三极管开关特性
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
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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。
三极管的开关特性
三极管的开关特性在脉冲与数字电路中，三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。
三极管工作在饱和状态时，其UCES≈0，相当于开关的接通状态；工作在截止状态时，IC≈0，相当于开关的断开状态，因此，三极管可当做开关器件使用。
结型场效应管场效应管（Fjeld Effect Transistor简称FET ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。
场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。
与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。
图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。
一、结构与分类图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。
它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P+表示），形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。
在形成PN结过程中，由于P+区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大二、工作原理N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。
下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。
电路如图Z0123所示。
由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。
漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。
1．栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS＝0）在图Z0123所示电路中，UGS ＜0，两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，ID=0。
若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。
二极管、三极管的开关特性
C断，F灭
断“0”
合“1” 亮“1”
灭“0”
A 0 0 0 0 1 1 1 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
C 0 1 0 1 0 1 0 1
F 0 0 0 1 0 1 0 1
逻辑函数式
F =（A+B）C
二极管构成的与门
A 0 0 1 1 二极管构成的或门 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Z 0 1 1 1 B 0 1 0 1 Z 0 0 0 1
VO
c
RB b Vi N N P
0 VCC RC Vi RB
IC ≠β IB 这时候三极管进入饱和状态。 此时输出电压VO接近于 0。
IB
e
相当于C-E间直通。 实际的三极管在饱和状态下CE间是有一定电压的， 一般为 0.2V，这个电压称为三极管的饱和电压。
（1）截止
c b
（2）饱和
c b 0.7V
F
或逻辑运算符，也有 N个输入： 用“∨”、“∪”表 逻辑表达式 示 F= A + B+ ...+
F= A + B
N
非逻辑
当决定某一事件的条件满足时，事件不发 生；反之事件发生，
非逻辑真值表 A F 0 1 1 0
逻辑表达式
“-”非逻辑运算符
F= A
逻辑符号 1 A
F
三、复合逻辑运算 与非逻辑运算 或非逻辑运算 与或非逻辑运算
A
B
=1
F
二极管与门电路 工作原理
A、B中有一个 或一个以上为 低电平0V 则输出F就为低
3V 0V 3V 3V A 0V 0V 3V 3V B 0V 3V 0V 3V
0V 3V
三极管npn工作原理
三极管npn工作原理三极管是一种重要的电子元器件，在电子与电路领域得到广泛应用。
它是由三个控制区域构成的半导体器件，具有放大、开关等多种作用。
其中NPN型三极管是一种常见的类型，本文将介绍NPN型三极管的工作原理以及相关参考内容。
NPN型三极管由三个不同的掺杂的半导体区域构成，分别是一个大的n型半导体（基区），被包围在两个较小的p型半导体（发射区和集电区）之间。
NPN型三极管的工作原理是基于这三个区域之间的控制以及电流流动的性质。
接下来将从npn三极管的工作原理、三极管的工作过程、三极管的放大特性、三极管的开关特性等方面进行讨论。
1. NPN型三极管的工作原理：NPN型三极管的工作原理基于PN结的正向和反向偏置。
当集电极与发射极之间的电压(Vce)小于零时，PN结被反向偏置，其中的发射结处于反向偏通态，基结处于正向偏通态。
此时，结电容的空间电荷区被放大，阻止电流流过。
换句话说，电压小于负值时，三极管处于"截止"区。
当Vce大于零时，PN结处于正向偏置。
此时，基结处于正向偏通态，发射结通过电流流动。
当输入信号（即基极电流）增加时，发射区域的感应电流也随之增加，导致集电区的电流增加。
因此，NPN型三极管是一个放大器。
2. NPN型三极管的工作过程：NPN型三极管的工作过程可以分为三个阶段：截止区、放大区和饱和区。
截止区：当Vce小于零时，三极管工作在截止区。
此时，电流不会流经三极管，相当于一个开路。
放大区：当输入信号（即基极电流）增加时，三极管工作在放大区。
此时，输入电流的微小变化能够导致输出电流的显著增长，从而实现信号的放大。
饱和区：当输入信号增加到一定程度时，三极管将进入饱和区。
此时，三极管的放大能力达到最大值，再增大基极电流也无法进一步增加集电区的电流。
这时，三极管相当于一个导通的开关。
3. NPN型三极管的放大特性：NPN型三极管可以将输入信号的小变化放大到较大的输出信号，具有放大能力。
双极型晶体三极管(BJT)的开关特性
三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态， 在数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态 管的截止状态和可靠截止的条件
当vI很小，如vI<0.5V时 A.vBE小于开启电压，B－E 间，C－E间都截止 B. C.三极管工作在Q1点或Q1点以下位置，三极管的
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，进入可靠饱和状态VCE=VCES≈0.3V
可靠饱和条件：iB>=IBS 或者 iC>= ICS （ICS= IBS）
三、三极管开关的过渡开关特性
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, 建立基区电荷时间
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， 存储电荷消散时间
开关时间为纳秒级，它限制了三极管开关的工作速度
这种工作状态叫截止状态
NPN硅三极管截止的条件为vBE≤0.5V，可靠截止的条件为vBE≤0V。
二、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 iB=IBS 临界饱和电流， VCE=VCES≈0.7V
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
二极管和三极管的开关特性
第一节二极管的开关特性一般而言，开关器件具有两种工作状态：第一种状态被称为接通，此时器件的阻抗很小，相当于短路；第二种状态是断开，此时器件的阻抗很大，相当于开路。
在数字系统中，晶体管基本上工作于开关状态。
对开关特性的研究，就是具体分析晶体管在导通和截止之间的转换问题。
晶体管的开关速度可以很快，可达每秒百万次数量级，即开关转换在微秒甚至纳秒级的时间内完成。
二极管的开关特性表现在正向导通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。
二极管从反向截止到正向导通与从正向导通到反向截止相比所需的时间很短，一般可以忽略不计，因此下面着重讨论二极管从正向导通到反向截止的转换过程。
一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程在上图所示的硅二极管电路中加入一个如下图所示的输入电压。
在0―t1时间内，输入为+V F，二极管导通，电路中有电流流通。
设V D为二极管正向压降（硅管为0.7V左右），当V F远大于V D时，V D可略去不计，则在t1时，V1突然从+V F变为-V R。
在理想情况下，二极管将立刻转为截止，电路中应只有很小的反向电流。
但实际情况是，二极管并不立刻截止，而是先由正向的I F变到一个很大的反向电流I R=V R／R L，这个电流维持一段时间t S后才开始逐渐下降，再经过t t后，下降到一个很小的数值0.1I R，这时二极管才进人反向截止状态，如下图所示。
通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。
其中t S 称为存储时间，t t称为渡越时间，t re=t s+t t称为反向恢复时间。
由于反向恢复时间的存在，使二极管的开关速度受到限制。
二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压V F时，载流子不断扩散而存储的结果。
当外加正向电压时Ｐ区空穴向Ｎ区扩散，Ｎ区电子向Ｐ区扩散，这样，不仅使势垒区（耗尽区）变窄，而且使载流子有相当数量的存储，在Ｐ区内存储了电子，而在Ｎ区内存储了空穴，它们都是非平衡少数载流于，如下图所示。
三极管的开关电路
三极管开关特性NPN共射极三极管开关特性1,特性曲线输入特性：1，诸管和硅管在同样的V BE下，诸管i B电流较大。
2，由输入曲线看，VCE>1V，在增加iB，iC增加不多。
3，VON为开启电压，硅管为0.5~0.7V；锗管为0.2~0.3V。
输出特性：1，放大区（线性区），Ic随Ib成正比变化，几乎不受Vce变化的影响；B为电流放大系数。
在这里三极管才有放大作用，此时管子的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置；2，饱和区，Ic不在随着Ib以B倍的比例增加而趋于饱和。
硅管进入饱和的Vc e=0.6~0.7V；在深度饱和状态下，集电极和发射间的饱和压降Vce在0.3V以下。
这时，集电极和发射极饱和导通，发射结、集电结都处于正向偏置；3，截止区，Ib=0，Ic几乎等于0，集电极和发射极好像断路（称截止），管子的发射结、集电结都处于反向偏置。
只有很小的Iceo流过，硅管一般在1uA 以下。
开关特性；1，当Vin很小，Vbe<Von，Ib=0，Ic≈0；电阻RC上没有压降，三极管处于关断状态。
Vout=VCC。
2，Vin增加，Vbe>Von以后，Ib产生，同时Ic流过RC，三极管开始进入放大区，Ib=（Vout-Von）/Rb；Vout=Vcc-βIbRc；上式说明，随着Vin增加，Ib增加，Rc的压降增加，Vout随着减少。
当RC的压降接近于VCC时，三极管的压降接近于0，三极管处于深度饱和状态，电路处于导通状态。
深度饱和时三极管需要的电流为 I BS=(VCC-VCE)/ βRc ;Ib》I BS，是保证三极管处于饱和工作状态，开关电路输出低电平。
3，实际使用的时候，电路都满足饱和压降Vce≈0,截止时Iceo≈0。
所以可以用下图等效，4，由于三极管的内部变化需要时间，所以Ic一般滞后于Vin的变化，也导致Vout滞后于Vin。
这种滞后现象也可以ongoing三极管b-e间，c-e间都存在结电容效应来理解。
【2019年整理】三极管的开关特性,门电路教程
图2.2.8 用图解法分析图2.2.7电路
(a)电路图 (b)作图方法
截止.饱和条件:
截止条件:VBE 0V (或VBE 0.5V )
饱和条件: IB IBS
图2.2.9 双极型三极管的开关等效电路
(a)截止状态 (b)饱和导通状态
2.3 最简单的与、或、非门电路 图2.3.1 二极管与门
注意：P沟的开启电压是负值 栅极电压要低于源极。 两管导通时的电阻较小为RON 两管截止时的电阻很大为ROFF
N沟道增强型和P沟道增强型
(1) 当输入电压VI为低电平 时，VI=0 T1管导通，T2管截止，输 出电压V0为：
VDD
(2) 当输入电压VI为高电平 时，VI=VDD
T1管截止，T2管导通，输 出电压V0为：0v
（一）、TTL门电路 我们以TTL与非门电路为例，分析一下TTL电路的特 点，特别是输出级的结构，因为大多数TTL门电路的输 出级都是这种结构。
图2.4.1 TTL反相器的典型电路
非门内部电路工作原理
A 为0.2v
3.4V
0.9v 2.1v
1.4v
0.5v
5v
1v 1v
3.6v
0.7v 0.3v
出现大量的反向电流的原因：
较大的反向漂移电流 tre 一般为纳秒数量级
2.2.2 三极管的开关特性
在数字电路中，三极管是作为开关使用的。 三极管
截止相当于开关断开；三极管饱和相当于开关闭合；因此 我们最关心三极管截止和饱和时的情况。
一、开关特性
图2.2.6 双极型三极管的特性曲线
(a)输入特性曲线 (b)输出特性曲线
图2.3.2 二极管或门
图2.3.3 三极管非门（反相器）
名词解释三极管的开关特性
名词解释三极管的开关特性三极管是一种重要的电子器件，常用于电子电路中的开关和放大功能。
它由三个控制层、基本层和输出层组成，具有灵活的开关特性。
在电子技术领域中，三极管的开关特性是指在特定电压和电流条件下，三极管可以实现开关的状态转换，即在低电压输入情况下传导电流，而在高电压输入情况下截断电流。
三极管的开关特性是由其特殊的结构和材料性质所决定的。
它包括两种常见类型：NPN型和PNP型。
NPN型三极管由两个P型半导体夹着一个N型半导体构成，而PNP型三极管则相反，由两个N型半导体夹着一个P型半导体构成。
这种结构可以实现电流的双向流动，并且通过控制基极电流可以实现开关的状态变化。
在三极管的开关特性中，主要存在两种工作状态：饱和状态和截止状态。
饱和状态是当三极管的输入电压高于一定阈值时，经过适当的基极电流驱动后，三极管的集电极与发射极之间的电压非常低，导致电流流过。
这种状态下，三极管相当于一个导通的开关，电流可以在电路中流动。
而截止状态则是当三极管的输入电压低于一定阈值时，三极管的集电极与发射极之间的电阻非常高，导致电流无法流过。
此时，三极管相当于一个断开的开关，电路中的电流被截断。
三极管的开关特性在电子电路中起到了重要的作用。
它可以实现逻辑门、计时器、振荡器等电路的构建。
通过控制三极管输入电压的变化，可以改变电路中的电流流向，实现不同的功能。
在数字电路中，三极管的开关特性被广泛应用于逻辑门的设计和实现。
通过组合不同的逻辑门，可以构建出各种复杂的电路，用于处理和操作数字信号。
除了在数字电路中的应用，三极管的开关特性在模拟电路中也有广泛的应用。
在放大器电路中，三极管可以作为信号放大的关键元件，通过控制输入电压的变化，实现对输入信号的放大和处理。
在功率放大电路中，三极管可以承受高电流和高功率的输入，实现对功率信号的放大和转换。
总结起来，三极管的开关特性在电子电路中起着重要的作用。
通过控制输入电压和电流条件，三极管可以实现开关的状态转换，从而实现电路功能的改变。
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3．2．1三极管开关特性
1、静态开关特性
在数字电路中，三极管是作为一个开关来使用的，它不允许工作在放大状态，而只能工作在饱和导通状态（又称饱和状态）或截止状态。
请看下面的分析。
(1)、截止
当输入时，基射间的电压小于其门限电压Uth（0.5V）,三极管截止，电流≈0，电流≈0，输出＝≈VCC，这时，三极管工作在上图中的A点。
为了使三极管能可靠截止，应使发射结处于反偏，因此，三极管的可靠截止条件为: 。
三极管截止时，E、B、C三个极互为开路。
(2)、饱和
当输入时，使三极管工作在临界饱和状态，如上图中的S点。
在该点上：
因此，三极管饱和条件为：
当三极管饱和时，达到最大；达到最小。
C、B、E为连通。
2、动态开关特性
三极管工作在开关状态时，其内部电荷的建立
C 的变化总是滞后于输入电
这说明三极管由截止变为饱和或由饱和变为截止都需要一定的
正跳
发射区开始向基区扩散电子，并形成基极。
同时基区积累的电子流向集电区形成集电。
随着基区积累
不断增大，
三
这时，
基区内存储电荷更多，三极管饱
正跳
C
所需的时间称为开
正跳
3、抗饱和三极管
三极管饱和越深，开关速度越低。
因此，要提高电路的开关速度，就必须使三极管工作在浅饱和状态，减少存储电荷的消散时间，为此，需要采用抗饱和
三极管。
在普通双极型三极管的基极B和集电极C之间并接一个肖特基势垒二极管（简称SBD）便构成了抗饱和三极管，由于SBD的开启电压只有0.3V，其正向压降约为0.4V，它远比普通硅二极管0.7V的正向压降小得多。
因此，当三极管进入饱和状态时，其集电结为正偏。
这时，SBD导通，使B、C极间的电压被钳在0.4V上，并分流部分基极电流，从而使三极管工作在浅饱和状态。