半导体器件的开关特性

2．二极管开关的动态特性
给二极管电路加入 一个方波信号，电流的 波形怎样呢？
D +
i RL
i IF 0 IR ts tt
0.1 I R
vI
－
ts为存储时间，tt称为渡越时间。
tre＝ts十tt称为反向恢复时间
(c)
t1
t
反向恢复时间：tre＝ts十tt
产生反向恢复过程的原因： 反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。
VI
－
100kΩ
VO
-
Rb
RC
即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，Rb越小，β 越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这
几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。
2．三极管的动态特性（略）
vI
（1）延迟时间td——从vi正跳变 的瞬间开始，到iC上升到 0.1ICS所需的时间 （2）上升时间tr——iC从0.1ICS 上升到0.9ICS所需的时间。 （3）存储时间ts——从vi下跳变 的瞬间开始，到iC下降到 0.9ICS所需的时间。 （4）下降时间tf——C从0.9ICS 下降到0.1ICS所需的时间。
CE
b
c3
T 2
VI
－
iB
VCE
e
-
三种工作状态比较
工作状态 条 件 截 止 放 大 饱 和
IB 0
发射结电压＜ 死区电压
0＜I B＜I BS
发射结正偏 集电结反偏
I B＞I BS
发射结正偏 集电结正偏
偏置情况
工 集电极电 流
IC 0 VCE VCC
c b e
I C I B
VCE VCC I C RC
2.1 半导体器件的开关特性 （二极管与三极管） 一、二极管的开关特性
1．二极管的静态特性 2．二极管开关的动态特性
二、三极管的开关特性
1．三极管的三种工作状态 2．三极管的动态特性
2.1.1 二极管的开关特性
1．二极管的静态特性
(1)加正向电压VF（ VF >0.5V）时，二极管导通，管压降VD 可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。
饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型值为：VCES≈0.3V。
三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB＞IBS 电压条件为：集电结和发射结均正偏
+VCC RC iC Rb
+ 1
iC VCC/RC ICS
+
IB5 E D C B A 0.7V V IB4 = IBS IB3 IB2 IB1 IB= 0 v
零偏，称为临界饱和状态，对应E点。此时的集电极电流用ICS表示，基极 电流用IBS表示，有: VCC - VCE VCC - 0.3V VCC I I CS VCC BS I CS RC R R R
C C C
饱和状态
再减小Rb ， IB 会继续增加，但IC 不会再增加，三极管进入饱和状态。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
VCC uCES 12 - 0.3 0.029( mA) RC 60 6.8 +VCC （+12V）
I C I CS
VCC 12 1.76( mA) RC 6.8
+
RC 10kΩ Rb
1 3 T 2 +
VO VCES 0.3 V
由此可见， Rb 、 RC 、β等参数都 能决定三极管是否饱和。 饱和条件可写为：VI u BE ＞VCC uCES
VO VCE VCC - I C RC 12 -1.4 6.8 2.48( V)
（ 3 ）将 RC改为 6.8kW ，再将 Rb 改为 60kW ，重复以上计算。
V uBE 3 - 0.7 IB I 0.038( mA) Rb 60
I BS
∵IB＞IBS ∴三极管饱和。
P区 耗尽层 N 区
+
－
P 区中电子 浓度分布
N 区中空穴 浓度分布
Ln
x
Lp
同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时 间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般 可以忽略不计。
2.1.2
+VCC RC iC Rb
+ 1
三极管的开关特性
iC VCC/RC ICS
+
1．三极管的三种工作状态（截止状态）
100kΩ
VO
-
VI
－
VO VCES 0.3 V
（2）将RC改为6.8kW，重复以上计算。
IB不变，仍为0.023mA
I BS
VCC uCES 12 - 0.3 0.029( mA) RC 60 6.8
∵IB＜IBS ∴三极管处在放大状态。
IC I B 60 0.023 1.4(mA)
三极管工作在放大状态的条件为： 0<IB<IBs（此时IB＝IC÷β，) 发射结
正偏，集电结反偏
iC
+VCC RC iC Rb
+ 1
VCC/RC ICS
+
IB5 E D C B A 0.7V VCC IB4 = IBS IB3 IB2 IB1 IB= 0 v
CE
b
c 3
T 2
VI
－
iB
VCE
e
-
（3）饱和状态：VI不变，继续减小Rb，当VCE ＝0.3V时，集电结变为
V1
0 V2 iC
t
ICS
ICEO
I CS 0.9ICS iC
t
开通时间ton= td +tr
0.1ICS
t
关断时间toff= ts +tf
tr td
tS
tf
IB5 E D C IB4 = IBS IB3 IB2 B A 0.7V VCC IB1 IB=0 v
CE
b
c3
T 2
U0
VI
－
iB
VCE
e
-
（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压（约为0.5v），即VBE <0.5v
时，IB≈0，IC≈0，VCE≈VCC=U0，三极管工作在截止区，对应图中的A点。 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压
V uBE 3 - 0.7 IB I 0.023( mA) Rb 100 V uCES 12 - 0.3 I BS CC 0.0195( mA) RC 6010
+VCC （+12V） RC 10kΩ Rb
1 + 3 T 2 +
∵IB＞IBS ∴三极管饱和。 V 12 I C I CS CC 1.2(mA) RC 10
IB b 0.7V e c IC
I C I CS VCC / RC VCE VCES 0.3V
IB b 0.7V e c ICS
作
管压降
特
近似的等 效电路
β IB
点 C、E间等 效电阻
很大 相当开关断开
可变
很小 相当开关闭合
举例
例1.4.1 电路及参数如图所示，设输入电压VI=3V，三极管的VBE=0.7V。 （1）若β＝60，试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。 解：依题意可得IB（基极电流） 、IBS（三极管临界饱和时的基极电流）
放大状态
（2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有 V VBE V IB I I Rb Rb
此时，若调节 Rb↓，则 IB↑， IC↑， VCE↓，工作点沿着负载线由 A 点 →B点→C点→D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点 为 I C ＝ β I B。
数字电子技术
第
第一小节
二
章
半导体器件的开关特性
第七讲
逻辑门电路（二极管、 三极管的开关特性）
第二章 逻辑门电路
由分立的二极管、 三极管或MOS管等 元件组成的门电路
以半导体器件为基本单元， 集成在一块硅片上，并具有 一定逻辑功能的电路
在逻辑代数中，逻辑变量的取值不是0就是1，是一 种二值量。它对应于数字电路中电子元件的开关（即电 子开关的断开、闭合）两种状态。能实现开、关状态的 电子元件称为电子开关。 二极管、三极管和场效应管在数字电路中就是构成 这种电子开关的基本开关元件。 理想的开关： 闭合时：开关两端电压为0； 断开时：流过开关的电流为0； 两种状态的转换瞬间完成。
D
K
V
F
IF
RL
VF
IF
RL
(2)加反向电压VR或正向电压<0.5V时，二极管截止，反向 电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。
D
K
V
R
IS
RL
V
R
RL
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的 开关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电 压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就 是二极管开关的动态特性。