晶体管由截止区转换到饱和区，或由饱和区转换到截 止区，可以通过加在其输入端的外界信号来实现，因此转 换速度极快，可达每秒几十万次到几百万次，甚至更高。
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
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
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。
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
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）。
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
截止区
发射结反偏，集电结反偏，IC=ICEO≈0。
基极电流IB则
由这两个电流组成， 因而IB≈IEBO+ICBO。 由于基极电流很小，
因此，可以用输出特 性曲线中IB=0的一条 线作为放大区和截止
区的分界线。
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
小结
●晶体管的开关作用，是通过基极控制信号（IB）， 使晶体管在饱和（或导通）态与截止态之间往复
转换来实现的。
●它与理想开关的主要差别在于开态时晶体管开关
上的压降 VCE 0 ；关态时回路中还存在一
定的电流ICEO，因而回路电流 IC 0 。
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
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
第5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
5.2 开关晶体管的静态特性 5.3 晶体管开关的动态特性 5.4 习题
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
● —— 本章重点
开关晶体管开关原理 （静态特性）
晶体管到开关过程 （延迟过程、上升过程、 超量储存电荷消失过程、 下降过程）
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
临界饱和时集电极电流
I CS
VCC 临界饱和压降 RL
VCC RL
晶体管达到临界饱和时的基极驱动电流，称为临界 饱和基极电流IBS。
I BS

I CS


VCC
R L
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
若基极驱动电流IB>IBS，则晶体管将处于过驱动 状态，过驱动电流
I BX
IB
I BS
IB

VCC
R L
过驱状态下，集电结正偏，晶体管处于饱和 状态，过驱动电路越大，饱和深度越深。
晶体管的饱和程度，可以用饱和深度S来描述。
S IB IB
I BS I CS
临界饱和，S=1 深度饱和，S>1
I1

V1 RL
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
说明
把二极管作为开关使用时，若回路处 于开态，在“开关”（即二极管）上有微 小压降；当回路处于关态时，在回路中有 微小电流，这与一般的机械开关有所不同。
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
二极管的反向恢复时间
下降过程是上升过程的逆过程，下降过程 中同样存在载流子的复合，而复合使下降速度 变快。
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 开启时间（关态→开态）
ton td tr
关断时间（开态→关态）
toff t s t f
为了分析开关 特性的需要，我们 将倒向（反向）放 大区也一并提出进 行分析。
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
发射结和集电结的偏置情况， 集电极输出电流IC和基极输入电流IB之间的关系
上海电子信息职业技术学院半导体Biblioteka 件物理第五章 晶体管的开关特性
饱和区 饱和区的特点是发射结正偏VBE>0，集电结 也处于正偏，VBC>0，集电极电流和基极电流间 满足IC≤βIB的关系。 基极回路中输入一幅值VI>VBB的正脉冲，基极 电流IB将立即跳变，晶体管将沿着输出特性的负载线， 由截止区进入放大区。这时，集电极电流IC随着IB的 增大而很快上升，管压降VCE则随着IC的增大而下降。 当管压降下降到VCE=VCC-ICRL=VBE时，集电结由反 偏变为零偏，使集电结收集载流子的能力减弱，IC随 IB增长的速度开始变慢，这时晶体管即进入临界饱和 状态。
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
反向恢复时间限制了二极管的开关速度。 如果脉冲持续时间比二极管反向恢复时间长得 多，这时负脉冲能使二极管彻底关断，起到良好的 开关作用； 如果脉冲持续时间和二极管的反向恢复时间差 不多甚至更短的话，这时由于反向恢复过程的影响， 负脉冲不能使二极管关断。 所以要保持良好的开关作用，脉冲持续时间不 能太短，也就意味着脉冲的重复频率不能太高，这 就限制了开关的速度。
第五章 晶体管的开关特性 5.3 晶体管开关的动态特性
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
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
为使晶体管具有良好的开关状态，有以下五个要求：
（1）ICE0小，使开关电路截止时接近于断路（开路），关 断性良好；
（2）VCES小，使开关电路接通时接近于短路状态，接通 性良好；
载流子积累过程中存在载流子的复合，复合使 积累速度变慢。
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
超量储存电荷消失过程 当t=t4时，IC=0.9ICS，定义ts=t4-t3为储存时间。
下降过程
集电极电流IC也就从0.9ICS逐步下降到0.1ICS，在 t=t5时，IC=0.1ICS，定义tf= t5- t4为下降时间。
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
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
在开态时，流过负载的稳态电流为I1
I1

V1 VJ RL
在关态时，流过负
载的电流就是二极管 的反向电流IR。
V1为外加电源电压，VJ为二极管 的正向压降，对硅管VJ约为0.7V， 锗管VJ约为0.25V，RL为负载电阻。 通常VJ远小于V1，所以上式可近似 写为
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理 5.2 开关晶体管的静态特性
晶体管共射开关电路原理图
第五章 晶体管的开关特性
VBB 偏置电压 RL 负载电阻
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
当基极回路中输入一幅值VI远大于VBB的正脉冲信号时， 基极电流立即上升到
IB

VI
VBB VBE RB
延迟过程 上升过程 超量储存电荷消失过程 下降过程
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
延迟过程
t=t1时，IC才上升到0.1ICS，时间td= t1 - t0称为延迟时间。 上升过程
在t=t2时刻，IC达到0.9ICS，tr=t2- t1称为上升时间。 上升过程中，由于电流过驱动而储存电荷，
晶体管的开关时间及减小的方法
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
晶体管（transistor，是转换电阻transfer resistor的缩写）是一个多重结的半导体器件。通常 晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、 电流或是信号功率增益。双极型晶体管（bipolar transistor），或称双极结型晶体管（bipolar junction transistor，BJT），是最重要的半导体器件 之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具 有广泛的应用。双极型器件是一种电子与空穴皆参 与导电过程的半导体器件，与只由一种载流子参与 传导的场效应晶体管不同。（场效应晶体管将在第 七、八两章中进行讨论。）