《基础电子技术》7.1半导体二极管和晶体管的开关特性.pptVIP

基础电子技术 哈尔滨工业大学电子学教研室编 蔡惟铮 主编 王淑娟 杨春玲 齐 明 副主编 HIT基础电子技术电子教案 7.1 半导体二极管和晶体管的 　 开关特性 7.1.1 二极管的开关特性 7.1.2 晶体管的开关特性 在数字电路中，二极管和晶体管往往工作于“开”或“关”的状态，只是从一个稳态过渡到另一个稳态时，快速地通过放大区。 由于存在结电容和分布参数等因素， 二极管和晶体管的“开”或“关”需要一定的时间，由器件的开关特性加以讨论。 7.1.1 二极管的开关特性 7.1.1.1 静态特性 二极管正偏时导通，正向电阻很小；二极管反偏时截止，反向电阻很大，二极管可近似看成一个开关。 二极管处于稳态(或称为静态)的正偏或反偏条件下，可以把二极管看成一个开关，对于低速大信号可使用这个模型。 7.1.1.2 动态特性 当二极管由正偏突然反偏时，二极管开关是否由接通突然也随之转为关断？实验指出，并非如此，实际曲线见下图 。 1. 从正向导通到反向截止 当uI=UH?UD时，相当于二极管加正向电压，且RL?rD时，二极管的正向电流 当ui突然反向，且uI =UL＜0V，相当对二极管反偏。在uI反向后的 一段时间，反向电流大于反向饱和电流，|IR|?|Is|，经过tre时间后，IR才减小到0.1IR，二极管接近关断。 tre称为反向恢复时间。tre又可分为两段，反向电流基本上为恒定的一段，即-IR对应的时间，称为存储时间ts。 反向恢复时间的成因是因为二极管正偏时，载流子产生扩散运动，形成正向电流。这样就在PN结两侧形成了载流子浓度分布的梯度，有了一定数量载流子的积累。正向导电时载流子的这种积累现象叫做电荷存储效应。 当uI突然反向时，这些积累的载流子不会马上消失，除一部分复合外，其余的在外加反向电压作用下形成了反向漂移电流IR。 只要存储的电荷足够多，就可维持住IR这么大反向电流，持续ts时间，该电流的大小由外电路负载电阻RL限制。当存贮电荷逐渐消失而维持不住IR这么大的反向电流时，IR就要开始下降，趋向于-Is 。为便于计算，当该电流下降到0.1IR时，就认为二极管恢复为关断，动态过程结束。 2. 从反向截止到正向导通 当二极管关断后，反向饱和电流很小，这时PN结电容主要为势垒电容。所以，当输入信号由反向突然转为正向时，正向电压首先给势垒电容放电，使PN结内电场由宽变窄，扩散作用加强，使二极管导通，产生正向电流。此时由于结电容很小，放电很快，PN结很快由反偏转为正偏，形成较大的正向电流。 此时，虽然也形成了较大的扩散电容，但是扩散电容已为PN结的较小的正向电阻所旁路，对开通时间影响不大。所以，二极管由截止转为导通的开通时间是很短的，对开关速度影响可忽略。 7.1.2 晶体管的开关特性 7.1.2.1 半导体晶体管的静态开关特性 1. 截止（out off） 当输入信号使uBE＜Uth(on)时（NPN管），iB≤0，iC≈0，晶体管截止。 晶体管截止，发射结和集电结均处于反向偏压之下， iB≤0，iC≈0，相当一个开关的断开。 2. 饱和（Saturation） 当iB≥IBS时，发射结正偏，此时晶体管饱和，饱和集电极电流和饱和基极电流分别为 iB比IBS大的越多，晶体管饱和越深。 7.1.2.2 半导体晶体管的动态开关特性 晶体管的动态开关特性的成因与二极管相似。 1. 开启过程 开启过程是晶体管从截止转化到饱和的过程，这一段所需的时间用ton表示，称为开启时间，而开启时间ton=td+tr。 td称为延迟时间，它对应从uI的正阶跃开始到iC达到0.1ICS所滞后的时间。其成因是输入信号给发射结电容充电，使之从反偏过渡到正偏，建立起基极电流。 tr称为上升时间，它对应从0.1ICS开始到集电极电流达到0.9ICS所需的时间。 经过td后，发射区向基区注入的电子越来越多，基区电子的浓度也越来越大，上升时间tr就是iC从0.1ICS达到0.9ICS所对应的时间。 在基区中电子积累的同时，必须有等量的空穴的积累，才能保持基区电中性。电子是从发射极注入的，而空穴要靠基流iB得到，所以tr与iB的大小有关。iB越大，正向驱动能力越强，基区电荷积累越快，tr越小。 2. 关闭过程