第五章 双极型晶体管开关特性
PN节学习总结心得体会半导体物理
第四章 双极型晶体管的功率特性 4.1 集电极最大允许工作电流 4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响 4.3 有效基区扩展效应 4.4 发射极电流集边效应 4.5 发射极单位周长电流容量 4.6 晶体管最大耗散功率PCM 4.7 二次击穿和安全工作区
第四章 功率特性 概念和定义
原理机理机制过程
原理机理机制过程
分析计算方法
基本结构,工作原 理; 特性曲线; 特性影响因素; 短栅器件的速度饱 和效应; 串联电阻的影响; 温度效应
直流参数; 交流参数; 频率参数
第七章 MOSFET
概念和定义
阈值电压; 直流参数; 小信号低频参数; 高频功率增益; 开关时间; 短沟道效应,判据
原理机理机制过程
p-n结电流成分转 换; 正向I-V特性的讨 论; 大注入效应; p-n结击穿:电击穿 ,热击穿,雪崩击穿 ,隧道击穿; 击穿电压影响因素 及措施:球、柱、 平面结,磨角
势垒高度; 正向电流公式; 边界载流子浓度; 实际扩散结势垒电 容计算,查表; 交流小信号特性分 析方法,特性方程; 雪崩击穿条件
散粒噪声：起源于电子管阴极发射电子数的无规则起伏。在半导体中载流子产 生、复合过程的涨落引起参加导电的载流子数目在其平均值附近有起伏（1分）， 这种由于载流子数目的不规则变化而产生的噪声称之为散粒噪声（1分）。通常 指越过p-n结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声（1分）。
二、 详述双极型晶体管的开关过程及改善开关特性的途径。（20分） 晶体管的开关过程包括开启过程，即晶体管由截止状态到饱和状态的过程和
特征频率:高频下，由于结电容的分流作用（1分），随着工作频率升高，晶体 管的共发射极电流放大系数下降（1分），当共发射极电流放大系数下降为1时 对应的频率为特征频率（1分）。
双极晶体管的开关原理
双极晶体管的开关原理一、双极晶体管开关作用机理双极晶体管，又称双极型晶体管，是一种固体半导体器件，其可实现电流的放大和开关功能。
其名称中的“双极”是指这种器件的两个电子传导方向由同一条半导体（即基区）引入到另一点（即发射极和集电极）。
在双极器件中电流只沿着基区通过，这就限制了少子和多子的浓度，也限制了集电极电流对发射极电流的倍数。
为了增大发射极电流，可通过将几个集电极接在一起构成共集放大电路来实现。
正因为这样，由于开关状态控制所需的输入电荷小、开关速度高以及输出电容小等特点，它为开关电路的实用化奠定了基础。
然而由于集电结电容和集电发射偏压的存在，增加了电路不稳定性。
一般地讲，低噪声电路，包括集成电路都要求工作在线性范围之内。
尽管半导体器件已经尽可能使结电容降到最小，而且我们利用适当的电路安排可以使该结电容成为零（在电路断态下），但由于元器件参数上的不匹配以及制造工艺问题（包括塑料封装时的注塑干涸）的影响，这样的理想情况很难做到。
因此在实际应用中应考虑使用并联电容或电感来补偿因结电容而产生的寄生效应。
双极晶体管的工作原理是基于三极管的电流控制作用，当基极电流增大时，集电极电流也相应增大。
但是，集电极电流的增加不会使集电极和发射极之间的电压降（集电极电阻）相应增大。
双极晶体管的开关作用是基于电子的注入。
在关闭状态下，基极电流非常小（微安级），此时集电极和发射极之间的电压降也最小（通常为几伏特）。
在开启状态下，注入更多的电子时，集电极和发射极之间的电压降会上升到几十伏特（约几百毫安）。
这种开关特性使得双极晶体管在各种电子设备中得到了广泛的应用。
三、双极晶体管工作条件1.集电极—基极间加电压Uc。
当集电极—基极间的电压Uc大于PN结的死区电压Uon（一般在0.6～0.7V左右）时，发射结正偏置，发射区的多数载流子（电子）通过PN结向基区扩散。
集电结的多数载流子（空穴）也向基区扩散。
当扩散到一定距离时，被集电极N+收集区收集；同时基区有等量的少数载流子（空穴）漂移到发射结（靠近基区一边）而终止。
半导体物理与器件5(3)
4
V E
g1
b2
ΔE
V
Vb1 =
E
V
V 1
b1
ε 2 N 2 (Vbi − V ) ε1 N1 + ε 2 N 2
Vb 2 =
ε1 N1 (Vbi − V ) ε1 N1 + ε 2 N 2
2ε1ε 2 N1 (Vbi − V )
x1 x = 0
x2
其中，N1和N2分别为半导体1和2的杂质浓度。耗尽区宽度x1和x2为
α
β
10
2
3 dB
β
10
β
α
0
α＝
α0
其中fβ称为共射截止频率
10
2
1
α0
3 dB 0 .1 5 10 10
6
3 dB
1＋j ( f / f α )
10
β
f β = (1 − α 0 ) f α
由于α0≈1，所以fβ远小于fα。
fβ 10
7
fT 10
8
fα 10
9
10
10
频率 / Hz
其中α 0 是低频(或直流)共基电 流增益，fα 是共基截止频率， 当 工 作 频 率 f=fα 时 ， α的 值 为 0.707 α0(下降3dB)。
10
3
截止频率 ：在低频时，共基电流增益是一固定值，不会因工 作频率而改变，然而当频率升高至一关键点后，共基电流增 益将会降低。右下图是一典型的共基电流增益相对于工作频 率的示意图。 加入频率的参量后，共基 电流增益为
10
3
右图中也显示了共射电流增益，
β0
β≡
0 ＝ 1－α 1＋j ( f / f β )
晶体管的开关特性
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
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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半导体器件物理
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）。
npn pnp 晶体管输出 压力开关-概述说明以及解释
npn pnp 晶体管输出压力开关-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:npn和pnp晶体管是两种常见的双极型晶体管，它们在电子领域中扮演着重要的角色。
npn和pnp晶体管的工作原理和特性有所不同，但它们都可以用来实现电流放大、开关控制等功能。
本文将重点介绍npn和pnp晶体管的工作原理，并探讨它们在输出压力开关中的应用。
通过深入研究npn pnp晶体管输出压力开关的优势和未来发展展望，可以更好地认识和理解这一重要的电子元件。
1.2文章结构文章结构部分将介绍npn pnp 晶体管输出压力开关的相关知识，包括npn 晶体管和pnp 晶体管的工作原理，以及它们在压力开关中的应用。
通过这些内容，读者将会了解到npn pnp 晶体管输出压力开关的工作原理和优势，以及未来可能的发展方向。
文章结构清晰明了，有助于读者更好地理解和掌握相关知识。
1.3 目的：本文旨在深入探讨npn和pnp晶体管输出压力开关的工作原理和应用，通过对这两种晶体管的比较分析，探讨它们在压力开关中的优势和不同之处。
通过本文的研究，读者将更深入地了解npn和pnp晶体管在压力开关领域的应用价值，促进相关技术的发展和应用。
同时，本文也旨在为工程师和研究人员提供参考，帮助他们更好地选择和设计适合的晶体管输出压力开关，推动该领域的进步和发展。
2.正文2.1 npn 晶体管的工作原理npn 晶体管是一种双极型晶体管，由两个n型半导体夹着一个p型半导体构成。
它的工作原理基于p-n 结的特性。
当npn 晶体管处于正常工作状态时，基极（p区）的电压高于发射极（n区）的电压，这样就会形成一个正向偏置。
这会导致在基极和发射极之间形成一个电场，使得p-n 结处于导通状态。
当一个正向电压施加在基极上时，这会促使少量电子从发射极注入到基极中，进而形成主电流。
这个主电流的大小受到基极电流的控制，即控制输入电流即可控制输出电流。
总的来说，npn 晶体管的工作原理可以简单理解为：控制输入信号作用在基极上，调节基极电流，进而控制输出电流。
双极型晶体三极管的开关特性
1 0.7 mA 10
0.03mA
iB
3
0.7 10
mA
0.23mA
三极管临界饱和时的基极电流： 而
I BS
VCC uCES
Rc
5 0.3 mA 50 1
0.094 mA
因为0<iB<IBS，三极管工作在放大
状态。iC=βiB=50×0.03=1.5mA，
输出电压：
uo=uCE=UCC-iCRc=5-1.5×1=3.5V
状态称为放大状态。
2．2 双极型晶体三极管的开关特性
（3）三极管的饱和状态和可靠饱和的条件
当输入电压vI增加
：A. iB增加，工作点上移，当工作点上移至Q3点时，三
极管进入临界饱和状态。
B. iB再增加，输出iC将不再明显变化 。
当输入电压vI增加 ：C.工作点向上移至Q3点以上，饱和深度增加，进入可
2．2 双极型晶体三极管的开关特性
（4）三极管开关的过渡过程
td：延迟时间，上升到0.1Icmax tr：上升时间， 0.1Icmax到0.9Icmax
ton = td +tr ton开通时间
ts：存储时间，下降到0.9Icmax tf：下降时间，下降到0.1Icmax
toff = ts +tf toff关断时间
iC＝βiB
uCE＝VCC－ iCRc
可变
饱和
iB＞IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0，uBC>0
iC＝ICS uCE＝UCES＝
0.3V 很小， 相当开关闭合
+VCC Rc iC
Rb b
c
uo
ui
iB
e
iB(μA)
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作原理、基本特性、主要参数
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。
它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。
自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。
具有栅极G、集电极C和发射极E。
图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。
与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。
这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。
因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。
双极型晶体管介绍
晶体管的极限参数
双极型晶体管（Bipolar Transistor）
由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。
BVceo---基极开路，CE结击穿电压
BVebo---集电极开路EB结击穿电压
BVces---基极与发射极短路CE结击穿电压
BV cer---基极与发射极串接一电阻，CE结击穿电压
D---占空比
fT---特征频率
fmax---最高振荡频率。当三极管功率增益等于1时的工作频率
hFE---入阻抗
hOE---共发射极静态输出电导
h RE---共发射极静态电压反馈系数
hie---共发射极小信号短路输入阻抗
hre---共发射极小信号开路电压反馈系数
hfe---共发射极小信号短路电压放大系数
hoe---共发射极小信号开路输出导纳
IB---基极直流电流或交流电流的平均值
双极型晶体管极限参数
★最大集电极耗散功率如图所示。
★最大集电极电流:使b下降到正常值的１／２～２／３时的集电极电流称之为集电极最大允许电流。
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。
双极型器件物理-开关特性(西电)
(3) 饱和深度 超出临界状态少子分布的那一部分为过饱和少子电荷 过驱动电流IBX越大，QBX就越多，则晶体管饱和深度越深。 为此，定义饱和深度（也称为饱和因子）S：S=IB/IBS
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PSpice及其基本功能.15
XD
Physics of Semiconductor device 5－2 晶体管的开关过程分析
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PSpice及其基本功能.9
XD
Physics of Semiconductor device 5.1.3 开关应用参数
1.ICEO 2.VCES 3.开关时间
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PSpice及其基本功能.10
XD
Physics of Semiconductor device 5.1.4 稳定断开、导通状态下基区少数载流子分布
① BJT处于开态和关态时的电流电压的 静态特性（例如，开态时的饱和电压 Vces、最大电流；关态时的反向漏电 流、击穿电压等） ② 在开态和关态之间转换时电流电压随 时间变化的瞬态特性（开关时间）
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PSpice及其基本功能.20
XD
Physics of Semiconductor device 5.3.1 开关时间参数
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PSpice及其基本功能.13
XD
Physics of Semiconductor device 5.1.4 稳定断开、导通状态下基区少数载流子分布
In cutoff mode, the minority carrier concentration in the base is given by (i) After switching on VBB, minority carriers begin piling up in the base (ii); the collector current IC increases proportional to the slope of ∆nB(x,t) at x = W; the transistor is active mode biased If VEB = VEC or VCB = 0, the transistor enters saturation mode, continuing to build up charges in the base (iii), but without changing the slope of ∆nB (W,t) and thus without further increasing iC；
半导体器件物理施敏答案
半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。
台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。
学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。
经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。
现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。
施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。
他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。
由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。
施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。
主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。
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
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管工作原理
双极型晶体管是一种常用的半导体器件，可用于放大信号和作为开关。
它由三个连续的区域构成：发射区、基区和集电区。
在正常工作状态下，双极型晶体管中的基区被电压偏置，使其与发射区和集电区之间形成两个二极管。
这两个二极管分别为发射结和集电结。
当一个正向偏置电流被施加在发射结上时，发射结就会成为一个缓慢变化的放大器。
发射结的沟道会形成一个电子云，这个电子云会带电，电流在发射结得到放大。
当从集电结到基区的电流增大时，由于集电结反偏，它将呈指数增加，最终使根据KCL（基尔霍夫电流定律）达到稳定。
当在基结-发射结之间施加截断电压时，集电结会关闭，使得电流在双极型晶体管中被截断，即将其作为开关使用。
总之，双极型晶体管通过控制基结电流来调节集电结电流。
在工作原理中，发射结起到放大的作用，而集电结起到开关的作用。
这使得双极型晶体管成为一种常用的器件，适用于各种电子电路中的放大和开关功能。
IGBT静态特性与开关特性
IGBT ，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由 MOSFET （输入级）和 PNP 晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有 MOSFET 器件驱动功 率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于 MOSFET 与功率晶体管之间，可正常 工作于几十 kHz 频率范围内。
理想等效电路与实际等效电路如图所示：IGBT 的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开关特性）。
动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：IGBT 的开通过程IGBT 在开通过程中，分为几段时间1. 与 MOSFET 类似的开通过程，也是分为三段的充电时间2. 只是在漏源 DS 电压下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和过程中增加了一 段延迟时间。
在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton ，上升时间Tr 和Tr.i除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.iIGBT在关断过程IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。
第一段是按照MOS管关断的特性的第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。
在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf 和Tf.i除了表格中以外，还定义trv 为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td（off）。
漏极电流的下降时间Tf 由图中的t（f1）和t（f2）两段组成，而总的关断时间可以称为toff=td（off）+trv 十t（f），td（off）+trv 之和又称为存储时间。
从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关系：从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念：开启过程关断过程尝试去计算IGBT的开启过程，主要是时间和门电阻的散热情况。
C.GE 栅极-发射极电容C.CE 集电极-发射极电容C.GC 门级-集电极电容（米勒电容）Cies =CGE+CGC 输入电容Cres =CGC 反向电容Coes =CGC+CCE 输出电容根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析对应的电流可简单用下图所示：第1阶段：栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE（th）。
教案-微电子器件基础教程-郭业才-清华大学出版社
流电流增益及其影响因素，理解晶体管反向直流参
数（反向电流、击穿电压、穿通电压、基极电阻）
及其影响因素。
3. 理 解 共 基 与 共 射 晶 体 管 直 流 特 性 曲 线 特 征
及共射极理想与非理想输出曲线的特征。
1. 理 解 交 流 小 信 号 概 念 及 晶 体 管 交 流 小 信 号
传输过程。
质 浓 度 的 变 化 关 系 ，费 米 能 级 对 载 流 子 浓 度 的 影 响 。
5. 了 解 简 并 与 非 简 并 半 导 体 的 特 点 ，会 分 析 简
并半导体中载流子浓度。
1．理 解 漂 移 、扩 散 、复 合 、产 生 、热 电 子 发 射 、
隧 穿 (又 称 穿 透 )及 强 电 场 效 应 等 现 象 。
2. 熟 练 掌 握 利 用 晶 体 管 交 流 小 信 号 模 型 等 效
电路分析交流小信号传输延迟的方法，会计算延迟
时间、发射效率、基区输运系数、集电结势垒区输
运系数、电流放大系数。
8-12
3. 理 解 截 止 频 率 、特 征 频 率 与 工 作 频 率 的 关 系
及高功率增益与最高振荡频率的关系，分析了晶体
压的影响。
1. 了 解 半 导 体 异 质 结 结 构 、分 类 与 能 带 图 ，理 解异质结晶格失配、异质结的伏安特性
2. 理 解 异 质 结 双 极 型 晶 体 管 的 结 构 与 特 性 ，包
括宽带隙发射区、缓变基区、宽带隙集电区及增益
特性和频率特性。
4-6
3. 了解 GaAs MESFET 器 件 结 构 、 工 作 原 理 和 理 论 模 型 ；以 及 高 电 子 迁 移 率 晶 体 管 的 量 子 阱 结 构 、
npn双极型晶体管
npn双极型晶体管
NPN双极型晶体管是一种常见的电子器件，由三个半导体层组成：两个N型和一个P型。
这种晶体管具有电流放大能力，常用于各种电子电路中，如放大器、开关、振荡器等。
NPN双极型晶体管的三个半导体层分别是：
1. 发射极（Emitter）：通常为N型半导体，负责发射电子。
2. 基极（Base）：通常为P型半导体，是晶体管的控制极，用于控制晶体管的开关状态。
3. 集电极（Collector）：通常为N型半导体，负责收集从发射极发射出的电子。
NPN双极型晶体管的工作原理是：当基极电压升高时，基极电流增加，导致发射极电流增加，进而在集电极形成较大的电流。
这种电流放大作用使得NPN双极型晶体管能够有效地放大输入信号。
在应用方面，NPN双极型晶体管常用于各种电子电路中，如音频放大器、开关电源、振荡器等。
在音频放大器中，NPN双极型晶体管可以作为放大器使用，
将微弱的音频信号放大为较大的电流，驱动扬声器发出声音。
在开关电源中，NPN双极型晶体管可以作为开关使用，控制电源的通断。
在振荡器中，NPN双极型晶体管可以产生振荡信号，用于各种电子设备中。
NPN双极型晶体管是一种重要的电子器件，具有广泛的应用前景。
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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
线性区 放大区
截止区
14
试分析Vce=0时，Ic=?
15
§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
饱和区特点：
过驱动 饱和压降（小） 集电结正偏
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 与饱和集电极电流相应的数值。
3. 反向恢复时间的计算
采用电荷法进行计算。电荷法的
优点是概念清楚，所得公式简单而便 于应用 。
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
正向时：
dQ Q If dt p
dQ 0 Q I f p dt
图5-3 关断过程中p+-n结内电流、电压和少子密度的变化
4
§5.1 p-n结二极管的开关特性
2. 电荷贮存效应
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 3. 反向恢复时间的计算 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
图5-4 反向恢复过程对开关速度的限制
电荷贮存效应？
5
§5.1 p-n结二极管的开关特性
22
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
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
在线性区，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法会使问题变得很复杂。
Qt p I f I r e
p
I r p
（5-12）
认为Ir不变： 1线为初始时刻，Q=Iftp 虚线为x=0处切线
2、3、4线平行（斜率、梯度相同）
斜率为Ir/AqDp 阴影区面积=Q(ts)
7
§5.1 p-n结二极管的开关特性
3. 反向恢复时间的计算 解得：
t s p ln[
2
§5.1 p-n结二极管的开关特性
2. 电荷贮存效应
If
V1 V f RL
（5-1）
1. p-n结二极管的两个状态和 开关作用 3. 反向恢复时间的计算 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
dp dx
x 0
If AqDp
（5-2）
kT I f V ln( 1) q IR
压降
1
8 噪声特性
§5.1 p-n结二极管的开关特性
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
正电平输入，二极管导通，开态
负电平输入，二极管截止，关态
4. 薄基区二极管中的贮存电荷
5. 缩短反向恢复时间的措施
图5-1 二极管的开关状态
与理想开关区别：1.正向压降；2.反向漏电流；3.开关时间。
27
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
物理意义： QB dQb （5-39） ib 基极电流所提供的电荷用于 B dt 补充基区积累电荷的复合损失和 基区电荷的积累，用于 此即电荷控制分析中描写瞬态基极电流与瞬态基区电荷关系的基本方 发射结和 程。由于此方程是由稳态方程外推所得的。因而是一个近似方程，此 集电结势垒电容充电， 近似方程也只有在一定的条件下才可以使用（频率限制）。 补充超量贮存电荷的积累及其 复合损失。 计及结电容等非本征参数，完整的电荷控制方程为
I f AqDn
n ( 0)
W
W2 Q If 2 Dn
dQ 0 Q I f p dt
(平均停留时间) 11
1 Q AqWn(0) 2
§5.1 p-n结二极管的开关特性
5. 缩短反向恢复时间的措施
两个原则： 1.减少贮存电荷量
减小正向电流
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 4. 薄基区二极管中的贮存电荷
I CS
S
VCC RL
I CS Ib
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)和断开(关)状态，因而可将其作开 关使用。
17
§5.2 晶体管的开关作用
2. 晶体管开关与二极管开关比较
相似之处：
(1)正向时(导通时)管子本身有压降。 (2)反向时(截止时)存在漏电流。 (3)存在开关时间
( I r I f )2 Ir (Ir 2I f )
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
]
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，ts与p、Ir、If有关，分别起复合、抽 取和贮存作用。 实际中可用测ts的方法确定p，是测量少子寿命的 简便方法。
减小少子扩散长度，即缩短少子寿命 减薄轻掺杂区厚度
2.加快贮存电荷的消失过程
缩短少子寿命 增大抽取电流
12
§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
2. 晶体管开关与二极管开关比较 3. 开关运用对晶体管的基本要求 4. 开关过程简介
13
§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
根据高斯定理
V s
J n dxdydz ( J n n )ds in （5-28）
电中性要求： 流入基区电子等 于流入基区空穴
Qb Qb i n t n
（5-29） （5-30） （5-31）
ib i p in
Qb Qb ib t n dQb Qb ib dt n
dQb dQTe dQTc dQX QX ib B dt dt dt dt s Qb
（5-40）
28
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
2. 延迟过程和延迟时间
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。
eb结反偏 零偏 正偏（小） 反偏（小）
29
cb结反偏
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
30
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
2. 延迟过程和延迟时间
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相对应的空穴积累以及 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。
（5-31a）
25
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
dQb Qb ib dt n
（5-31a）
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
QB dQb 0，有 I B 稳态时 （稳态值，角标大写） dt n
稳态时，基极电流等于基区内的少子复合电流
8
§5.1 p-n结二极管的开关特性
3. 反向恢复时间的计算
下降时间tf
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 4. 薄基区二极管中的贮存电荷 5. 缩短反向恢复时间的措施
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Iftp的时间，所得结果较实际的tf短。
在IC中常将npn管的cb短路， 利 用 eb 结 作 为 二 极 管 ， 因 Wp(Wb)<<Lnb， 故 称 之 为 薄 基 区二极管。 正向工作时，p区电子线性 分布。