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龙8中国唯一官方网站双极结型晶体管(BJT)VI

作者:小编    发布时间:2024-05-13 09:58:05    浏览量:

  BJT作为电子开关,被广泛应用于简单的分立器件以及复杂的IC逻辑电路领域中。与PN结二极管相比,BJT提供了更快的开关速度,同时由于具备第三个电极,大大方便了开关步骤。类似于PN结二极管,BJT在“开态”和“关态”转换过程中同样存在时间延迟,这是过剩少数载流子电荷的积累或消耗导致的。

  作为开关管的BJT,需要尽可能满足以下要求:(1)导通压降尽可能小→0;(2)截止状态下,漏电流尽可能小→0;(3)击穿电压尽可能高(使用范围大);(4)开关时间尽可能短。

  共基极BJT的电路图如下图所示,V_{CC}提供发射极-集电极间的直流偏压,R_{L}是输出负载电阻。

  但是,当I_{B}增大,V_{CE}=V_{CC}-I_{C}\times R_{L}减小,V_{CB}随之减小。当V_{CB}减小至负值,BJT脱离放大状态。因此,将I_{B}增大到使V_{CB}等于0时的状态称为临界放大状态,此时的I_{B}称为临界驱动电流,用I_{BS}表示,即为临界放大条件。

  关断状态:当I_{B}0,发射结和集电结处于反偏状态,晶体管处于截止区。在截止状态下,集电极电流很小,阻抗很高,晶体管处于“关断”状态(上图中截止区)。此时,输出端C、E之间流过很小的漏电流I_{CEO}

  导通状态:当输入端电压使得BE结正偏,I_{B}\gg I_{BS}晶体管进入饱和,称为“导通”状态(上图中饱和区)。导通状态下,输出端发射极和集电极之间存在很小的压降,称为饱和电压V_{CES}。导通状态下,即使基极电流I_{B}继续增大,输出电流I_{C}和输出端C、E之间压降V_{CES}基本不变。I_{B}中超出临界驱动电流的部分(即I_{B}- I_{BS})称为过驱动电流I_{BX}。

  晶体管的开关作用是通过基极的控制信号使晶体管在饱和(即导通)态与截止态之间往复转换来实现的,而这一转换通过改变BJT内部载流子的分布来完成。

  但是BJT内载流子分布不能立即改变,需要一个过渡时间,称为开关时间。下面介绍BJT的典型开关过程。

  下图从上到下依次给出了BJT的输入端B、E间电压V_{BE},基极电流I_{B}、输出电流(集电极电流)I_{C}和输出端C、E之间电压V_{CE}随时间的变化情况。

  延迟过程:t_{0}\rightarrow t_{1}(A\rightarrow B) 延迟过程开始时BJT处于截止状态,V_{BE}=V_{iL},此时I_{C}\approx0,集电结承受反向电压。当tt_{0},输入回路中有了驱动电流,基极电流提供的空穴的一部分从基区侧填充发射结空间电荷区,中和离化的受主;发射极流入的电子在另一侧填充空间电荷区,中和离化的施主。导致发射结势垒区变窄,发射结从反偏转向正偏,这一过程实际上实现了发射结空间电荷区电容的充电。与此同时,集电结虽然在延迟过程中始终处于反偏状态,但反偏电压的数值逐渐减小,势垒变窄,这是靠基极电流提供的另一部分空穴,从发射区传输到集电结的电子对集电结耗尽区电容充电实现的。延迟时间:t_{d}=t_{1}-t_{0}

  上升过程:t_{1}\rightarrow t_{2}(B\rightarrow C)延迟过程结束后,基极电流保持不变,继续对发射结势垒电容充电。由于发射结偏压升高,向两侧的少子注入明显增加,基区和发射区都积累了过剩载流子,同时集电极电流也开始增加,负载电阻上的电压降增大,使集电结反偏电压数值开始减小,直到使I_{C}达到饱和值I_{CS},V_{BC}上升到零,晶体管达到临界饱和。上升时间:t_{r}=t_{2}-t_{1}

  储存过程:t_{3}\rightarrow t_{4}(C\rightarrow D)上升过程结束时,处于临界饱和状态。此时基极电流除补充基区复合损失外仍有多余,这部分多余的电荷引起晶体管内部电荷的进一步积累,形成超量存贮电荷。储存时间:t_{s}=t_{4}-t_{3}

  下降过程:t_{4}\rightarrow t_{5}(C\rightarrow B)在t=t_{3}时刻,输入电压脉冲下降沿到来,此后超量储存电荷逐渐减少,发射结和集电结的偏压从饱和态的正值往下降。基极电流在发射结偏压未过零之前等于常数。通过基极向外抽出空穴,促使发射区和基区的储存电荷不断减少,同时发射结和集电结势垒电容放电。在基区由于储存电荷消失,载流子浓度梯度减小,发射结变反偏,集电极电流随之下降,一直下降到接近于反向电流值,下降过程结束。下降过程实质上是上升过程的逆过程,但是载流子复合在两种过程中的作用的不同。上升过程中复 合阻碍过剩载流子积累,延缓上升速度,下降过程中复合加速储存电荷消失,加快下降过程。下降时间:t_{f}=t_{5}-t_{4}

  要提高开关速度,应缩短四个开关时间。但BJT的四个开关时间不能同时缩短。通常情况下储存时间最长,所以如何缩短t_{s}成为缩短开关时间的主要目标。ECL电路采用非饱和逻辑,不存在储存时间,每门平均延迟时间已可做到零点几个纳秒;TTL中现已广泛使用肖特基二极管钳位抗饱和电路,由于限制了饱和深度,也使开关速度大大提高。


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