半導體器件的開關特性

數字電子技術第二章第一小節半導體器件的開關特性第七講

邏輯門電路（二極管、三極管的開關特性）第二章邏輯門電路以半導體器件為基本單元，集成在一塊硅片上，并具有一定邏輯功能的電路由分立的二極管、三極管或MOS管等元件組成的門電路在邏輯代數中，邏輯變量的取值不是0就是1，是一種二值量。它對應于數字電路中電子元件的開關（即電子開關的斷開、閉合）兩種狀態。能實現開、關狀態的電子元件稱為電子開關。二極管、三極管和場效應管在數字電路中就是構成這種電子開關的基本開關元件。理想的開關：閉合時：開關兩端電壓為0；斷開時：流過開關的電流為0；兩種狀態的轉換瞬間完成。2.1半導體器件的開關特性

（二極管與三極管）一、二極管的開關特性1．二極管的靜態特性2．二極管開關的動態特性二、三極管的開關特性1．三極管的三種工作狀態2．三極管的動態特性(1)加正向電壓VF（VF

>0.5V）時，二極管導通，管壓降VD可忽略。二極管相當于一個閉合的開關。2.1.1二極管的開關特性

1．二極管的靜態特性

可見，二極管在電路中表現為一個受外加電壓vi控制的開關。當外加電壓vi為一脈沖信號時，二極管將隨著脈沖電壓的變化在“開”態與“關”態之間轉換。這個轉換過程就是二極管開關的動態特性。(2)加反向電壓VR或正向電壓<0.5V時，二極管截止，反向電流IS可忽略。二極管相當于一個斷開的開關。

給二極管電路加入一個方波信號，電流的波形怎樣呢？ts為存儲時間，tt稱為渡越時間。tre＝ts十tt稱為反向恢復時間2．二極管開關的動態特性

反向恢復時間：tre＝ts十tt產生反向恢復過程的原因：反向恢復時間tre就是存儲電荷消散所需要的時間。

同理，二極管從截止轉為正向導通也需要時間，這段時間稱為開通時間。開通時間比反向恢復時間要小得多，一般可以忽略不計。2.1.2三極管的開關特性1．三極管的三種工作狀態（截止狀態）

（1）截止狀態：當VI小于三極管發射結死區電壓（約為0.5v），即VBE<0.5v時，IB≈0，IC≈0，VCE≈VCC=U0，三極管工作在截止區，對應圖中的A點。

三極管工作在截止狀態的條件為：發射結反偏或小于死區電壓U0此時，若調節Rb↓，則IB↑，IC↑，VCE↓，工作點沿著負載線由A點→B點→C點→D點向上移動。在此期間，三極管工作在放大區，其特點為IC＝βIB。三極管工作在放大狀態的條件為：0<IB<IBs（此時IB＝IC÷β，)發射結正偏，集電結反偏

（2）放大狀態：當VI為正值且大于死區電壓時，三極管導通。有

放大狀態

再減小Rb，IB會繼續增加，但IC不會再增加，三極管進入飽和狀態。飽和時的VCE電壓稱為飽和壓降VCES，其典型值為：VCES≈0.3V。

三極管工作在飽和狀態的電流條件為：IB＞IBS

電壓條件為：集電結和發射結均正偏

（3）飽和狀態：VI不變，繼續減小Rb，當VCE

＝0.3V時，集電結變為零偏，稱為臨界飽和狀態，對應E點。此時的集電極電流用ICS表示，基極電流用IBS表示，有:飽和狀態工作狀態截止放大飽和條件工作特點偏置情況集電極電流管壓降近似的等效電路C、E間等效電阻發射結電壓＜死區電壓發射結正偏集電結反偏發射結正偏集電結正偏很大相當開關斷開可變很小相當開關閉合三種工作狀態比較解：依題意可得IB（基極電流）

、IBS（三極管臨界飽和時的基極電流）例1.4.1

電路及參數如圖所示，設輸入電壓VI=3V，三極管的VBE=0.7V。（1）若β＝60，試判斷三極管是否飽和，并求出IC和VO的值。（2）將RC改為6.8kW，重復以上計算。∵IB＞IBS∴三極管飽和。

IB不變，仍為0.023mA

∵IB＜IBS∴三極管處在放大狀態。

舉例（3）將RC改為6.8kW，再將Rb改為60kW，重復以上計算。由此可見，Rb

、RC

、β等參數都能決定三極管是否飽和。即在VI一定（要保證發射結正偏）和VCC一定的條件下，Rb越小，β越大，RC越大，三極管越容易飽和。在數字電路中總是合理地選擇這幾個參數，使三極管在導通時為飽和導通。∵IB＞IBS∴三極管飽和。

飽和條件可寫為：

2．三極管的動態特性（略）（1）延遲時間td——從vi正跳變的瞬間開始，到iC上升到

0.1ICS所需的時間

（2）上升時間tr——iC從0.1ICS上升到0.9ICS所需的時間。（3）存儲時間ts——從vi下跳變的瞬間開始，到iC下降到0.9