《深圳大学微电子学基础原理双极型晶体管学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《深圳大学微电子学基础原理双极型晶体管学习教案.pptx（66页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、会计学1深圳大学微电子学基础深圳大学微电子学基础(jch)原理双极型原理双极型晶体管晶体管第一页，共66页。3.1 晶体管的结构与工作原理(yunl)3.1.1晶体管的基本结构 晶体管就有两种基本组合形式：P-N-P型或N-P-N型，它们的结构和符号如图所示，其符号中的箭头方向表示(biosh)发射结电流的方向。（a）管芯结构(jigu)（b）符号 晶体管的结构(jigu)和符号 第1页/共66页第二页，共66页。3.1.2晶体管的制备(zhbi)与杂质分布1.合金(hjn)晶体管 PNP型合金(hjn)管结构与杂质分布如图所示 合金(hjn)晶体管的杂质分布特点：三个区的杂质分布都是均匀分布
2、，基区的杂质浓度最低，其发射结和集电结均是突变结。（a）管芯结构(jigu)（b）杂质分布 锗合金晶体管的结构(jigu)与杂质分布 第2页/共66页第三页，共66页。3.1.2晶体管的制备与杂质(zzh)分布2.平面晶体管 平面晶体管结构与杂质分布如图所示 平面工艺最主要的特点(tdin)是：利用SiO2稳定的化学性能，能耐高温，具有掩蔽杂质原子扩散和良好的绝缘性能，与光刻技术相配合，可进行选择扩散，这样使平面晶体管具有更为合理的电极形状，薄的基区，钝化的表面，因此在功率、噪声、稳定性、可靠性等方面达到一个较高的水平。第3页/共66页第四页，共66页。3.1.2晶体管的制备与杂质(zzh)分
3、布3.外延平面晶体管 在平面晶体管制造工艺的基础上又发展了一种外延平面晶体管。其结构与杂质分布如图所示 由图可见，双扩散外延平面晶体管的基片电阻率很低，集电极串联电阻很小，使集电极饱和压降减小，晶体管可做得很小，基区宽度(kund)Wb很薄，从而使外延平面晶体管在频率特性、开关速度和功率等方面都有很大的提高与改善，因此，成为目前生产最主要的一种晶体管。（a）管芯结构 （b）杂质分布 硅外延(wiyn)平面管结构及杂质分布示意图 第4页/共66页第五页，共66页。3.1.3晶体管的工作(gngzu)原理 晶体管最重要的作用是具有放大电信号的能力。为什么紧靠着的两个PN结具有放大作用？要晶体管具有
4、放大作用首先要有适当(shdng)的电路。第5页/共66页第六页，共66页。3.1.3晶体管的工作(gngzu)原理晶体管的放大(fngd)能力基区厚度(hud)很大的NPN结构的电流流通与少子分布示意图 第6页/共66页第七页，共66页。晶体管的放大(fngd)能力具有放大作用的晶体管在结构上需要满足什么(shn me)条件呢？具有NPN或PNP三层结构；基区宽度非常薄，薄的程度远小于非平衡(pnghng)少子的扩散长度；发射区的杂质浓度要远大于基区杂质浓度。第7页/共66页第八页，共66页。晶体管的放大(fngd)能力 表1给出了型号为3DG6晶体管（硅高频小功率管），在集电结UCC=6V
5、条件(tiojin)下测量所得的实际数据。晶体管的电压放大系数为：晶体管的功率放大应等于它的电流放大系数与电压放大系数的乘积，表1 晶体管各电极(dinj)电流分配表发射极电流IE（mA)12345集电极电流IC（mA)0.981.962.943.924.90基极电流IB（mA)0.020.040.060.080.10第8页/共66页第九页，共66页。103.2 晶体管的电流(dinli)放大特性 几点假设:发射结和集电结均为理想的突变结，且结面积相等（用A表示）；各区杂质为均匀分布，载流子仅做一维传输，不考虑表面的影响；外加电压全部降落在PN结势垒区，势垒区以外不存在电场；发射结和集电结势垒
6、区宽度远小于少子扩散长度(chngd)，且不存在载流子的产生与复合，因而通过势垒区的电流不变；发射区和集电区的宽度远大于少子扩散长度(chngd)，而基区宽度远小于少子扩散长度(chngd)；注入基区的少子浓度比基区多子浓度低得多，只讨论小注入情况。第9页/共66页第十页，共66页。3.2.1 晶体管的能带、浓度分布(fnb)及载流子的传输 3.载流子的输运过程（a）少子(sho z)分布示意图 （b）载流子输运过程示意图 晶体管中载流子分布及其输运过程示意图 第10页/共66页第十一页，共66页。3.载流子的输运过程（1）根据正向PN结特性，发射区注入基区靠发射结边界X2处的电子浓度为 由基
7、区注入发射区靠发射结边界X1处的空穴浓度为（2）根据反向(fn xin)PN结特性，集电结两边界X3和X4处的少子浓度分别为 第11页/共66页第十二页，共66页。133.2.2 晶体管内的电流(dinli)传输与各端电流(dinli)的形成 1.晶体管内的电流(dinli)传输 NPN型晶体管电流(dinli)传输示意图 第12页/共66页第十三页，共66页。14 2.晶体管各端电流的形成（1）发射极电流IE 从上面的分析与讨论可知，发射极的正向(zhn xin)电流IE是由两股电流组成的：IE=Ip(X1)+In(X2)（3-8）（2）基极电流IB 基极电流IB是由三部分组成的：IB=Ip
8、(X1)+IVB-ICBO （3-9）由于通常情况下ICBO要比Ip(X1)和IVB小很多，所以(3-9)式可近似表示为 IB Ip(X1)+IVB （3-10）（3）集电极电流IC 通过集电结和集电区的电流主要有两股组成：IC=In(X4)+ICBO （3-11）因为ICBO很小，（3-11）式可近似表示为 IC=In(X4)（3-12）3.2.2 晶体管内的电流传输(chun sh)与各端电流的形成 第13页/共66页第十四页，共66页。15 2.晶体管各端电流的形成（4）晶体管三端(sn dun)电流之间的关系 由上面的分析可以得出In(X2)=IVB+In(X3)=IVB+In(X4)
9、（3-13）将（3-13）式代入（3-8）式，得IE=Ip(X1)+IVB+In(X4)（3-14）将（3-9）式与（3-11）式相加，可得IB+IC=Ip(X1)+IVB-ICBO+In(X4)+ICBO=Ip(X1)+IVB+In(X4)（3-15）将（3-15）式代入（3-14）式，得 IE=IB+IC （3-16）3.2.2 晶体管内的电流传输(chun sh)与各端电流的形成 第14页/共66页第十五页，共66页。163.2.3 晶体管的直流电流方程式 1.In(X2)的表达式 In(X2)是注入基区的电子所形成的扩散电流，根据扩散电流公式(gngsh)有 基区电子可近似看成线性分布
10、 基区少子分布示意图 第15页/共66页第十六页，共66页。17根据PN结理论，基区X2和X3处的电子(dinz)浓度分别为 基区电子(dinz)分布函数为 那么基区电子(dinz)的扩散电流In(X2)则为 可求出In(X2)近似为 3.2.3 晶体管的直流电流方程式 第16页/共66页第十七页，共66页。183.2.3 晶体管的直流电流方程式 2.Ip(X1)表达式 Ip(X1)是在发射结正偏情况下由基区注入发射区的空穴扩散电流。根据正向(zhn xin)PN结特性，边界X1处的少子空穴浓度为 空穴扩散电流为 第17页/共66页第十八页，共66页。19 3.IVB表达式 IVB是注入(zh
11、 r)基区的电子与基区中的空穴复合而形成的复合电流。IVB=-q单位时间内在基区中复合的电子数 在只考虑体内复合的情况下 3.2.3 晶体管的直流电流方程式 第18页/共66页第十九页，共66页。203.2.3 晶体管的直流电流方程式 4.ICBO的表达式 ICBO由电子漂移电流和空穴漂移电流IpCB两部分组成(z chn)，即ICBO=InCB+IpCB 若晶体管工作在放大区，且有 时，第19页/共66页第二十页，共66页。213.2.3 晶体管的直流电流方程式 5.IE、IC、IB直流电流方程式 因为(yn wi)IE由Ip(x1)和In(x2)组成，所以 因为(yn wi)IC=In(x
12、4)+ICBO=In(x2)-IVB+ICBO，所以 因为(yn wi)IB=Ip(x1)+IVB-ICBO，所以 第20页/共66页第二十一页，共66页。223.2.4 晶体管的直流电流放大系数 1.共基极直流电流放大系数 在共基极电路中，基极作为输入(shr)和输出的公共端，共基极连接方式如下图所示。NPN型晶体管的共基极连接 第21页/共66页第二十二页，共66页。233.2.4 晶体管的直流电流放大系数 2.共发射极直流电流放大系数 在共发射极电路中发射极作为(zuwi)输入和输出的公共端，其连接方式如图所示。NPN型晶体管的共发射极连接 第22页/共66页第二十三页，共66页。243
13、.2.4 晶体管的直流电流放大系数 3.共集电极直流电流(dinli)放大系数 共集电极电流(dinli)放大系数 4.0与0的关系 0和0的关系曲线 第23页/共66页第二十四页，共66页。253.3 晶体管的直流特性(txng)曲线 3.3.1 共基极连接直流特性(txng)曲线下图为测量(cling)晶体管共基极直流特性曲线的原理图。图中UEB为发射极和基极之间的电压降，UCB为集电极和基极之间的电压降，RE为发射极串联电阻，可控制UEB或IE。共基极直流特性曲线(qxin)测量原理电路图 第24页/共66页第二十五页，共66页。263.3.1 共基极连接直流特性(txng)曲线1.共基
14、极直流输入(shr)特性曲线 对于一个给定的UCB，改变(gibin)UEB，测量IE，可以测得一条IE与UEB的关系曲线，对于不同的UCB值，改变(gibin)UEB测量IE，可测得一组IE与UEB的关系曲线，称这组曲线为共基极直流输入特性曲线，如图（a）所示。共基极直流特性曲线（a）输入特性曲线 第25页/共66页第二十六页，共66页。27由前所知 IE=Jp(X1)+Jn(X2)AE式中Jp(X1)为空穴扩散电流密度；Jn(X2)为电子扩散电流密度；AE为发射结面积。Jp(X1)和Jn(X2)都随正向压降增大而呈指数增大，因此IE也必然与UEB呈指数规律增大。在同样的UEB下，IE随着U
15、CB的增大而增大，表现为曲线左移。这是因为集电结空间电荷区的宽度随着UCB的增大而展宽，结果引起了有效基区宽度的减小（有效基区宽度随着UCB的增大或减小而减小或增大的现象，就是上面所讨论过的基区宽变效应），使得在同样的UEB下，发射区注入(zh r)基区的少子浓度梯度增加，流速加快，IE增大。3.3.1 共基极连接(linji)直流特性曲线第26页/共66页第二十七页，共66页。283.3.1 共基极连接直流特性(txng)曲线2.共基极直流输出特性曲线(qxin)对于一个给定的IE，改变(gibin)UCB，测量IC，可得到一条IC-UCB之间的关系曲线。对于固定的不同的IE，改变(gibi
16、n)UCB，测量IC，可得到一组不同的IC-UCB的曲线，称这组曲线为共基极直流输出特性曲线，如图（b）所示。第27页/共66页第二十八页，共66页。293.3.2 共发射极连接直流特性(txng)曲线下图为晶体管共发射极直流输出特性曲线的测试原理(yunl)电路图。图中UBE为基极与发射极间压降；UCE为集电极与发射极间压降；RB为基极串联电阻，可控制UBE或IB。测量共发射极直流特性(txng)曲线原理电路图 第28页/共66页第二十九页，共66页。303.3.2 共发射极连接(linji)直流特性曲线1.共发射极直流输入特性(txng)曲线对于固定的不同的UCE，改变(gibin)UBE
17、，测量IB，可以得出一组IB与UBE的关系曲线，称这组曲线为共发射极直流输入特性曲线，如图（a）所示。共发射极直流特性曲线（a）输入特性曲线 第29页/共66页第三十页，共66页。312.共发射极直流输出特性曲线(qxin)对于固定(gdng)的不同的IB，改变UCE，测量IC，可得出一组IC与UCE的关系曲线，称这组曲线为共发射极的输出特性曲线，如图（b）所示。共发射极直流特性(txng)曲线（b）输出特性(txng)曲线 3.3.2 共发射极连接直流特性曲线第30页/共66页第三十一页，共66页。32比较共基极与共发射极两种输出特性曲线，可以看到两者的共同之处是：当输入电流一定是，两种特性
18、曲线的输出电流都不随输出电压的增加而变化，只有当输入电流改变了输出电流才会跟着变化。然而两种输出特性曲线之间也存在许多不同的地方。首先，共发射极电路的电流放大系数要比共基极的大得多。其次，共基极电路的输出阻抗比共发射极电路大。另外，UCE的减小对输出电流的影响有所不同。实际上，共基极与共发射极特性曲线在输出电压减小时的下降所反映的是同一个物理过程(guchng)，只不过共基极电路的输出电压就是UCB，才使得其特性曲线的下降发生在输出电压更小（负值时）的区域。3.3.3 共基极与共发射极输出特性曲线(qxin)的比较第31页/共66页第三十二页，共66页。333.4 晶体管的频率特性 3.4.1
19、 晶体管交流(jioli)电流放大系数（a）电压(diny)偏置 （b）电流ic小信号意指交流电压和电流(dinli)的峰值小于直流的电压、电流(dinli)值。当一个小信号附加在输入电压上时，基极电流(dinli)ib将会随时间变化而成为一个时间函数，基极电流(dinli)的变化使得输出电流(dinli)ic跟随变化，最终实现输入信号的放大。所谓晶体管的交流频率特性是指一个小交流信号重叠在一个直流信号基础的情况，如图所示，交流信号为正弦。第32页/共66页第三十三页，共66页。34 3.4.1 晶体管交流(jioli)电流放大系数1.共基极交流放大系数2.共基极交流放大系数定义为：在共基极运
20、用时，集电极（输出端）交流短路，集电极的输出交流小信号(xnho)电流ic与发射极的输入交流小信号(xnho)电流ie之比（用小写字母代表小信号(xnho)交流电流），即在低频下，电流放大与工作频率无关。但在频率较高下，考虑(kol)到相位关系，为复数，通常所说的的大小是指它的模值。第33页/共66页第三十四页，共66页。3.4.1 晶体管交流(jioli)电流放大系数2共发射极交流放大系数共发射极交流放大系数定义为：在共发射极运用时，集电极（输出端）交流短路，集电极的输出交流小信号电流(dinli)ic与基极的输入交流小信号电流(dinli)ib之比，即同样，也是复数。在交流小信号(xnho
21、)工作条件下，晶体管端电流与之间仍有如下关系式ie=ic+ib 第34页/共66页第三十五页，共66页。36电流(dinli)增益也常用分贝（dB）表示，即(dB)=20lg (dB)=20lg 由于与是在集电极交流(jioli)短路的条件下定义的，因此也称为交流(jioli)短路电流增益。3.4.1 晶体管交流(jioli)电流放大系数第35页/共66页第三十六页，共66页。37 3.4.2 晶体管频率特性参数(cnsh)随着晶体管工作频率的增高，晶体管的电学性能会发生很大变化，主要(zhyo)表现为电流增益和功率增益的下降。下图示出典型的电流增益随频率变化关系的简图，其中纵坐标是以分贝表示
22、电流放大系数。电流(dinli)放大系数与频率的关系 第36页/共66页第三十七页，共66页。38 3.4.2 晶体管频率特性参数(cnsh)从晶体管的频率响应特性定义以下几个参数，用于描述其高频性能(xngnng)。1.截止频率ff定义为共基极短路电流放大系数下降到低频 的所对应的频率，即 时所对应的频率，此时的分贝值比 下降3dB，f反映了共基极运用的频率限制。2.截止频率f f定义为共发射极电流放大系数下降(xijing)到低频0的时所对应的频率。或者说，f为比0下降(xijing)3dB时所对应的频率。第37页/共66页第三十八页，共66页。39 3.4.2 晶体管频率特性参数(cns
23、h)3.特征频率fT 在共发射极运用时，截止频率f还不能完全反映晶体管使用频率的上限，也就是说当工作频率等于f时，值还可能相当大。为了更好地表示共发射极运用晶体管具有电流放大作用的最高频率限制，引进了特征频率fT的概念。特征频率fT定义为共发射极电流放大系数=1时所对应的频率。显然，当工作频率等于fT时，晶体管不再具有电流放大作用，由此说明(shumng)特征频率fT是判断晶体管是否能起电流放大作用的一个重要依据，也是晶体管电路设计的一个重要参数。第38页/共66页第三十九页，共66页。40 3.4.2 晶体管频率特性参数(cnsh)4.最高振荡频率fMfT还不是晶体管工作频率的最终限制。为此
24、，再引入一个最高振荡频率fM的概念。最高振荡频率fM定义为共发射极运用时，功率增益等于1时所对应的频率。可见fM是晶体管工作频率的最终限制，此时晶体管的输出功率等于输入(shr)功率。fM不仅表示晶体管具有功率放大作用的频率极限，也是晶体管使用频率的最高上限，若工作频率超过fM，晶体管失去任何放大作用。第39页/共66页第四十页，共66页。413.4.3 交流(jioli)电流放大系数随频率变化的物理原因首先给出高频时输出电流ic幅度变化和相移示意图，如图所示，以作为频率对晶体管交流电流放大影响(yngxing)的感性认识。高频(o pn)下输出电流幅度变化和相移示意图 第40页/共66页第四
25、十一页，共66页。423.4.3 交流电流放大系数随频率变化(binhu)的物理原因2.交流小信号电流(dinli)的传输过程以NPN晶体管为例分为四个阶段阐述交流电流(dinli)的传输过程，如图所示。并且引入新的中间参量来描述每个传输过程的效率。晶体管交流(jioli)小信号电流传输示意图 第41页/共66页第四十二页，共66页。43发射极交流小信号(xnho)电流由三部分组成，即式中的iCTe为发射结结电容分流(fn li)电流。由此可得出交流发射效率的表达式为显然，信号频率越高，结电容分流电流(dinli)iCTe越大，交流发射效率越低。此外，由于对发射结势垒电容充放电需要一定的时间，
26、因而使电流(dinli)在发射过程产生延迟。3.4.3 交流电流放大系数随频率变化的物理原因(1)发射阶段第42页/共66页第四十三页，共66页。443.4.3 交流电流放大系数随频率变化的物理(wl)原因（2）基区输运阶段以iCDe表示扩散电容分流电流(dinli)，in(X3)表示输运到基区集电结边界的电子电流(dinli)，则注入到基区的电子电流(dinli)in(X2)=in(X3)+iVB+iCDe 交流情况下基区输运(sh yn)系数可定义为因此，频率越高分流电流iCDe越大，到达集电结的有用电子in(X3)越小，基区输运系数越小。同样，对CCDe的充放电时间也对信号产生一定延迟。
27、第43页/共66页第四十四页，共66页。453.4.3 交流电流放大系数随频率变化(binhu)的物理原因（3）集电极势垒渡越阶段为了(wi le)描述到达X4边界in(X4)的减小，引入集电结势垒区输运系数d，它定义为流出与流入集电结势垒区的电子电流之比，即（4）通过(tnggu)集电区阶段 最终到达集电极的电子电流大小为为了描述该过程电流的损失，引入集电区衰减因子这一概念，其表达式为第44页/共66页第四十五页，共66页。46综上所述，与直流电流传输(chun sh)情况相比，在交流小信号电流的传输(chun sh)过程中，增加了四个信号电流损失途径：发射结发射过程中的势垒电容充放电电流；
28、基区输运过程中扩散电容的充放电电流；集电结势垒区渡越过程中的衰减；集电区输运过程中对集电结势垒电容的充放电电流。上述四个分流电流均随着信号频率的升高而增加，使输运到集电极电流ic减小和电流增益下降；同时对电容的充放电均需要(xyo)一定的时间，使信号产生延迟，导致输入信号与输出信号存在相位差。第45页/共66页第四十六页，共66页。3.4.4 3.4.4 晶体管高频晶体管高频晶体管高频晶体管高频(o pn)o pn)等效电路等效电路等效电路等效电路1.发射结和发射区发射结正向偏压的改变会引起三个结果：引起发射结空间电荷区空间电荷量的变化，这一变化可用发射结势垒电容(dinrng)CTe来等效；
29、引起了发射极电流的变化，这一变化的大小可以用发射结动态电阻re来等效；引起了基区、发射区贮存电荷的变化，这一变化可用发射结扩散电容(dinrng)CDe来等效。发射结的作用可以用re、CTe、CDe的并联来等效(dn xio)，如下图所示。第46页/共66页第四十七页，共66页。发射结和发射区的等效电路第47页/共66页第四十八页，共66页。2.集电结和集电区与发射结同样，可用集电结势垒电容CTc、扩散电容CDc和动态电阻rc来描述，并且集电结可用三者并联(bnglin)来等效，如图所示。集电结和集电区的等效电路 第48页/共66页第四十九页，共66页。3.基区 基区贮存电荷的改变已经(y j
30、ing)由扩散电容所描述。晶体管的基极电流是一股平行于结平面方向流动的多子电流，它将在基区横向产生电位降，基区的这一作用可用一个电阻来等效，这一等效电阻称为基极电阻，用rb表示。第49页/共66页第五十页，共66页。4.晶体管共基极高频(o pn)等效电路通过上述分析，立即可得到(d do)晶体管共基极“T”型等效电路。如果CTe、CDe并联后的电容用Ce代表、CTc、CDc并联后的电容用Cc代表，则得到(d do)晶体管共基极高频等效电路图所示。晶体管共基极高频(o pn)等效电路 第50页/共66页第五十一页，共66页。5.晶体管共发射极高频(o pn)等效电路将共基极晶体管高频“T”型等
31、效电路中的基极与发射极交换，恒流源用ib去代替ie，就可得到共发射极晶体管高频“T”型等效电路，如图所示。在此需要说明(shumng)的是，与*ib并联的电阻缩小为原来的1/（1+），而电容则扩大为原来的（1+）倍。晶体管共发射极高频(o pn)等效电路 第51页/共66页第五十二页，共66页。3.53.5晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性(txng)(txng)3.5.1 3.5.1 晶体管的开关作用晶体管的开关作用晶体管的开关作用晶体管的开关作用1.从开关(kigun)电路论晶体管的开关(kigun)作用晶体管开关电路原理图 晶体管开关(kigun)输入和输出
32、波形 第52页/共66页第五十三页，共66页。2.从晶体管的输出特性曲线(qxin)论晶体管的开关作用 晶体管共发射极输出特性曲线(qxin)第53页/共66页第五十四页，共66页。3.5.2 3.5.2 晶体管的开关工作晶体管的开关工作晶体管的开关工作晶体管的开关工作(gngzu)(gngzu)区域区域区域区域1.饱和区的主要特点晶体管处于饱和区（开态）的主要特点是：发射(fsh)结为正向偏置，集电结也是正向偏置（或零偏置）；集电极电流IC接近饱和值ICSUCC/RL 饱和状态又分为临界饱和与深饱和。集电结UBC=0的情况称为临界饱和；当集电结偏压UBC0时，称为深饱和 晶体管进入深饱和状态
33、后，其深饱和的程度可用饱和深度S来表示。饱和深度S定义为第54页/共66页第五十五页，共66页。2.截止(jizh)区的主要特点在晶体管输出特性曲线(qxin)上，IB=0对应的特性曲线(qxin)下面的部分叫截止区。截止区的主要特点是发射结处于反向偏压（或零偏压），集电结也处于反向偏压。晶体管截止态电流传输(chun sh)情况示意图 第55页/共66页第五十六页，共66页。3.5.3 3.5.3 晶体管的开关晶体管的开关晶体管的开关晶体管的开关(kigun)(kigun)波形和开关波形和开关波形和开关波形和开关(kigun)(kigun)时间时间时间时间晶体管的开关(kigun)波形（a）
34、输入(shr)电压波形（b）基极电流波形（c）集电极电流波形（d）输出电压波形第56页/共66页第五十七页，共66页。各个阶段所需要的时间定义如下 延迟时间td：从基极有正信号(xnho)输入开始，到集电极电流IC上升到最大值ICS的0.1倍为止，这段时间称为延迟时间，记作td，等于t1-t0 上升时间tr：集电极电流由0.1ICS上升到0.9ICS为止所需要的时间为上升时间，记作tr，等于t2-t1。贮存时间ts：从输入信号(xnho)Uin变负（变为低电平或负脉冲开始），到集电极电流IC下降为0.9ICS为止所需要的时间称为储存时间。记作ts，即t4-t3。下降时间tf：集电极电流IC从0
35、.9ICS下降到0.1ICS所需要的时间，记作tf，即t5-t4。第57页/共66页第五十八页，共66页。3.5.4 3.5.4 晶体管的开关过程和影响晶体管的开关过程和影响晶体管的开关过程和影响晶体管的开关过程和影响(y(y ngxingxi ng)ng)开关时间的因素开关时间的因素开关时间的因素开关时间的因素1.延迟(ynch)过程和延迟(ynch)时间延迟阶段(jidun)基区少子浓度分布 延迟时间td的长短取决于基极电流对发射结和集电结电容充电的快慢，所以缩短延迟时间的办法是：减少发射结、集电结的结面积，以减少结电容CTe和CTc；增大基极注入电流，使势垒电容充电过程加快；晶体管关断时
36、，给基极施加的负脉冲幅度尽可能小。第58页/共66页第五十九页，共66页。2.上升(shngshng)过程和上升(shngshng)时间tr上升过程中基区电子(dinz)浓度梯度的增加 缩短上升时间的办法是：减小结面积AE和AC，以减小CTe和CTc；减小基区宽度，能尽快建立(jinl)起所需少子浓度梯度；增大基极注入电流，使势垒电容充电过程加快，但也要兼顾深饱和问题。第59页/共66页第六十页，共66页。3.贮存电荷(dinh)和贮存时间晶体管饱和(boh)态时的电荷分布示意图 减少贮存时间，可以采取以下方法：在保证晶体管进入饱和区的前提下，基极驱动电流IB不要过大，避免晶体管进入深饱和的程
37、度太深；增大基极抽取电流IB，使超量存贮电荷快速抽走；缩短集电区少子空穴寿命。集电区空穴寿命越短，集电区贮存的空穴电荷也就越少。而实现这一措施(cush)的办法是向晶体管中掺金。第60页/共66页第六十一页，共66页。4.下降(xijing)过程和下降(xijing)时间tf缩短下降时间的办法有：减小CTe、CTc及寿命，减小下降过程需要(xyo)由IB抽走的电荷量；增大IB，缩短抽取速度。在考虑改变IB时，一定要兼顾其他方面。第61页/共66页第六十二页，共66页。3.5.5 3.5.5 提高晶体管开关速度提高晶体管开关速度提高晶体管开关速度提高晶体管开关速度(sd)(sd)的途径的途径的途
38、径的途径1.1.晶体管内部考虑晶体管内部考虑晶体管内部考虑晶体管内部考虑 掺金。尤其是对掺金。尤其是对掺金。尤其是对掺金。尤其是对NPNNPN管掺金更为有利。它既不影响电流增管掺金更为有利。它既不影响电流增管掺金更为有利。它既不影响电流增管掺金更为有利。它既不影响电流增益又可有效的减小集电区少子益又可有效的减小集电区少子益又可有效的减小集电区少子益又可有效的减小集电区少子空穴的寿命，进而减少饱空穴的寿命，进而减少饱空穴的寿命，进而减少饱空穴的寿命，进而减少饱和时超量贮存电荷和时超量贮存电荷和时超量贮存电荷和时超量贮存电荷QcQc，同时加速，同时加速，同时加速，同时加速QcQc的复合。的复合。的
39、复合。的复合。采用外延结构。在保证集电结耐压的前提采用外延结构。在保证集电结耐压的前提采用外延结构。在保证集电结耐压的前提采用外延结构。在保证集电结耐压的前提(qint)(qint)下，尽量下，尽量下，尽量下，尽量减薄外延层厚度，降低外延层电阻率。这样既可以减小集减薄外延层厚度，降低外延层电阻率。这样既可以减小集减薄外延层厚度，降低外延层电阻率。这样既可以减小集减薄外延层厚度，降低外延层电阻率。这样既可以减小集电区少子寿命，限制电区少子寿命，限制电区少子寿命，限制电区少子寿命，限制QcQc，又可降低饱和压降，又可降低饱和压降，又可降低饱和压降，又可降低饱和压降UCESUCES。减小结面积。这可
40、有效的缩短减小结面积。这可有效的缩短减小结面积。这可有效的缩短减小结面积。这可有效的缩短tdtd、tr tr和和和和tf tf。但结面积的最小。但结面积的最小。但结面积的最小。但结面积的最小尺寸受集电极最大电流尺寸受集电极最大电流尺寸受集电极最大电流尺寸受集电极最大电流ICMICM及工艺水平的限制。及工艺水平的限制。及工艺水平的限制。及工艺水平的限制。尽量减小基区宽度，进而减小尽量减小基区宽度，进而减小尽量减小基区宽度，进而减小尽量减小基区宽度，进而减小QbQb，可使，可使，可使，可使tr tr和和和和tf tf大大降低。大大降低。大大降低。大大降低。第62页/共66页第六十三页，共66页。2
41、.2.晶体管外部考虑晶体管外部考虑晶体管外部考虑晶体管外部考虑 加大加大加大加大IBIB，以缩短，以缩短，以缩短，以缩短tdtd和和和和tr tr，但太大会使饱和过深，一般控制，但太大会使饱和过深，一般控制，但太大会使饱和过深，一般控制，但太大会使饱和过深，一般控制S=4S=4来选择适当的来选择适当的来选择适当的来选择适当的IBIB。加大加大加大加大IBIB，反向抽取快，可缩短，反向抽取快，可缩短，反向抽取快，可缩短，反向抽取快，可缩短ts ts和和和和tf tf，但应选在，但应选在，但应选在，但应选在RBRB允许的范允许的范允许的范允许的范围内。围内。围内。围内。晶体管可工作在临界饱和状态。
42、这样就不会有超量贮存电荷晶体管可工作在临界饱和状态。这样就不会有超量贮存电荷晶体管可工作在临界饱和状态。这样就不会有超量贮存电荷晶体管可工作在临界饱和状态。这样就不会有超量贮存电荷QbQb和和和和QcQc，ts=0ts=0，但此时，但此时，但此时，但此时C C、E E之间的压降之间的压降之间的压降之间的压降UCEUCE较高，接近较高，接近较高，接近较高，接近0.7V0.7V，是否可以要视电路条件而定。，是否可以要视电路条件而定。，是否可以要视电路条件而定。，是否可以要视电路条件而定。在在在在UCCUCC与与与与IBIB一定时，选择较小的一定时，选择较小的一定时，选择较小的一定时，选择较小的RL
43、RL可使晶体管不进入太深的可使晶体管不进入太深的可使晶体管不进入太深的可使晶体管不进入太深的饱和状态，有利于缩短饱和状态，有利于缩短饱和状态，有利于缩短饱和状态，有利于缩短ts ts。但。但。但。但RLRL太小会使太小会使太小会使太小会使ICSICS增大，从而增大，从而增大，从而增大，从而(cng(cng r)r)延长了延长了延长了延长了tr tr和和和和tf tf，并增加了功耗。，并增加了功耗。，并增加了功耗。，并增加了功耗。第63页/共66页第六十四页，共66页。3.5.6 3.5.6 开关开关开关开关(kigun)(kigun)晶体管的正向压降与饱和压降晶体管的正向压降与饱和压降晶体管的
44、正向压降与饱和压降晶体管的正向压降与饱和压降1.1.晶体管共发射极正向压降晶体管共发射极正向压降UBESUBES晶体管共发射极正向压降，是指晶晶体管共发射极正向压降，是指晶体管处于饱和状态时，基极和发体管处于饱和状态时，基极和发射极之间的电压降，用射极之间的电压降，用UBESUBES表表示示 晶体管的共发射极正向压降晶体管的共发射极正向压降UBESUBES由由下面几部分组成：下面几部分组成：发射结本身的压降发射结本身的压降UjeUje，它是由发，它是由发射极电流射极电流(dinli)IE(dinli)IE的大小决定的；的大小决定的；基极电阻上的压降基极电阻上的压降IBrbIBrb；发射极串联电
45、阻发射极串联电阻resres上的压降上的压降IEresIEres，即，即UBES=Uje+IBrb+IEres UBES=Uje+IBrb+IEres 晶体管正向(zhn xin)压降与饱和压降 第64页/共66页第六十五页，共66页。2.晶体管共发射极饱和(boh)压降UCES 晶体管的共发射极饱和压降UCES是指晶体管处于(chy)饱和状态时，集电极和发射极之间的电压降。影响UCES大小(dxio)的主要因素有：在饱和状态时，发射结上的Uje和集电结上的压降Ujc之差。集电极电流ICS在集电区体电阻rcs上的电压降。res比rcs小得多，res上的压降可以忽略，因此UCES可写成上面两部分之和UCES=(UjeUjc)+ICSrcs 晶体管饱和状态示意图 第65页/共66页第六十六页，共66页。