三极管的开关特性

三极管的开关特性在脉冲与数字电路中，三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。

三极管工作在饱和状态时，其UCES≈0，相当于开关的接通状态；工作在截止状态时，IC≈0，相当于开关的断开状态，因此，三极管可当做开关器件使用。

结型场效应管场效应管（Fjeld Effect Transistor简称FET ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。

场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。

与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。

场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。

图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。

一、结构与分类图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。

它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P+表示），形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。

在形成PN结过程中，由于P+区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大二、工作原理N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。

下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。

电路如图Z0123所示。

由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。

漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。

1．栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS＝0）在图Z0123所示电路中，UGS ＜0，两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，ID=0。

若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。

双极性三极管开关特性晶体三极管工作于截止区时，内阻很大，相当于开关断开状态；工作于饱和区时，内阻很低，相当于开关接通状态。

三极管开关电路如图2.2.2(a)示。

输入控制信号为矩形电压脉冲，电源电压 ,输出信号为 ,三极管开关电路输入输出波形如图2.2.2(b)。

下实例中为12V的开关控制信号，为单片机可接收的TTL信号，为了与输入控制信号一致，加入反相器74LS14。

TransistorsA Transistor is a solid-state device designed to control DC current. Transistors are most commonly found in low DC powered sensors as the output switch. There are two types of transistors - NPN and PNP.The figure below shows a NPN (Current Sink) Open Collector TransistorFigure 1: Sensor NPN OutputOutput StyleDepending on model, incremental encoders are available with several different electrical output styles. Choice of signal depends on receiving instrument and cable distance. Line driver outputs with complimentary outputs can be used with longer cables as noise spikes can be cancelled.NPNUses an NPN type transistor and aninternal resistor pulling up to the powersupply rail. The output is an activevoltage.NPN Open CollectorUses an NPN type transistor butwithout an internal pull up resistor tothe supply rail. The output is passiveso a separate power supply can beused.PNPUses a PNP type transistor and aninternal resistor pulling down to zerovolts.PNP Open CollectorUses a PNP type transistor but withoutan internal pull down resistor to zerovolts.Push PullA problem with NPN and PNP typeoutputs is the high output impedance.This can be solved by acomplementary output allowing betterswitching to zero and positive supplyrails.Line DriverThis output style has twocomplimentary outputs per channelallowing better transmission in noisyenvironments and long cable lengths.The receiver can process the signal,eliminating noise spikes.PTC protectionA positive temperature coefficientresistor can be added to the output of aNPN or PNP encoder, protecting itfrom output short circuits.Sinking/SourcingSinking sensors allow current to flow into the sensor to the voltage common, while sourcing sensors allow current to flow out of the sensor from a positive source. For both of these methods the emphasis is on current flow, not voltage. By usingcurrent flow, instead of voltage, many of the electrical noise problems are reduced. When discussing sourcing and sinking we are referring to the output of the sensor that is acting like a switch. In fact the output of the sensor is normally a transistor, that will act like a switch (with some voltage loss). A PNP transistor is used for the sourcing output, and an NPN transistor is used for the sinking input. Whendiscussing these sensors the term sourcing is often interchanged with PNP, and sinking with NPN. A simplified example of a sinking output sensor is shown in See A Simplified NPN/Sinking Sensor. The sensor will have some part that dealswith detection, this is on the left. The sensor needs a voltage supply to operate, so a voltage supply is needed for the sensor. If the sensor has detected somephenomenon then it will trigger the active line. The active line is directlyconnected to an NPN transistor. (Note: for an NPN transistor the arrow always points away from the center.) If the voltage to the transistor on the active line is 0V, then the transistor will not allow current to flow into the sensor. If the voltage on the active line becomes larger (say 12V) then the transistor will switch on andallow current to flow into the sensor to the common.A Simplified NPN/Sinking SensorSourcing sensors are the complement to sinking sensors. The sourcing sensors use a PNP transistor, as shown in See A Simplified Sourcing/PNP Sensor. (Note: PNP transistors are always drawn with the arrow pointing to the center.) When thesensor is inactive the active line stays at the V+ value, and the transistor staysswitched off. When the sensor becomes active the active line will be made 0V, and the transistor will allow current to flow out of the sensor.A Simplified Sourcing/PNP SensorMost NPN/PNP sensors are capable of handling currents up to a few amps, and they can be used to switch loads directly. (Note: always check the documentation for rated voltages and currents.) An example using sourcing and sinking sensors to control lights is shown in See Direct Control Using NPN/PNP Sensors. (Note: This example could be for a motion detector that turns on lights in dark hallways.)Direct Control Using NPN/PNP SensorsIn the sinking system in See Direct Control Using NPN/PNP Sensors the light has V+ applied to one side. The other side is connected to the NPN output of the sensor.When the sensor turns on the current will be able to flow through the light, into the output to V- common. (Note: Yes, the current will be allowed to flow into the output for an NPN sensor.) In the sourcing arrangement the light will turn on when the output becomes active, allowing current to flow from the V+, thought thesensor, the light and to V- (the common).At this point it is worth stating the obvious - The output of a sensor will be an input for a PLC. And, as we saw with the NPN sensor, this does not necessarily indicate where current is flowing. There are two viable approaches for connecting sensors to PLCs. The first is to always use PNP sensors and normal voltage input cards.The second option is to purchase input cards specifically designed for sourcing or sinking sensors. An example of a PLC card for sinking sensors is shown in See A PLC Input Card for Sinking Sensors.A PLC Input Card for Sinking Sensors“采用集电极开路的输出方式，有什么好处？”A：集电极开路输出大概有以下几个好处：1.可以实现线与功能，即两个或多个输出端可并联在一起，然后接一上拉电阻至高电平。

3．2．1三极管开关特性1、静态开关特性在数字电路中，三极管是作为一个开关来使用的，它不允许工作在放大状态，而只能工作在饱和导通状态（又称饱和状态）或截止状态。

请看下面的分析。

(1)、截止当输入时，基射间的电压小于其门限电压Uth（0.5V）,三极管截止，电流≈0，电流≈0，输出＝≈VCC，这时，三极管工作在上图中的A点。

为了使三极管能可靠截止，应使发射结处于反偏，因此，三极管的可靠截止条件为: 。

三极管截止时，E、B、C三个极互为开路。

(2)、饱和当输入时，使三极管工作在临界饱和状态，如上图中的S点。

在该点上：因此，三极管饱和条件为：当三极管饱和时，达到最大；达到最小。

C、B、E为连通。

2、动态开关特性三极管工作在开关状态时，其内部电荷的建立C 的变化总是滞后于输入电这说明三极管由截止变为饱和或由饱和变为截止都需要一定的正跳发射区开始向基区扩散电子，并形成基极。

同时基区积累的电子流向集电区形成集电。

随着基区积累不断增大，三这时，基区内存储电荷更多，三极管饱正跳C所需的时间称为开正跳3、抗饱和三极管三极管饱和越深，开关速度越低。

因此，要提高电路的开关速度，就必须使三极管工作在浅饱和状态，减少存储电荷的消散时间，为此，需要采用抗饱和三极管。

在普通双极型三极管的基极B和集电极C之间并接一个肖特基势垒二极管（简称SBD）便构成了抗饱和三极管，由于SBD的开启电压只有0.3V，其正向压降约为0.4V，它远比普通硅二极管0.7V的正向压降小得多。

因此，当三极管进入饱和状态时，其集电结为正偏。

这时，SBD导通，使B、C极间的电压被钳在0.4V上，并分流部分基极电流，从而使三极管工作在浅饱和状态。

第一节二极管的开关特性一般而言，开关器件具有两种工作状态：第一种状态被称为接通，此时器件的阻抗很小，相当于短路；第二种状态是断开，此时器件的阻抗很大，相当于开路。

在数字系统中，晶体管基本上工作于开关状态。

对开关特性的研究，就是具体分析晶体管在导通和截止之间的转换问题。

晶体管的开关速度可以很快，可达每秒百万次数量级，即开关转换在微秒甚至纳秒级的时间内完成。

二极管的开关特性表现在正向导通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。

二极管从反向截止到正向导通与从正向导通到反向截止相比所需的时间很短，一般可以忽略不计，因此下面着重讨论二极管从正向导通到反向截止的转换过程。

一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程在上图所示的硅二极管电路中加入一个如下图所示的输入电压。

在0―t1时间内，输入为+V F，二极管导通，电路中有电流流通。

设V D为二极管正向压降（硅管为0.7V左右），当V F远大于V D时，V D可略去不计，则在t1时，V1突然从+V F变为-V R。

在理想情况下，二极管将立刻转为截止，电路中应只有很小的反向电流。

但实际情况是，二极管并不立刻截止，而是先由正向的I F变到一个很大的反向电流I R=V R／R L，这个电流维持一段时间t S后才开始逐渐下降，再经过t t后，下降到一个很小的数值0.1I R，这时二极管才进人反向截止状态，如下图所示。

通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。

其中t S 称为存储时间，t t称为渡越时间，t re=t s+t t称为反向恢复时间。

由于反向恢复时间的存在，使二极管的开关速度受到限制。

二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压V F时，载流子不断扩散而存储的结果。

当外加正向电压时Ｐ区空穴向Ｎ区扩散，Ｎ区电子向Ｐ区扩散，这样，不仅使势垒区（耗尽区）变窄，而且使载流子有相当数量的存储，在Ｐ区内存储了电子，而在Ｎ区内存储了空穴，它们都是非平衡少数载流于，如下图所示。

晶体三极管（BJT）的开关特性
BJT的开关作用对应于触点开关的”断开”和”闭合”。

如图1(a)所示为一个共发射极晶体三极管开关电路。

 图1 BJT的开关工作状态
 图4.2.1(a)中BJT为NPN型硅管。

电阻Rb为基极电阻，电阻Rc为集电极电阻，晶体三极管T的基极b起控制的作用，通过它来控制开关开闭动作，集电极c及发射极e形成开关两个端点，由b极来控制其开闭，c.e两端的电压即为开关电路的输出电压vO。

当输入电压vI为高电平时，晶体管导通，
相当于开关闭合，所以集电极电压vc≈0，即输出低电平，而集电极电流
iC≈VCC/RC。

当输入电压vI为低电平时，由图可见，晶体管截止，相当于开关断开，所以得集电极电流iC≈0，而集电极电压vc≈VCC，即输出为高电平。

这就是晶体三极管的理想稳态开关特性。

 晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。

晶体三极管输出特性三个工作区，即截止区、放大区、饱和区,如图4.2.1(b)所示。

 如果要使晶体三极管工作于开关的接通状态，就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关的断开状态，就应该使之工作于截止区，发射极电流iE=0，这时晶体三极管处于截止状态，相当于开关断开。

集电结加有反向电压，集电极电流iC=ICBO，而基极电流iB=-ICBO。

说明三极管截止时，iB并不是为0，而等于-ICBO。

 基极开路时，外加电源电压VCC使集电结反向偏置，发射结正向偏置晶体三极管基极电流iB=0时，晶体管并未进入截止状态，这时iE=iC =ICEO还是。

名词解释三极管的开关特性三极管是一种重要的电子器件，常用于电子电路中的开关和放大功能。

它由三个控制层、基本层和输出层组成，具有灵活的开关特性。

在电子技术领域中，三极管的开关特性是指在特定电压和电流条件下，三极管可以实现开关的状态转换，即在低电压输入情况下传导电流，而在高电压输入情况下截断电流。

三极管的开关特性是由其特殊的结构和材料性质所决定的。

它包括两种常见类型：NPN型和PNP型。

NPN型三极管由两个P型半导体夹着一个N型半导体构成，而PNP型三极管则相反，由两个N型半导体夹着一个P型半导体构成。

这种结构可以实现电流的双向流动，并且通过控制基极电流可以实现开关的状态变化。

在三极管的开关特性中，主要存在两种工作状态：饱和状态和截止状态。

饱和状态是当三极管的输入电压高于一定阈值时，经过适当的基极电流驱动后，三极管的集电极与发射极之间的电压非常低，导致电流流过。

这种状态下，三极管相当于一个导通的开关，电流可以在电路中流动。

而截止状态则是当三极管的输入电压低于一定阈值时，三极管的集电极与发射极之间的电阻非常高，导致电流无法流过。

此时，三极管相当于一个断开的开关，电路中的电流被截断。

三极管的开关特性在电子电路中起到了重要的作用。

它可以实现逻辑门、计时器、振荡器等电路的构建。

通过控制三极管输入电压的变化，可以改变电路中的电流流向，实现不同的功能。

在数字电路中，三极管的开关特性被广泛应用于逻辑门的设计和实现。

通过组合不同的逻辑门，可以构建出各种复杂的电路，用于处理和操作数字信号。

除了在数字电路中的应用，三极管的开关特性在模拟电路中也有广泛的应用。

在放大器电路中，三极管可以作为信号放大的关键元件，通过控制输入电压的变化，实现对输入信号的放大和处理。

在功率放大电路中，三极管可以承受高电流和高功率的输入，实现对功率信号的放大和转换。

总结起来，三极管的开关特性在电子电路中起着重要的作用。

通过控制输入电压和电流条件，三极管可以实现开关的状态转换，从而实现电路功能的改变。