双极型晶体管的开关特性
2007,3,30
南京邮电大学电子科学与工程学院
半导体器件物理
双极型晶体管的开关特性
本章内容
双极型晶体管的开关作用 双极型晶体管的开关过程和开关时间 开关管正向压降和饱和压降
南京邮电大学电子科学与工程学院
南京邮电大学电子科学与工程学院 半导体器件物理
双极型晶体管的开关特性 16
双极型晶体管的开关特性
Q BSF I F I Rn QB Q BSR
I
RP
Q CS’
饱和态下非平衡少子电荷分布示意图
Qestion：如何减小储存时间？
南京邮电大学电子科学与工程学院 半导体器件物理
双极型晶体管的开关特性 17
双极型晶体管的开关特性 5
南京邮电大学电子科学与工程学院
半导体器件物理
双极型晶体管的开关特性
由于基极电流很 小，因此，一般 用输出特性曲线 中IB=0的这条线 作为放大区和截 止区的分界线。 在I B≤0时，晶体 管处于截止状态。 曲线A和B分别表 示发射结为零偏 和反偏时的电子 浓度分布。
0 nB A B
双极型晶体管的开关特性 5.2.4 上升过 程与上升时间
上升过程就是基 区电荷积累由对 应的IC=0.1ICS达 到IC=0.9ICS的过 程。
Qestion： 如何减小上 升时间？
南京邮电大学电子科学与工程学院 半导体器件物理
双极型晶体管的开关特性 13
双极型晶体管的开关特性
5.2.5 电荷储存效应与储存时间
双极型晶体管的开关特性 19
双极型晶体管的开关特性
晶体三极管(BJT)的开关特性
晶体三极管（BJT）的开关特性
BJT的开关作用对应于触点开关的”断开”和”闭合”。
如图1(a)所示为一个共发射极晶体三极管开关电路。
图1 BJT的开关工作状态
图4.2.1(a)中BJT为NPN型硅管。
电阻Rb为基极电阻，电阻Rc为集电极电阻，晶体三极管T的基极b起控制的作用，通过它来控制开关开闭动作，集电极c及发射极e形成开关两个端点，由b极来控制其开闭，c.e两端的电压即为开关电路的输出电压vO。
当输入电压vI为高电平时，晶体管导通，
相当于开关闭合，所以集电极电压vc≈0，即输出低电平，而集电极电流
iC≈VCC/RC。
当输入电压vI为低电平时，由图可见，晶体管截止，相当于开关断开，所以得集电极电流iC≈0，而集电极电压vc≈VCC，即输出为高电平。
这就是晶体三极管的理想稳态开关特性。
晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。
晶体三极管输出特性三个工作区，即截止区、放大区、饱和区,如图4.2.1(b)所示。
如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态，就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关的断开状态，就应该使之工作于截止区，发射极电流iE=0，这时晶体三极管处于截止状态，相当于开关断开。
集电结加有反向电压，集电极电流iC=ICBO，而基极电流iB=-ICBO。
说明三极管截止时，iB并不是为0，而等于-ICBO。
基极开路时，外加电源电压VCC使集电结反向偏置，发射结正向偏置晶体三极管基极电流iB=0时，晶体管并未进入截止状态，这时iE=iC =ICEO还是。
晶体管的开关特性
（1）基本门电路（与非门等）的内 部电路实现。
（2）门电路（与非门等）的主要技 术参数。
3.1
晶体管的开关特性
3.1.1 3.1.2
晶体二极管开关特性 晶体三极管开关特性
3.1.1
晶体二极管开关特性
１．二极管稳态开关特性 Vth (门限电压 /阈值电压)。
Is称为反向饱和电流，数值小，常忽略。
C N B RB E EB P N RC
EC
3.1.2 晶体三极管开关特 性 １．三极管稳态开关特性
vBE vI RB iB vO vCE VCC RC iC
传输特性：输出电压与输入电压的函数关系。
ห้องสมุดไป่ตู้
三种工作情况：截止区、放大区和饱和区。
当vI<Vth时，工作于截止区。发射结和集电结均为反向偏
半导体三极管结构特点：
集电区： 面积最大 集电结
基极 B 发射结
集电极 C N
P N E 发射极
基区：最薄， 掺杂浓度最低
发射区：掺 杂浓度最高
三极管放大的外部条件—内部原理见视频
发射结正偏、集电结反偏 从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VB>VE 集电结反偏 VC>VB
发射结正偏 集电结反偏 PNP VB<VE VC<VB
发 射 结 和 集 电 结 均 为 正 偏 ， 即 vB>vE ， vB>vC ，
vO=VCE(sat)≈0； iC≈VCC/RC。晶体管C、E之间相当于开关
闭合。
２．三极管瞬态开关特性 由于PN结电容的存在，当 vI 从－V跳变＋V时，晶体管 不能立即导通，要经历开通 时间toniC才达到稳定值。 要经历一段时间toff ，iC才逐渐下降到0。
晶体管的开关特性
导通 Vce Vces
1. 开关管的要求：
Vces越小越好，最好→0
Iceo越小越好，最好→0
BVceo高（使用范围大）
开关时间短
2. 晶体管的开关区域
3. 截止区和饱和区的少子分布
截止区
Vbe<0(A) Vbc<0
Vbe=0(B) Vbc<0
Iceo
饱和区
（1）饱和的原因
晶体管的频率特性
理 学 院
§4.3 晶体管的开关特性
一、晶体管的开关作用 二、晶体管的开关过程 三、提高开关晶体管开关速度的途径
一、晶体管的开关作用 1. 晶体管的开关作用
截止
I c I ceo 0
Vce Vcc I ceo RL Vcc
Vcc Vces Vcc 0 Ic R RL L
2、上升阶段基区少子分布 请注意这是在线性 区阶段的少子分布 图 C
B E Байду номын сангаас
nb 0
0
缩短上升时间tr的方法：
减小发射结势垒电容 减小集电结势垒电容 增大基极注入电流， 但要注意深饱和 增大基区少子寿命，减 小基区复合电流
3、存储时间ts
抽取基区和集电区超量储 存电荷
减小存储时间的途径：
RB
IB
1、从晶体管内部考虑
①掺金，减小饱和时超量存储电荷，加速 集区复合
②减小结面积 ③减小基区宽度，降低tr和tf
2、从晶体管外部考虑
①加大IB，缩短td和tr，但避免过大使饱和深 度S过大
' IB ②加大，缩短t
度S过大
d和tr，但避免过大使饱和深
③工作在临界饱和状态
晶体管的开关特性
理想开关的开关特性： (1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻 ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。
闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻 RON = 0，电压UAK = 0。
(2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0
客观世界中，没有理想开关。 乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分 接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电 路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。 半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用 时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。
2.2.1 二极管的开关特性
1. 静态特性及开关等效电路 正向导通时 UD(ON)≈0.7V（硅） 0.3V（锗） RD≈几Ω ～几十Ω 相当于开关闭合
二极管的伏安特性曲线
反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百kΩ） 相当于开关断开
二极管的伏安特性曲线
开启电压
二极管的伏安特性曲线
理想化 伏安特 性曲线
2.2 二极管及三极管的开关特性
数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作 在开关状态。
导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。
逻辑变量←→两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1； 电子开关有两种状态：闭合、断开。
半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这 种电子开关的基本开关元件。
2.2.2 三极管的开关特性
1. 静态特性及开关等效电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要
工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极 短暂的过渡状态。
图2-3三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线
(1) 截止状态
条件：发射结反偏 特点：电流约为0
晶体三极管的开关特性
晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成.根据两个PN结的偏置极性,三极管有截止、放大、饱和三种工作状态。下图给出了用NPN型共发射极晶体管组成的简单电路及其输出特性曲线。
三极管静态特性
晶体三极管在饱和与截止两种状态的特性称为开关特性，相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其等效电路如下(1)截止状态的三极管等效电路。
01
添加标题
02
添加标题
当UGS小于NMOS管的启动电压UT时，MOS管工作在截止区， iDS基本为0，输出电压UDS ≈ UDD，MOS管处于“断开”状态，其等效电路为如右。
静态特性 MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压UGS决定其工作状态。图为由NMOS增强型管构成的开关电路。
晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特性。三极管和二极管一样，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，饱和与截止两种状态也需要一定的时间才能完成。
三极管动态特性Ⅱ
从左图可知波形起始部分和平顶部分都延迟了一段时间,上升和下降沿都变得缓慢了。为了对三极管的瞬态过程进行定量描述，通常引入以下几个参数来表征：
存储时间ts：经过上升时间后，集电极电流继续增加到Ics，这时由于进入了饱和状态，集电极收集电子的能力减弱，过剩的电子在基区不断积累起来，称为超量存储电荷，同时集电区靠近边界处也积累起一定的空穴，集电结处于正向偏置。 当输入电压ui由+U2跳变到-U1时，上述存储电荷不能立即消失，而是在反向电压作用下产生漂移运动而形成反向基极电流，促使超量存储电荷泄放。在存储电荷完全消失前，集电极电流维持Ics不变，直至存储电荷全部消散，晶体管才开始退出饱和状态，ic开始下降。 下降时间tf：在基区存储的多余电荷全部消失后，基区中的电子在反向电压的作用下越来越少，集电极电流ic也不断减少，并逐渐接近于0。
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第五章 晶体管的开关特性
5.1 二极管的开关作用和反向恢复时间
利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特 性，可以把二极管作开关使用。当开关K打向 A时，二极管处于正向，电流很大，相当于接 有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路 处于接通状态（开态）；若把K打向B，二极 管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的 开关断开，回路处于断开状态（关态）。
练习
P106 1，4，5
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第五章 晶体管的开关特性
开关晶体管的工作状态
晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出
特性曲线上可以看出，随着偏置电压的不同，晶体管的工作区域 可以分为饱和区、放大区和截止区三个区域。
此外，当晶体管的发射极和集电极相互交换，晶体管处于倒 向运用状态时，也应该同样存在上述三个区域。
随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增 加，P-N结上的电压逐步上升，在稳态即为VJ。 此时，二极管就工作在导通状态。
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第五章 晶体管的开关特性
当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲， 此时，正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压 拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过P-N结的反向 电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分 通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复 到正常情况下的反向漏电流值IR。正向导通时少数载流 子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过 程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这 段时间就称为储存时间ts。在ts之后，P-N结上的电流到 达反向饱和电流IR，P-N结达到平衡。定义流过P-N结 的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。 储存时间和下降时间之和（ts+tf）称为P-N结的关断时 间（反向恢复时间）。
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第五章 晶体管的开关特性
截止区
发射结反偏，集电结反偏，IC=ICEO≈0。
基极电流IB则
由这两个电流组成， 因而IB≈IEBO+ICBO。 由于基极电流很小，
因此，可以用输出特 性曲线中IB=0的一条 线作为放大区和截止
区的分界线。
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小结
●晶体管的开关作用，是通过基极控制信号（IB）， 使晶体管在饱和（或导通）态与截止态之间往复
转换来实现的。
●它与理想开关的主要差别在于开态时晶体管开关
上的压降 VCE 0 ；关态时回路中还存在一
定的电流ICEO，因而回路电流 IC 0 。
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第五章 晶体管的开关特性
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第五章 晶体管的开关特性
第5章
晶体管的开关特性
5.1 二极管的开关作用和 反向恢复时间
5.2 开关晶体管的静态特性 5.3 晶体管开关的动态特性 5.4 习题
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第五章 晶体管的开关特性
● —— 本章重点
开关晶体管开关原理 （静态特性）
晶体管到开关过程 （延迟过程、上升过程、 超量储存电荷消失过程、 下降过程）
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第五章 晶体管的开关特性
临界饱和时集电极电流
I CS
VCC 临界饱和压降 RL
VCC RL
晶体管达到临界饱和时的基极驱动电流，称为临界 饱和基极电流IBS。
I BS
I CS
VCC
R L
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第五章 晶体管的开关特性
若基极驱动电流IB>IBS，则晶体管将处于过驱动 状态，过驱动电流
I BX
IB
I BS
IB
VCC
R L
过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和 状态，过驱动电路越大，饱和深度越深。
晶体管的饱和程度，可以用饱和深度S来描述。
S IB IB
I BS I CS
临界饱和，S=1 深度饱和，S>1
I1
V1 RL
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第五章 晶体管的开关特性
说明
把二极管作为开关使用时，若回路处 于开态，在“开关”（即二极管）上有微 小压降；当回路处于关态时，在回路中有 微小电流，这与一般的机械开关有所不同。
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第五章 晶体管的开关特性
二极管的反向恢复时间
下降过程是上升过程的逆过程，下降过程 中同样存在载流子的复合，而复合使下降速度 变快。
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第五章 晶体管的开关特性 开启时间（关态→开态）
ton td tr
关断时间（开态→关态）
toff t s t f
为了分析开关 特性的需要，我们 将倒向（反向）放 大区也一并提出进 行分析。
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第五章 晶体管的开关特性
发射结和集电结的偏置情况， 集电极输出电流IC和基极输入电流IB之间的关系
上海电子信息职业技术学院半导体Biblioteka 件物理第五章 晶体管的开关特性
饱和区 饱和区的特点是发射结正偏VBE>0，集电结 也处于正偏，VBC>0，集电极电流和基极电流间 满足IC≤βIB的关系。 基极回路中输入一幅值VI>VBB的正脉冲，基极 电流IB将立即跳变，晶体管将沿着输出特性的负载线， 由截止区进入放大区。这时，集电极电流IC随着IB的 增大而很快上升，管压降VCE则随着IC的增大而下降。 当管压降下降到VCE=VCC-ICRL=VBE时，集电结由反 偏变为零偏，使集电结收集载流子的能力减弱，IC随 IB增长的速度开始变慢，这时晶体管即进入临界饱和 状态。
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第五章 晶体管的开关特性
反向恢复时间限制了二极管的开关速度。 如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得 多，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的 开关作用； 如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差 不多甚至更短的话，这时由于反向恢复过程的影响， 负脉冲不能使二极管关断。 所以要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不 能太短，也就意味着脉冲的重复频率不能太高，这 就限制了开关的速度。
第五章 晶体管的开关特性 5.3 晶体管开关的动态特性
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第五章 晶体管的开关特性
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第五章 晶体管的开关特性
为使晶体管具有良好的开关状态，有以下五个要求：
（1）ICE0小，使开关电路截止时接近于断路（开路），关 断性良好；
（2）VCES小，使开关电路接通时接近于短路状态，接通 性良好；
载流子积累过程中存在载流子的复合，复合使 积累速度变慢。
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第五章 晶体管的开关特性
超量储存电荷消失过程 当t=t4时，IC=0.9ICS，定义ts=t4-t3为储存时间。
下降过程
集电极电流IC也就从0.9ICS逐步下降到0.1ICS，在 t=t5时，IC=0.1ICS，定义tf= t5- t4为下降时间。
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第五章 晶体管的开关特性
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第五章 晶体管的开关特性
在开态时，流过负载的稳态电流为I1
I1
V1 VJ RL
在关态时，流过负
载的电流就是二极管 的反向电流IR。
V1为外加电源电压，VJ为二极管 的正向压降，对硅管VJ约为0.7V， 锗管VJ约为0.25V，RL为负载电阻。 通常VJ远小于V1，所以上式可近似 写为
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半导体器件物理 5.2 开关晶体管的静态特性
晶体管共射开关电路原理图
第五章 晶体管的开关特性
VBB 偏置电压 RL 负载电阻
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第五章 晶体管的开关特性
当基极回路中输入一幅值VI远大于VBB的正脉冲信号时， 基极电流立即上升到
IB
VI
VBB VBE RB
延迟过程 上升过程 超量储存电荷消失过程 下降过程
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第五章 晶体管的开关特性
延迟过程
t=t1时，IC才上升到0.1ICS，时间td= t1 - t0称为延迟时间。 上升过程
在t=t2时刻，IC达到0.9ICS，tr=t2- t1称为上升时间。 上升过程中，由于电流过驱动而储存电荷，
晶体管的开关时间及减小的方法
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第五章 晶体管的开关特性
晶体管（transistor，是转换电阻transfer resistor的缩写）是一个多重结的半导体器件。通常 晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、 电流或是信号功率增益。双极型晶体管（bipolar transistor），或称双极结型晶体管（bipolar junction transistor，BJT），是最重要的半导体器件 之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具 有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参 与导电过程的半导体器件，与只由一种载流子参与 传导的场效应晶体管不同。（场效应晶体管将在第 七、八两章中进行讨论。）