16-第三章--晶体管的开关特性与击穿电压

PhysicsofSemiconductorDevices晶体管的开关特性晶体管的击穿特性3.10、3.11、3.12PhysicsofSemiconductorDevices一开关波形和开关时间的定义1．理想晶体管的开关波形晶体管开关电路理想晶体管的输入和输出脉冲波形当输入端为脉冲波形时，在理想的情况下，输出波形和输入波形完全相仿，只是被放大和倒相。饱和压降PhysicsofSemiconductorDevices晶体管处于开关状态往返于饱和（开）和截止（关）区PhysicsofSemiconductorDevices2．实际晶体管的开关波形与开关时间输入电压波形基极电流波形集电极电流波形输出电压波形①延迟时间②上升时间③贮存时间④下降时间0.1ICS0.9ICS晶体管的开关时间：1、开启时间2、关闭时间0.9ICS开启时间和关闭时间大致在几纳秒到几十微秒范围内。PhysicsofSemiconductorDevices1、当输入负脉冲的持续时间及其周期比开关时间大得多时，晶体管能很好地起开关作用开关时间对脉冲波形的影响2、当输入负脉冲(关断晶体管)的持续时间及其周期和开关时间相近，甚至比开关时间更小时，那么在晶体管关断过程中(下降过程)，输出电压尚未上升到高电平(晶体管还没有彻底关断)时，第二个高电平脉冲就来了晶体管又开始导通了，晶体管就失去了开关作用。由于晶体管的开关速度的限制，输入脉冲的宽度不能太窄，频率不能太高。PhysicsofSemiconductorDevices二开关过程和影响开关时间的因素1．延迟过程和延迟时间td发射结保持负偏压或零偏压的状态发射结的偏压变正，有电子入注入到基区发射结正向电压上升到0.5V，正向电流很小集电极电流接近1/10ICS开启之前，处于截止态，发射结和集电结反偏。这一段时间就是延迟时间tdPhysicsofSemiconductorDevices2．上升过程和上升时间tr发射结偏压继续上升，从0.5V变到0.7V左右注入到基区的电子增多，电子的浓度梯度增大，集电极电流增大0.9ICS集电结的负偏压逐渐减小，一直减小到零偏压附近。当IC=ICS晶体管进入临界饱和区上升过程，基极电流作用：①增加基区电荷积累，增大基区少子分布梯度使集电极电流上升；②继续对发射结集电结势垒电容充电，使结的压降继续上升结压降上升又使基区电荷积累增加，如此循环使集电极电流不断增加；③补充基区中因复合而损失的空穴。浓度梯度不再变化PhysicsofSemiconductorDevices3．贮存电荷和贮存时间ts处于过驱动状态，基极驱动电流很大超量存储电荷空穴Qb’保持电中性，基区中也要有等量的电子电荷积累－Qb’集电结处于正偏，集电区将向基区注入电子真正进入了饱和区，达到稳定状态集电结正偏集电结零偏超量存储电荷空穴积累进入深饱和区基区注入空穴与复合减少的空穴相等时，基区积累电荷不再变化超量存储电荷基区也将向集电区注入空穴PhysicsofSemiconductorDevices基极电压突然变负，在基极产生了抽取电流抽取贮存电荷Qb’Qc’的作用（全部抽走以前，基区中的电子浓度梯度不会减小）贮存电荷被全部抽走－－贮存时间（还应加上从ICS下降到0.9ICS所需的时间，才是贮存时间）PhysicsofSemiconductorDevices4．下降过程和下降时间tf基区中还存在积累电荷QbIB’继续从基区中抽取空穴，并且基区中积累的电子和空穴不断地复合电子和空穴的浓度梯度减小集电极电流就从ICS开始下降至0.1ICS电子浓度变化趋势积累电荷消失电子和空穴复合对上升和下降过程的作用不同。？PhysicsofSemiconductorDevices二晶体管的反向击穿电压1集电极－基极反向击穿电压（发射极开路）：BVCBO当反向电流得到规定的反向电流时所对应的电压即为BVCBO。软击穿时BVCBO比雪崩击穿电压VB低；硬击穿特性情况，BVCBO由VB决定。软击穿硬击穿（共基极连接）即：集电极－基极之间容许的最高反向偏压BVCBOVBVCBPhysicsofSemiconductorDevices对于共基极电路，其雪崩倍增因子为：在BVCB0处，IC突然增加，集电极电流与发射极电流的关系为：PhysicsofSemiconductorDevices1、软击穿（电压击穿）是可恢复的击穿，硬击穿（电流击穿）是不可恢复的击穿。无论是软击穿还是硬击穿都是在瞬间形成的，一般很难测量，击穿的过程是先软击穿再硬击穿，在软击穿（电压击穿）的一瞬间反向电阻值减小，在高反压情况下电流会急剧增加导致硬性击穿（电流击穿），它是个连锁反应。所以我们一般看到的击穿一般都是硬性击穿。2、测量方法是用高电压大内阻的电源测量，当管子处于软击穿状态下由于电源内阻大所以输出的电流很小，这样就不能导致电流击穿。这是管子两端的电压就是软击穿电压，用两端电压除以电流值就能得到软击穿电阻值。3、软击穿比硬击穿带来的危害更大，产生较大漏流。造成器件的性能劣化或参数指标下降。PhysicsofSemiconductorDevices2集电极－发射极反向击穿电压（基极开路）：BVCEO基极开路，电流ICEO随电压增加而增加，当反向电流达到规定的反向电流时所对应的电压即为BVCEO。在软击穿时，实测的BVCEO比ICEO趋近无穷大时所对应的电压小很多。PhysicsofSemiconductorDevices由于：当Ma=1时，电流增益变为为穷。由于非常接近于1，当M不需要比1大很多时就能满足共发射极击穿条件M=1/a，且令VCB=BVCE0对于硅n的数值在2~4，在hFE较大时，共发射极的击穿电压要比共基极击穿电压低很多。PhysicsofSemiconductorDevices共发射极和共基极的击穿电压负阻思考题？PhysicsofSemiconductorDevices晶体管在电路应用中，基极并不是开路的，而是有各种不同的偏置情况(如图所示)，实际的集电极－发射极间的击穿电压与基极开路时BUCEO是不同的。PhysicsofSemiconductorDevices3BVCEO与BVCES、BVCER、BVCEX、BVCEZ的关系1、BUCES－基极对地短路在基极短路时，反向饱和电流ICBO有一部分流出基极，在基区积累的空穴量减少，与基极开路时相比，发射结正偏减弱。正向注入电流和到达集电结的电流都随之减小。也就意味着发生击穿时，需要的雪崩倍增因子比基极开路时大，即集电结反偏电压比基极开路时要高，则有：BVCESBVCEOPhysicsofSemiconductorDevices2、BUCER－基极接电阻R由于电阻R的接入，流出基极的空穴电流减小，ICBO的分流量减小，所以发射结正偏程度比短路时高（但比开路时发射结正偏减弱），电流比短路时大，击穿时需要的M值比短路时低，即有：BUCEOBUCERBUCESPhysicsofSemiconductorDevices3、BUCEX－基极接反偏电压发射结以正偏程度更小甚至反偏，电流比基极接电阻时小（显然其正偏程度也比基极短路时要小，即基极短路时的正偏程度位于两者之间），击穿时需要的M值更大，因此：BUCEXBUCESBUCERPhysicsofSemiconductorDevices4、BUCEZ－基极接正偏电压晶体管正常工作状态。外加正偏电压使得发射结以正偏程度比基极开路时更甚，电流比基极开路时更大，击穿时需要的M值更小，因此：总结：BUCEZBUCEOBUCEZBUCEOBUCERBUCESBUCEXBUCBOPhysicsofSemiconductorDevices4发射极－基极反向击穿电压（集电极开路）1、合金晶体管或扩散晶体管的发射区均为重掺杂区，BVEBO通常由基区净杂质浓度决定。合金管的BVEBO较高，且与BVCBO相近；2、扩散管的基区表面杂质浓度较高，而BVEBO基本上由基区表面杂质浓度决定，因此BVEBO较小。IEBO达到规定的电流值时所对应的发射结外加反向偏压—BVEBOPhysicsofSemiconductorDevices三晶体管的穿通电压1基区穿通电压UPT在测量平面晶体管集电结反向击穿特性时，有时会出现：基区穿通电压雪崩击穿电压当反向电压超过UPT(基区穿通电压)时，反向电流随电压近于线性地增加，电压增高到UB(雪崩击穿电压)时才发生正常的雪崩击穿，发生这种现象的原因，一般认为是基区穿通引起的。基区穿通是指：在发生雪崩倍增效应之前，集电结空间电荷区在反向偏压的作用下，往基区一侧扩展，而与发射结空间电荷区连通在一起的现象。PhysicsofSemiconductorDevicesNPN晶体管的穿通PhysicsofSemiconductorDevices2外延层穿通对于双扩散外延平面管之类的晶体管，由于基区杂质浓度高于集电区，其势垒区主要向集电区〔外延层)扩展，所以一般不会发生基区穿通，但容易发生外延层穿通，即在集电结发生雪崩击穿之前，集电结势垒区已扩展到衬底N+层。这就相当于集电结由PN-变为基区与衬底形成的PN+结，而PN+结的击穿电压相对较低，因此发生外延层穿通后，PN+随即产生击穿。穿通外延层PhysicsofSemiconductorDevices四P-N-P-N结构P-N-P-N结构可用作二端、三端或四端器件，具有P-N-P-N结构的器件称为晶闸管，依赖于器件结构，晶闸管的开态电流可达几百至几千安培，关态电压可高达几千甚至上万伏。作为二端器件，具有开关性质，称为P-N-P-N二极管(两端P-N-P-N二极管称为肖克莱二极管)PhysicsofSemiconductorDevices在内部区加第三个电极（称为栅极或控制极），构成三端器件，其开关过程由通过第三电极的电流控制。三端的P-N-P-N器件称为半导体可控整流器（SCR）或晶闸管。PhysicsofSemiconductorDevicesP-N-P-N二极管在正向区工作的P-N-P-N二极管是一个双稳态器件，它能在高阻的关断态和低阻的导通态之间互相转换。PhysicsofSemiconductorDevices可以把它看成两个背对背连接的晶体管，一个是PNP管BJT1另一个是NPN管BJT2，中间的P区和N区为两个晶体管共有。BJT1的基区和BJT2的集电区相连。IB1=IC2IC1=IB2PhysicsofSemiconductorDevices令两个晶体管的电流增益分别为a1、a2，漏电流分别为IC01、IC02，则有：IB1=IC2IE1=IE2=I式中：小电流时，a1、a2比1小得多，流过器件的电流就是漏电流IC0，当外加电压增加到正向转折（或开关）电压时，a1+a2接近于1，流过器件的电流迅速增大，即器件发生转折。PhysicsofSemiconductorDevices在正向关断时，J1和J3结正偏，J2结反偏，外加偏压主要降落在J2结上。中心结对来自J1的空穴和来自J3的电子皆起集电结的作用，使得J2结正偏，器件上的电压突然下降，器件进入正向导通状态。在反向关断状态，J2结正偏，J1和J3结反偏，内部N区一般是高阻区，反向偏压主要降落在J1结上。PhysicsofSemiconductorDevices对于三端的半导体可控整流器，通过在控制极加一触发信号，等效NPN管首先导通，信号电流被放大，随即驱动等效的PNP管导通。NPNPNP由于两个晶体管的集电极电流分别流向另一个晶体管的基极，所以器件被信号触发以后就维持导通，而不需要触发信号继续存在，只有加在两端的电压下降到零或反向时器件才关断。控制极触发信号