半导体三极管的开关特性分析与优化

一、开关作用

半导体三极管有截止、放大、饱和三种状态，在数字电路中，三极管是作为一个开关来使用的，它只能工作在饱和状态（导通）和截止状态，放大状态仅仅是转瞬即逝的过渡状态。下面参照图6.2.4所示的共发射极三极管（以硅管为例）开关电路来讨论三极管的开关作用。

图6.2.4　三极管开关电路

当输入电压uI＝UIL时，三极管的发射结电压小于导通电压，三极管截止，基极电流、集电极电流均近似为0，即iB≈0A，iC≈0A，输出电压uO≈VCC。为了使三极管可靠截止，一般在输入端加反向电压，使发射结处于反偏，即uBE≤0V。三极管截止时，三个极互为开路，如同开关断开，其等效电路如图6.2.5（a）所示。

当输入电压uI＝UIH时，使三极管工作在饱和状态（三极管的饱和条件为）。根据三极管的输入和输出特性可知，三极管发射结电压UBE≈0.7V，uO＝UCE≈0.3V。三极管饱和时，如同开关闭合，其等效电路如图6.2.5（b）所示。

图6.2.5　三极管的开关电路及等效电路

（a）截止状态；（b）饱和导通状态

二、开关时间参数(www.xing528.com)

和二极管相似，三极管的工作状态也非理想开关，其内部电荷的建立与消散都需要一定的时间，即三极管的截止与饱和两种状态相互转换需要时间。在图6.2.4电路中，输入一个理想的矩形脉冲uI时，其集电极电流iC和输出电压uO的变化如图6.2.6所示。

图6.2.6　三极管的动态开关特性

通常把从uI正跃变开始到iC上升到0.9IC（sat）所需的时间称为开通时间，用ton表示，它是三极管发射极由宽变窄和基区积累电荷所需要的时间。通常把从uI负跃变开始到iC下降到0.1IC（sat）所需的时间称为关断时间，用toff表示，它是清除三极管内存电荷所需要的时间。

三极管开关时间一般为纳秒数量级，且toff＞ton，所以减少饱和导通时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其消散过程，是提高三极管开关速度的关键。为提高三极管的开关速度，在集成电路中，常将肖特基二极管（SBD）和三极管制作在一起，构成抗饱和三极管，如图6.2.7所示。它利用肖特基二极管的导通压降较小（约为0.4V），从而对三极管的基极电流进行分流，使其工作在浅饱和状态，以大大提高工作速度。

图6.2.7　抗饱和三极管

（a）电路结构；（b）符号