第六章 双极晶体管的开关特性

1 βI b1 tr = β + CTC RL ln 2πfT βI b1 − I cs
3）分析如何减小tr ）分析如何减小
β ↑→ t r ↓
fT ↑→ t r ↓
CTC ↓→ t r ↓
6.2 晶体管的开关过程和开关时间 3、储存时间 、 1）超量储存电荷的形成 ）
VCE = EC − I c RL
βI b1 + β I b 2 t s = τ C ln ′ I + βI t = t s , QC (t s ) = 0 b2 cs

β
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， 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。 与上升过程相反。 dv dv Q
第六章 双极型晶体管的开关特性
6.1 晶体管的开关作用 内容 6.2 晶体管的开关过程 和开关时间 6.3 开关晶体管的正向压 降和饱和压降
6.1 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
1. 晶体管的工作状态及开关作用
− I b 2 = (C De + CTe )
−t
BE
dt

+ (C Dc + CTc )
BC
dt
+
ic (t ) = − βI b 2 + [β I b 2 + I cs ]e
1 β ω + RL CTC T
t = 0, ic (0 ) = I cs
τB
B
ic (t f ) = 0
I cs =
I BS
VBC = VBE − EC + β I B RL
EC − 临界饱和压降 EC ≈ RL RL
I cs
EC = ≈ β β RL
I B − I BS = I B − ≈ IB − EC β RL
I cs
S
β
T Q
S=
IB I = B I BS I CS β
过驱动因子 R
n+
p nb(x) ② Qbx ①
Vbie 1 td = CTe (0) I b1 1 − me
1− me 1− me VF V EB + CTc (0) bic 1 + − 1 − V 1 − mc Vbie bie
−m
V 1 + bic 1 − mc
－EB→VF − (EB + EC ) → −(EC − VF )
es − E B − VBE es c结的电压在延迟期间 结的电压在延迟期间 iB = ≈ = I b1 的变化范围： 的变化范围： Rb Rb
延迟时间
dvbe dvbc I b1 = CTe + CTc dt dt
1，突变结 V 2 CT (V ) = CT (0)1 − m 1 V bi 3，缓变结
6.2 晶体管的开关过程和开关时间 1.延迟过程和延迟时间 延迟过程和延迟时间 2.上升过程和上升时间 上升过程和上升时间 3. 电荷贮存效应和贮存时间 4. 下降过程和下降时间 5. 提高开关速度的措施
1.延迟过程和延迟时间 延迟过程和延迟时间 延迟过程： 延迟过程：当晶体管从关态向开态转 化时， 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。 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有输 出电流的过程。 出电流的过程。 e结的电压在延迟期间 结的电压在延迟期间 的变化范围： 的变化范围： c结反偏 结反偏 零偏 反偏（ 正偏（ 反偏（小） 正偏（小） e结反偏 结反偏
1 βI b 2 + I cs tf = β + CTC RL ln βI b 2 2πfT
5、提高开关速度的措施： 、提高开关速度的措施：
td tr ts •IB1不要太 大，不要饱 和太深 •减小 c 减小W 减小 •加大I •加大Ib2 加大 •减小τc 减小τ 减小 •掺金 掺金 tf •减小结面积， 减小结面积， 减小结面积 以减小结电 容 •减小基区宽 减小基区宽 度，更快建 立梯度 •增大 b2 增大I 增大 减小结面积， •减小结面 •减小结面积， 减小结面 减小结面积 积，以减 以减小结电容 小结电容 •减小基区宽度， 减小基区宽度， 减小基区宽度 •减小 b2， 更快建立梯度 减小I 减小 增大I 增大 b1 •增加基区少子 增加基区少子 寿命， 寿命，加强基区 输运， 输运，减小复合 •增大 b1 增大I 增大
qb = icτ b
dqE = CTE dvBE = CTE re dic = τ eb dic
作用之三：对CTC充电
dqc = CTC dvBC = CTC (rcs + RL )dic = (τ c + CTC RL )dic
作用之四：补充因复合二损失的多子，并向发射区 注入少子，在放大区这部分电流为 ic / β
Ebersmoll 方程
qV I F = I ES exp E kT qV − 1 I R = I CS exp C kT − 1
I E = −I F + α R I R
I C = αI F − I R
I E = −I F + α R I R
I C = ( EC − VCE ) / RL
饱和区
VBC = VBE − EC + β I B RL
EC − VCES EC I cs = ≈ RL RL
S
T 线性区 放大区 Q
截止区 R
2. 晶体管开关与二极管开关比较 相似之处： 相似之处： (1)正向时 导通时)管子本身有压降。 正向时(导通时 管子本身有压降。 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。 反向时(截止时 存在漏电流。 反向时 截止时)存在漏电流 (3)存在开关时间 存在开关时间 不同之处： 不同之处： (1)晶体管开关的输出波形与输入波形相位差 晶体管开关的输出波形与输入波形相位差180。 晶体管开关的输出波形与输入波形相位差 。 而二极管开关是同相位的。前者可在集成电路中作倒相 而二极管开关是同相位的。 器。 (2)晶体管开关有电流及电压的放大作用，而二极 晶体管开关有电流及电压的放大作用， 晶体管开关有电流及电压的放大作用 管开关没有。 管开关没有。
I C = αI F − I R
Ebers-moll 等效电路
包括串联电阻的 Ebers-moll等效电路 等效电路
2） 放大区的 ） 放大区的Ebers-moll等效电路 等效电路
I E = −I F + α R I R
I C = αI F − I R
VBE 〉 0, VBC 〈0
I E = − I F − α R I CS
= −αI E + (1 − αα R )I CS = −αI E + I CBO I C = αI F − I R
放大区的 Ebers-moll 等效电路
3） 截止区的 ） 截止区的Ebers-moll等效电路 等效电路
I E = −I F + α R I R
I C = αI F − I R
VBE 〈0, VBC 〈0
反向基极电流的抽取， 反向基极电流的抽取，自 身复合及补充临界存储电 荷以下的电荷， 荷以下的电荷，维持集电 极电流基本不变。 极电流基本不变。
′ QC = τ C (I B − I BS )
′ ′ dQC QC I cs =− − Ib2 + τC β dt
′ ′ dQC QC I cs =− − Ib2 + Q′ (0 ) = τ (I − I ) = τ I − I cs dt τC β C C b1 BS C B

1− mc
E − VF − 1 + c Vbic

1 [CTe (0) + CTc (0)](VF + EB ) td = I b1
2、上升过程和上升时间 、 1）上升过程中Ib1的作用 作用之一： 增加与qb等量的多子电荷，相当于对CDE充电 作用之二： 对CTE充电
IE = −IF + α RIR
IC = αI F − I R
qV I F = I ES exp E kT
I E = −α R I C − (1 − αα
I C = − α I E − (1 − αα
R
R
)I F
IE = qV −α R I C − I EBO exp BE kT − 1
I F = − I ES I R = − I CS
I E = I ES − α R I CS = (1 − α ) I ES
I C = −α I ES + I CS = (1 − α R ) I CS
截止区的 Ebers-moll 等效电路
4） 受端电流控制的Ebers-moll等效电路 ） 受端电流控制的 等效电路
3. 开关运用对晶体管的基本要求 开态和关态特性好 饱和压降小，消耗功率小； 饱和压降小，消耗功率小； 正向压降小，启动功率小； 正向压降小，启动功率小； 反向漏电流小。 反向漏电流小。 开关时间短
4. 开关过程简介
开关过程 延迟 上升 贮存 下降 开关时间 延迟时间t 延迟时间td 上升时间t 上升时间tr 贮存时间t 贮存时间ts 下降时间t 下降时间tf 关闭时间t 关闭时间 off 开启时间t 开启时间 on 开关时间