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―t 1时间内, 输入为 +VF , 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 t 1时, V 1突然从 +VF 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 =VR /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 =ts +tt 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。
空穴由P区扩散到N区后, 并不是立即与N区中的电子复合而消失, 而是在一定的路程 L P (扩散长度内, 一方面继续扩散,一方面与电子复合消失,这样就会在 L P 范围内存储一定数量的空穴,并建立起一定空穴浓度分布,靠近结边缘的浓度最大,离结越远,浓度越小。
正向电流越大,存储的空穴数目越多,浓度分布的梯度也越大。
电子扩散到P 区的情况也类似,下图为二极管中存储电荷的分布。
我们把正向导通时,非平衡少数载流子积累的现象叫做电荷存储效应。
当输入电压突然由 +VF 变为 -V R 时P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失,但它们将通过下列两个途径逐渐减少:
①在反向电场作用下,P区电子被拉回N区,N区空穴被拉回P区,形成反向漂移电流 I R ,如下图所示; ②与多数载流子复合。
在这些存储电荷消失之前,PN结仍处于正向偏置,即势垒区仍然很窄,PN结的电阻仍很小,与 R L 相比可以忽略,所以此时反向电流 I R =(V R +V D /RL 。
V D 表示PN结两端的正向压降,一般 V R >>VD ,即 I R =V R /R L 。
在这段期间, I R 基本上保持不变,主要由 V R 和 R L 所决定。
经过时间 t s 后P区和N区所存储的电荷已显著减小,势垒区逐渐变宽,反向电
流 I R 逐渐减小到正常反向饱和电流的数值,经过时间 t t
,二极管转为截止。
由上可知, 二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程, 实质上由于电荷存储效应引起的, 反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。
三、二极管的开通时间
二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。
这个时间同反向恢复时间相比是很短的。
这是由于PN结在正向偏压作用下, 势垒区迅速变窄, 有利于少数载流子的扩散,正向电阻很小,因而它在导通过程中及导通以后,其正向压降都很小,比输入电压 V F 小得多, 故电路中的正向电流 I F =VR /R L ,它由外电路的参数决定,而几乎与二极管无关。
因此,只要电路在 t=0时加入
+VF 的电压
,回路的电流几乎是立即达到 V F /R L 。
这就是说 ,二极管的开通时间是很短的,它对开关速度的影响很小, 可以忽略不计。
第二节 BJT 的开关特性
NPN型 BJT 的结构如下图所示。
从图中可见NPN型 BJT 由两个N型区和一个P型区构成了两个PN结,并从三个区分别引出了集电极、基极和发射极。
在电路图中的符号如下图所示。
PNP型 BJT 的结构如下图中的上半部所示,下边为电路图中的符号。
这里的 BJT 英文原文是:Bipolar Junction Transistor,意为“ 双极结晶体管” 。
也就是通常所说的三极管。
一、 BJT 的开关作用
BJT 的开关作用对应于有触点开关的“ 断开” 和“ 闭合” 。
上图所示电路用来说明 BJT 开关作用,图中 BJT 为NPN型硅管。
当输入电压 V 1=-VB 时, BJT 的发射结和集电结均为反向偏置(V BE <0, V BC <0
,只有很小的反向漏电流
I EBO 和 I CBO 分别流过两个结,故i B ≈ 0, i C ≈ 0, V CE ≈ VCC ,对应于上图中的A点。
这时集电极回路中的 c 、 e 极之间近似于开路,相当于开关断开一样。
BJT 的这种工作状态称为截止。
当 V 1=+VB2时,调节 R B ,使 I B =VCC / RC ,则 BJT 工作在上图中的 C 点
,集电极电流 i C 已接近于最大值 V CC / RC ,由于 i C 受到 R C 的限制,它已不可能像放大区那样随着 i B 的增加而成比例地增加了 ,此时集电极电流达到饱和,对应的基极电流称为基极临界饱和电流 I BS (
,而集电极电流称为集电极饱和电流 I CS (V CC / RC 。
此后,如果再增加基极电流,则饱和程度加深,但集电极电流基本上保持在 I CS 不再增加, 集电极电压 V CE =VCC -I CS R C =VCES =2.0-0.3V。
这个电压称为 BJT 的饱和压降, 它也基本上不随 i B 增加而改变。
由于 V CES 很小,集电极回路中的 c 、 e 极之间近似于短路,相当于开关闭合一样。
BJT 的这种工作状态称为饱和。
由于 BJT 饱和后管压降均为 0.3V ,而发射结偏压为 0.7V ,因此饱和后集电结为正向偏置,即 BJT 饱和时集电结和发射结均处于正向偏置,这是判断 BJT 工作在饱和状态的重要依据。
下图示出了NPN型 BJT 饱和时各电极电压的典型数据。
由此可见 BJT 相当于一个由基极电流所控制的无触点开关。
BJT 截止时相当于开关“ 断开” ,而饱和时相当于开关“ 闭合” 。
NPN型 BJT 截止、放大、饱和三种工作状态的特点列于下表中。
二、BJT 的开关时间 BJT 的开关过程和二极管一样，也是内部电荷“建立”和“消散”的过程。
因此 BJT 饱和与截止两种状态的相互转换也是需要一定的时间才能完成的。
如上图所示电路的输入端加入一个幅度在-VB1 和+VB2 之间变化的理想方波，则输出电流 Ic 的波形如下图。
可见 Ic 的波形已不是和输入波形一样的理想方波，上升和下降沿都变得缓慢了。
为了对 BJT 开关的瞬态过程进行定量描述,通常引人以下几个参数来表征：以上 4 个参数称为 BJT 的开关时间参数。
通常把 ton＝td＋tr 称为开通时间,它反映了BJT 从截止到饱和所需的时间；把 t0ff= ts＋tf 称为关闭时间,它反映了 BJT 从饱和到截止所需的时间。
开通时间和关闭时间总称为 BJT 的开关时间,它随管子类型不同而有很大差别，一般在几十至几百纳秒的范围，可以从器件手册中查到。
BJT 的开关时间限制了 BJT 开关运用的速度。
开关时间越短，开关速度越高。
因此，要设法减小开关时间。
开通时间 ton 是建立基区电荷的时间，关闭时间 toff 是存储电荷消散的时间。