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1、1,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）8 噪声特性,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压降,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。,2,5.1 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4. 薄基区二极管中的贮存电荷5. 缩短反向恢复时间
2、的措施,图5-1 二极管的开关状态,正电平输入，二极管导通，开态负电平输入，二极管截止，关态,与理想开关区别：1.正向压降；2.反向漏电流；3.开关时间。,3,5.1 p-n结二极管的开关特性,2. 电荷贮存效应,图5-2 导通过程中p+-n结内电流、电压和少子密度的变化,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,（5-1）,（5-2）,（5-3）,4,5.1 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
3、-3 关断过程中p+-n结内电流、电压和少子密度的变化,存储时间ts,下降时间tf,关断时间tr=ts+tf，反向恢复时间,2. 电荷贮存效应,5,5.1 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,2. 电荷贮存效应,电荷贮存效应？,6,5.1 p-n结二极管的开关特性,3. 反向恢复时间的计算,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,采用电荷法进行计算。电荷法的优点是概
4、念清楚，所得公式简单而便于应用 。,贮存时间ts,正向时：,稳态时：,反向时：,7,5.1 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,初始条件：,解得：,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),3. 反向恢复时间的计算,（5-12）,8,5.1 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,解得：,上
5、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tp、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tp，是测量少子寿命的简便方法。,3. 反向恢复时间的计算,9,5.1 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,下降时间tf,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。,3. 反向恢复时间的计
6、算,10,5.1 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5. 缩短反向恢复时间的措施,4. 薄基区二极管中的贮存电荷,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。,向其中注入少子的区域称为半导体器件的基区。,11,5.1 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5. 缩短反向恢复时间的措施,4. 薄基区二极管中的贮存电荷,(平均停留时间),12,5.1 p-n结二极管的开关
7、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,两个原则：,1.减少贮存电荷量,2.加快贮存电荷的消失过程,减小正向电流减小少子扩散长度，即缩短少子寿命减薄轻掺杂区厚度,缩短少子寿命增大抽取电流,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,14,5.2 晶体管的开关作用,1. 晶体管的三个状态及开关作用,线性区放大区,饱和区,截止区,15,试分析Vce=0时，Ic=?,16,饱和时，eb结正
8、偏约0.7V，ce间饱和压降约0.2-0.3V，因而集电结正偏。这是进入饱和态的重要标志。,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，取决于负载电阻上承受的电源电压。,5.2 晶体管的开关作用,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。,1. 晶体管的三个状态及开关作用,17,5.2 晶体管的开关作用,集电极饱和电流饱和度过驱动因子饱和压降,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
9、地处于导通(开)和断开(关)状态，因而可将其作开关使用。,1. 晶体管的三个状态及开关作用,18,5.2 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，而二极管 开关没有。,19,5.2 晶体管的开关作用,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；正向压降小，启动功率小；反向漏电流小。开关时间短,20,5
10、.2 晶体管的开关作用,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td上升时间tr贮存时间ts下降时间tf,开启时间ton,关闭时间toff,开关时间,21,22,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,1. 电荷控制理论2. 延迟过程和延迟时间3. 上升过程和上升时间4. 电荷贮存效应和贮存时间5. 下降过程和下降时间6. 提高开关速度的措施,23,5.3 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
11、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。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。,24,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,1. 电荷控制理论,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。
12、对于npn晶体管，基区电子连续性方程为,（5-25）,（5-26）,25,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,（5-28）,根据高斯定理,（5-29）,（5-30）,（5-31）,（5-31a）,1. 电荷控制理论,进入基区净的电子电流in净流入基区电子对应的电流(-in),电中性要求：流入基区电子等于流入基区空穴,26,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,（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,稳态时 ，有 （稳态值，角标大写）,稳态时，基极电流等于基区内的少子复合电流,1. 电荷控制理论,27,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,定
13、义基极时间常数 将稳态下基区贮存的少子电荷与相应的基极电流联系起来。,集电极时间常数,发射极时间常数,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,1. 电荷控制理论,28,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,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，此近似方程也只有在一定的条件下才可以使用（频率限制）。,（5-39）,（5-40）,计及结电容等非本征参数，完整的电荷控制方程为,物理意义：基极电流所提供的电荷用于补充基区积累电荷的复合损失和基区电荷的积累，用于发射结和集电结势垒电容充电，补充超量贮存电荷的积累及
14、其复合损失。,1. 电荷控制理论,29,5.3 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）,cb结反偏,反偏（小）,30,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,31,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,在延迟过程中，基极电流IB1提供的空穴有下列用途：给eb结充电；给cb结充电；在基区建立与0.1Ics相对应的空穴积累以及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
15、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。,2. 延迟过程和延迟时间,32,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,延迟时间的计算将根据延迟过程中结电压和电流的变化分两个阶段，分别列出电荷控制方程和求解。,第一阶段： 基极输入正脉冲晶体管开始导通Ic0第二阶段： Ic由00.1Ics,实际的延迟过程,属于上升过程,2. 延迟过程和延迟时间,33,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,2. 延迟过程和延迟时间,34,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,3. 上升过程和上升时间,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0(0.1Ics)到Ics(0.9Ics)的电荷（
16、梯度）的过程。,eb结反偏,零偏,正偏（小）,cb结反偏,反偏（小）,正偏,正偏（小）,延迟,上升,35,5.3 晶体管的开关过程和开关时间, 继续向发射结势垒电容充电； 继续向集电结势垒电容充电； 增加基区电荷积累； 补充基区电荷在积累过程的损失,3. 上升过程和上升时间,36,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,基区少子分布,集电极电流 0-0-0.1Ics-0.9Ics-,发射结电压 -VBB-Vjo(0.5V)-0.7-,集电结电压 -(Vcc+VBB)- -(Vcc-Vjo)-0V-正偏-,时间结点 0-td1-td2(t1)- 0-t1-t2-,延迟时间,延迟过程,上升过程,上升时
17、间,t0,t1,t2,td1,td2,tr,37,上升过程以Ic为标志，故将电荷方程变换成Ic的关系计算,式中采用了以下变换:,38,上升过程以Ic为标志，故将电荷方程变换成Ic的关系计算,39,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,4. 电荷贮存效应和贮存时间,电荷贮存效应：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/bDC（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IBX，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
18、而逐渐消失，使得集电极电流不能立即对输入负脉冲作出响应。,40,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,4. 电荷贮存效应和贮存时间,41,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,4. 电荷贮存效应和贮存时间,Jnb,42,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,贮存时间的计算即讨论超量贮存电荷的消失,定义贮存时间常数,其中，QX为晶体管中总的超量贮存电荷。ts则是过驱动电流IBX对基区、集电区充电以形成超量贮存电荷的充电时间常数。,4. 电荷贮存效应和贮存时间,43,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,超量贮存电荷的消失,基区电荷QB的复合电流,超量贮存电荷自身复合的复合电流,基极抽取电流,4. 电荷贮
19、存效应和贮存时间,(5-60),44,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,变换（5-60）为,（5-61）,初始条件,解得,（5-62）,4. 电荷贮存效应和贮存时间,45,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,当t=ts1时，超量贮存电荷完全消失QX=0，代入(5-62),得,（5-63）,至此，存贮过程结束，但IC尚未减小，即存贮时间的tS2将在下降过程中计算。,4. 电荷贮存效应和贮存时间,46,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,贮存时间常数tS的计算,晶体管中总的超量存贮电荷为QX=QBSF+QBSR+QCS-Qb,4. 电荷贮存效应和贮存时间,47,5.3 晶体管的开关过程和开关时间
20、,4. 电荷贮存效应和贮存时间,48,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,缩短贮存时间的途径：,缩短集电区少子寿命，既可减小QCS，又可加速QCS的消失掺金,金在硅中有两个能级，在n型硅中，金接受电子，受主能级起主要作用。在p型硅中，金释放电子，施主能级起主要作用。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-npn管中掺金既可以有效地缩短tpc而又不至于影响tnb，从而不会影响电流放大系数。,4. 电荷贮存效应和贮存时间,49,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,5. 下降过程和下降时间,贮存过程结束时，QX=0，QB相当于上升过程结束时的
21、状态。IB2继续抽取QB、QTc及QTeIC由ICS0.9ICS0.1ICS为上升过程的逆过程：QB、IC、Veb、Vcb,50,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,于是，,（5-75）,5. 下降过程和下降时间,基极电流的作用在上升过程中，基极驱动电流IB1注入空穴对CTe、CTc充电；积累Qb；补充Qb积累过程中的复合基极抽取电流-IB2抽走空穴使CTe、CTc放电;抽走Qb,基区复合的作用在上升过程中，复合作用阻碍Qb的积累，延缓上升过程，增大tr在下降过程中，复合作用加快Qb的消失，加速下降过程，缩短tf,51,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,代入相关各量与Ic关系,（5-76）,
22、利用t=t3=0时，Ic=Ics为初始条件，解得,（5-77）,5. 下降过程和下降时间,52,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,5. 下降过程和下降时间,53,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,基区少子分布,集电极电流 Ics-Ics-0.9Ics-0.1Ics-,发射结电压 0.7V-0.7V-0.5-零偏-反偏,集电结电压 正偏-0V-0V-反偏-,贮存时间,贮存过程,下降过程,下降时间,t3,t4,t5,ts1,ts2,tf,54,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,6. 提高开关速度的措施,td,tr,ts,tf,减小结面积，以减小结电容减小IB2，增大IB1,减小结面积，以减小
23、结电容减小基区宽度，更快建立梯度增加基区少子寿命，加强基区输运，减小复合增大IB1,IB1不要太大，不要饱和太深减小Wc或Lpc加大IB2减小tpc掺金,减小结面积，以减小结电容减小基区宽度，更快建立梯度增大IB2,55,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,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矛盾的。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
24、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。 其中以贮存时间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。,6. 提高开关速度的措施,56,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,6. 提高开关速度的措施,其中以贮存时间tS为最长,57,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,(一)开关管的设计思想 (1)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寿命一方面减少导通时的超量存贮Qcs，同时加速关闭时的复合。 (2)采用外延结构并：减小外延层厚度，降低外延层电阻率，以减小集电区少于寿命。前者从空间、后者从时间上限制Qcs。
25、这两项措施也同时减小集电区串联电阻rcs，从而对减小饱和压降Vces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。 (3)减小结面积，以减小CTe、CTc，这可有效地缩短td、tr、tf。但结面积最小尺寸受集电极最大电流JCM及工艺水平的限制。 (4)减小基区宽度，减小Qb，可使tr、tf大大降低(浓度梯度变化快)。,6. 提高开关速度的措施,58,5.3 晶体管的开关过程和开关时间,(二)开关管应用电路选择原则 (1)加大IB1:充电快，可缩短td、tr。同时由于IB1较大，增加了饱和深度S，对降低饱和压降Vces有利，但同时也由于增加了超量存贮电荷量而使tS延长，一般控制
26、S4来选择适当的IB1。 (2)加大(-IB2)：反向抽取快，可缩短tS、tf，但要注意应选在-VBB和Rb的允许范围之内。 (3)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Qx，则tS0，但此时c、e之间的压降Vce较高(接近0.7V)。是否可以非饱和运用要视电路条件而定。 (4)负载电阻的选择；在Vcc与IB1一定时，选择较小的RL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尽量小些。,6. 提高开关速度的措施,59,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,正向压降
27、、饱和压降和开关时间一样，都属于开关晶体管的特征参数。 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)的电压降称为共发射极饱和压降，记为Vces。,60,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,1. 正向压降Vbes,即发射极与基极两极之间的电压降。它包括：eb结的结压降Ve；eb结到基极电极接触之间的基区体电阻rb上的电压降Ibrb；eb结到发射极电极接触之间的发射区体电阻res上的压降Ieres。,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
28、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做好时也会使电极的接触电阻大大增加而导致res增大。而后者又往往是Vbes不合格的重要原因。,61,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,1. 正向压降Vbes,Vbes主要决定于发射结压降,62,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,2. 饱和压降Vces,作为开关晶体管的输出特性，它直接影响着逻辑电路的输出电平和功耗。Vces包括四个部分： eb结的结压降Ve； cb结的结压降Vc； 发射极串联电阻res上的压降Ieres； 集电极串联电阻rcs上的压降Icrcs。,(5-82),63,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,由于饱
29、和态时晶体管的两个结均处于正偏，所以(Ve-Vc)项很小，且与饱和深度有关。图5-31中，随Jb增加，Vces减小且趋于恒定值，反映了上述关系。,2. 饱和压降Vces,64,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,绝大多数晶体管的发射区体电阻res很小，故式(5-82)中第二项可以略去。第三项中rcs的数值强烈地依赖于集电区的掺杂情况，这在各类晶体管中差异很大。此处讨论集电区重掺杂和集电区轻掺杂两种典型情况。,2. 饱和压降Vces,(5-82),65,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,合金管,外延平面管或台面管,2. 饱和压降Vces,66,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,图
30、5-33 覆盖二极管对饱和压降的影响,2. 饱和压降Vces,67,图 5-34 n+pn-n+晶体管的饱和特性,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,放大区,饱和区,临界饱和线,完全饱和区/深饱和区,部分饱和区/浅饱和区,集电区掺杂浓度低，串联电阻 rCS不可忽略。其上压降和阻值的变化（集电区电导调制效应）引起两段饱和特性。参见108页图2-57,2. 饱和压降Vces,68,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,(5-82),浅饱和区，集电结虽已正偏，rCS较大，Vces也较大，且主要成分为Icrcs，故饱和压降随rcs而变化，呈电阻特性。深饱和区，rCS因超量存贮电荷的积累而减小，结压降差成为Vces的主要成分，故与集电区重掺杂情况相似。,2. 饱和压降Vces,69,5.4 开关晶体管的正向压降和饱和压降,
