第六章 双极晶体管的开关特性

第1节双极型晶体管的开关特性及简单门所有数字集成电路都是由晶体二极管、晶体三极管和场效应管组成的。

它们大部分工作在导通和截止状态，相当于开关的“接通”和“断开”，因此被称为电子开关。

电子开关较机械开关具有速度高、可靠程度高、无抖动、功耗低、体积小等诸多优点。

本节将讨论双极型晶体管的开关特性。

一、晶体二极管的开关特性在数字电路中，晶体二极管（以下简称二极管）常工作于开关状态，在数字信号作用下，它时而导通，时而截止，相当于开关的“闭合”与“断开”。

研究二极管的开关特性，就是要分析它在什幺条件下导通，什幺条件下截止，既要分析其静态开关特性，也要分析它在导通与截止两种状态之间的转换过程，即分析其动态开关特性。

1．二极管静态开关特性（1）二极管正向导通时的特点及导通条件以硅二极管为例，当外加正向电压使二极管承受一定的正向偏置时，二极管正向导通，其电压、电流正方向如图2-2所示。

图2-3为二极管的伏—安特性曲线，它是二极管电流与两端电压的关系曲线。

图2-2 二极管开关电路图2-3 二极管伏—安特性曲线（未按比例画出）当二极管外加正向电压≥时，二极管导通，此后，随着外加电压增大，电流按指数规律变化。

VON是二极管的门槛（阈值、开启）电压，硅管约为0.5V，锗管约为0.1V。

≥时，特性趋于直线，VD基本不随电流变化。

VD称为二极管的导通压降，硅管约为0.7V，锗管约为0.3V。

在数字电路的分析估算中，常将VD=0.7V视为硅二极管的导通条件。

图2-4二极管正向导通时的等效电路图2-5二极管截止时的等效电路图2-4为二极管正向导通时的等效电路。

当外加正向电压VIH（输入信号高电平）使硅二极管导通后，可近似认为保持0.7V不变。

因此，在数字信号作用下二极管正向导通时，它相当于一个具有0.7V压降的闭合的开关。

（2）二极管截止时的特点及截止条件当外加电压较小或者承受反向偏置时，二极管截止。

由图2-3所示的二极管伏—安特性曲线可见，当＜＜时二极管截止，只有很小的反向漏电流流过二极管。

双极晶体管的开关原理一、双极晶体管开关作用机理双极晶体管，又称双极型晶体管，是一种固体半导体器件，其可实现电流的放大和开关功能。

其名称中的“双极”是指这种器件的两个电子传导方向由同一条半导体（即基区）引入到另一点（即发射极和集电极）。

在双极器件中电流只沿着基区通过，这就限制了少子和多子的浓度，也限制了集电极电流对发射极电流的倍数。

为了增大发射极电流，可通过将几个集电极接在一起构成共集放大电路来实现。

正因为这样，由于开关状态控制所需的输入电荷小、开关速度高以及输出电容小等特点，它为开关电路的实用化奠定了基础。

然而由于集电结电容和集电发射偏压的存在，增加了电路不稳定性。

一般地讲，低噪声电路，包括集成电路都要求工作在线性范围之内。

尽管半导体器件已经尽可能使结电容降到最小，而且我们利用适当的电路安排可以使该结电容成为零（在电路断态下），但由于元器件参数上的不匹配以及制造工艺问题（包括塑料封装时的注塑干涸）的影响，这样的理想情况很难做到。

因此在实际应用中应考虑使用并联电容或电感来补偿因结电容而产生的寄生效应。

双极晶体管的工作原理是基于三极管的电流控制作用，当基极电流增大时，集电极电流也相应增大。

但是，集电极电流的增加不会使集电极和发射极之间的电压降（集电极电阻）相应增大。

双极晶体管的开关作用是基于电子的注入。

在关闭状态下，基极电流非常小（微安级），此时集电极和发射极之间的电压降也最小（通常为几伏特）。

在开启状态下，注入更多的电子时，集电极和发射极之间的电压降会上升到几十伏特（约几百毫安）。

这种开关特性使得双极晶体管在各种电子设备中得到了广泛的应用。

三、双极晶体管工作条件1.集电极—基极间加电压Uc。

当集电极—基极间的电压Uc大于PN结的死区电压Uon（一般在0.6～0.7V左右）时，发射结正偏置，发射区的多数载流子（电子）通过PN结向基区扩散。

集电结的多数载流子（空穴）也向基区扩散。

当扩散到一定距离时，被集电极N+收集区收集；同时基区有等量的少数载流子（空穴）漂移到发射结（靠近基区一边）而终止。

IGBT的工作康理和工作特ftIGBT的开关作用是通过加正向柵极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电说，使IGBT导通。

反之，H反向D板电压消除沟道，浹过反肖基根电if, ft IGBT关断。

IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需輕制输人极N -沟道MOSFET, 所以貝有高输入皿抗特性。

当M OSFET的沟道形底后,从P+基极注人到N-层的空兀(少子),对N-层进行电导调耳, 城小N —层的电讯，® IGBT在高电压时，也貝有低的通态电压。

IGBT曲工作特性包招静奈和动矗两类：1.静去特性IGBT的静态特牲壬要有伏安特牲、转杨将性棚开关特性。

IGBT的伏安特性是惰以讯源电压Ugs为参变量时，演板电滾与HJI极电压之间的关系曲线。

输出漏机电流比受柵淪电压Ugs的控M, Ugs越髙，Id毬大。

它与GTR的输出特牲相仏也可什为饱和区1、放大区2和击穿特住3部什。

在彼止状态下的IGBT, 正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。

如果无N+缓冲区，剧正反向讯断电压可以似別同样水平，加人N+媛冲区后，反向关撕电压只能达月几十伏水平，因此眼制了IGBT的某些应用国。

IGBT的转密特性是惰输出漏板电流Id与冊源电压Ugs之间的关系曲线。

它与MOSFET的转粽特性相同，当卅源电压小于开启电压Ugs(th)旳，IGBT处于关断状态。

在IGBT导通后的大册什漏檢电潼田，Id与U°s呈线性关系。

最高柵源电压受最大漏机电渝眼制，其最佳値一般取为15V左右。

IGBT的开关特性是指漏板电流与漏源电压之间的关系。

IGBT处于导通态旳，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，斯以其B值根低。

尽管等效电路为这M顿给枸，個通过MOSFET的电说成为IGBT总电流的主要部分。

此时,通态电压U ds(on) «J用下式表示：Uds(on) = Uj1 +Udr + ldRoh (2-14)式中Uj1—JI结的正向电压，其值为0.7-IV；Udr一扩展电Pfl Rdr ±的压降；Roh一沟谊电阳。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。

它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。

自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。

IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。

具有栅极G、集电极C和发射极E。

图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。

与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。

这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。

图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。

因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。

由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。

上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。

半导体器件物理施敏答案【篇一：施敏院士北京交通大学讲学】t>——《半导体器件物理》施敏 s.m.sze,男，美国籍，1936年出生。

台湾交通大学电子工程学系毫微米元件实验室教授，美国工程院院士，台湾中研院院士，中国工程院外籍院士，三次获诺贝尔奖提名。

学历：美国史坦福大学电机系博士（1963），美国华盛顿大学电机系硕士（1960），台湾大学电机系学士（1957）。

经历：美国贝尔实验室研究（1963-1989），交通大学电子工程系教授（1990-），交通大学电子与资讯研究中心主任（1990-1996），国科会国家毫微米元件实验室主任（1998-），中山学术奖（1969），ieee j.j.ebers奖（1993），美国国家工程院院士（1995）, 中国工程院外籍院士 (1998)。

现崩溃电压与能隙的关系，建立了微电子元件最高电场的指标等。

施敏院士在微电子科学技术方面的著作举世闻名，对半导体元件的发展和人才培养方面作出了重要贡献。

他的三本专著已在我国翻译出版，其中《physics of semiconductor devices》已翻译成六国文字，发行量逾百万册；他的著作广泛用作教科书与参考书。

由于他在微电子器件及在人才培养方面的杰出成就,1991年他得到了ieee 电子器件的最高荣誉奖（ebers奖），称他在电子元件领域做出了基础性及前瞻性贡献。

施敏院士多次来国内讲学，参加我国微电子器件研讨会；他对台湾微电子产业的发展，曾提出过有份量的建议。

主要论著：1. physics of semiconductor devices, 812 pages, wiley interscience, new york, 1969.2. physics of semiconductor devices, 2nd ed., 868 pages, wiley interscience, new york,1981.3. semiconductor devices: physics and technology, 523 pages, wiley, new york, 1985.4. semiconductor devices: physics and technology, 2nd ed., 564 pages, wiley, new york,2002.5. fundamentals of semiconductor fabrication, with g. may,305 pages, wiley, new york,20036. semiconductor devices: pioneering papers, 1003 pages, world scientific, singapore,1991.7. semiconductor sensors, 550 pages, wiley interscience, new york, 1994.8. ulsi technology, with c.y. chang,726 pages, mcgraw hill, new york, 1996.9. modern semiconductor device physics, 555 pages, wiley interscience, new york, 1998. 10. ulsi devices, with c.y. chang, 729 pages, wiley interscience, new york, 2000.课程内容及参考书：施敏教授此次来北京交通大学讲学的主要内容为《physics ofsemiconductor device》中的一、四、六章内容，具体内容如下：chapter 1: physics and properties of semiconductors1.1 introduction 1.2 crystal structure1.3 energy bands and energy gap1.4 carrier concentration at thermal equilibrium 1.5 carrier-transport phenomena1.6 phonon, optical, and thermal properties 1.7 heterojunctions and nanostructures 1.8 basic equations and exampleschapter 4: metal-insulator-semiconductor capacitors4.1 introduction4.2 ideal mis capacitor 4.3 silicon mos capacitorchapter 6: mosfets6.1 introduction6.2 basic device characteristics6.3 nonuniform doping and buried-channel device 6.4 device scaling and short-channel effects 6.5 mosfet structures 6.6 circuit applications6.7 nonvolatile memory devices 6.8 single-electron transistor iedm，iscc, symp. vlsi tech.等学术会议和期刊上的关于器件方面的最新文章教材：? s.m.sze, kwok k.ng《physics of semiconductordevice》,third edition参考书：? 半导体器件物理(第3版)(国外名校最新教材精选)(physics of semiconductordevices) 作者:(美国)(s.m.sze)施敏 (美国)(kwok k.ng)伍国珏译者:耿莉张瑞智施敏老师半导体器件物理课程时间安排半导体器件物理课程为期三周，每周六学时，上课时间和安排见课程表：北京交通大学联系人：李修函手机：138******** 邮件：lixiuhan@案2013~2014学年第一学期院系名称：电子信息工程学院课程名称：微电子器件基础教学时数： 48授课班级： 111092a,111092b主讲教师：徐荣辉三江学院教案编写规范教案是教师在钻研教材、了解学生、设计教学法等前期工作的基础上，经过周密策划而编制的关于课程教学活动的具体实施方案。