《数字逻辑》难点辅导半导体三极管的开关特性半导体三极管最

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1、《数字逻辑》难点辅导5/5半导体三极管的开关特性半导体三极管最显著的特点是具有放大能力，能够通过基极电流iB控制其工作状态，是一种具有放大特性的由基极电流控制的开关元件。一、静态特性（一）结构示意图、符号和输入、输出特性1．结构示意图和符号图2.1.6给出的是硅NPN半导体三极管的结构示意图和符号。半导体三极管是一种具有三层、两结、三端的器件。三层分别是发射区、基区和集电区，两结是发射结J2、集电结J1，三端是发射极e、基极b和集电极c。2．输入特性输入特性指的是基极电流iB和基极-发射极间电压uBE之间的关系

2、曲线，也即反映函数iB=f(uBE)

3、uBE的几何图形，见图2.1.7。与半导体二极管的伏安特性相似，当uBE大于死区电压UO=0.5V时，发射结开始导通，当uBE=0.7V时，即使iB在很大范围内变化，uBE基本维持不变。《数字逻辑》难点辅导5/5需要指出的是，半导体三极管发射结承受反向电压的能力是很差的，集电极开路时发射-基极间的反向击穿电压U(BR)EBO，一般合金管较高，平面管尤其是高频管只有几伏，有的甚至不到1V。3．输出特性输出特性指的是集电极电流iC和集电极-发射极间电压uCE之间的关系曲线，也即

4、反映函数iC=f(uCE)

5、iB的几何图形，如图2.1.8所示。输出特性非常清晰地反映了iB对iC的控制作用。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。（二）半导体三极管的开关应用1．开关应用举例图2.1.9给出的是一个最简单的硅半导体三极管开关电路。输入电压为uI，其低电平UIL=-2V，高电平为UIH=3V。在图2.1.9所示电路中，不难看出，当uI=UIL=-2V时，三极管T发射结处于反向偏置，T为截止状态，iB=0、iC=0、uO=VCC=12V

6、。当u1=U1H=3V时三极管是导通的，基极电流iB=1mA临界饱和时的基极电流IBS=0.06mA《数字逻辑》难点辅导5/5ICS是半导体三极管T饱和导通时的集电极电流，UCES是T饱和导通时集电极到发射极的电压降，对于开关管，总是小于或等于0.3B，即UCES<=0.3V由估算结果知，iB远大于IBS，所以T深度饱和，则uO=UCES<=0.3V人们一般把iB与IBS之比q叫做饱和深度，也即图2.1.9所示电路中，三极管的饱和深度q=16.62．静态开关特性通过对图2.1.9所示简单开关电路的分析可知，半导

7、体三极管具有下列静态开关性：（1）饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和时的数值IBS时，饱和导通即若时，三极管一定饱和。饱和导通时的特点：由输入特性和输出特性知道，对硅半导体三极管来说，饱和导通以后Ube=0.7B，Uce=UCES≤0.3V如同闭合了的开关，其等效电路如图2.1.10（a）所示。（2）截止条件及截止时的特点截止条件：uBE

8、，在数字电路的分析估算中，常把Ube<0.5V做为硅三极管截止的条件。截止时的特点：iB=0，iC=0《数字逻辑》难点辅导5/5如同短开的开关，其等效电路如图2.1.10（b）所示。二、动态特性半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。（一）开关电路中u1和iC的波形在图2.1.9(a)所示开关电路中，当u1为矩形脉冲时，相应iC的波形如图2.1.11所示。（二）开关时间]1．开通时间ton当u1由U1L=-2V跳变到U1H=3V时，三极管需要经

9、过导通延迟时间td=t2-t1和上升时间tr=t3-t2之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间ton=td+tr2．关断时间toff当u1由U1H=3V跳变到U1L=-2V时，三极管需要经过存储时间ts=t5-t4、下降时间tf=t6-t5之后，才能由饱和导通状态转换到截止状态。关断时间toff=ts+tf《数字逻辑》难点辅导5/5应当特别说明的是，在数字电路中，半导体三极管饱和导通时，其饱和深度均较深，基区存储电荷很多，因此在状态转换时，其消散时间即存储时间ts较长。半导体三极管开关时间的存在，影响

10、了开关电路的工作速度。一般情况下，由于toff>ton，所以，减少饱和和导通时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其消散过程，也即缩短存储时间ts，是提高半导体三极管开关速度的关键。开关三极管，例如NPN3DK系列，其开关时间ton、toff都在几十纳秒量级。