第五章 双极型晶体管开关特性

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。

npn pnp 晶体管输出压力开关-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:npn和pnp晶体管是两种常见的双极型晶体管，它们在电子领域中扮演着重要的角色。

npn和pnp晶体管的工作原理和特性有所不同，但它们都可以用来实现电流放大、开关控制等功能。

本文将重点介绍npn和pnp晶体管的工作原理，并探讨它们在输出压力开关中的应用。

通过深入研究npn pnp晶体管输出压力开关的优势和未来发展展望，可以更好地认识和理解这一重要的电子元件。

1.2文章结构文章结构部分将介绍npn pnp 晶体管输出压力开关的相关知识，包括npn 晶体管和pnp 晶体管的工作原理，以及它们在压力开关中的应用。

通过这些内容，读者将会了解到npn pnp 晶体管输出压力开关的工作原理和优势，以及未来可能的发展方向。

文章结构清晰明了，有助于读者更好地理解和掌握相关知识。

1.3 目的：本文旨在深入探讨npn和pnp晶体管输出压力开关的工作原理和应用，通过对这两种晶体管的比较分析，探讨它们在压力开关中的优势和不同之处。

通过本文的研究，读者将更深入地了解npn和pnp晶体管在压力开关领域的应用价值，促进相关技术的发展和应用。

同时，本文也旨在为工程师和研究人员提供参考，帮助他们更好地选择和设计适合的晶体管输出压力开关，推动该领域的进步和发展。

2.正文2.1 npn 晶体管的工作原理npn 晶体管是一种双极型晶体管，由两个n型半导体夹着一个p型半导体构成。

它的工作原理基于p-n 结的特性。

当npn 晶体管处于正常工作状态时，基极（p区）的电压高于发射极（n区）的电压，这样就会形成一个正向偏置。

这会导致在基极和发射极之间形成一个电场，使得p-n 结处于导通状态。

当一个正向电压施加在基极上时，这会促使少量电子从发射极注入到基极中，进而形成主电流。

这个主电流的大小受到基极电流的控制，即控制输入电流即可控制输出电流。

总的来说，npn 晶体管的工作原理可以简单理解为：控制输入信号作用在基极上，调节基极电流，进而控制输出电流。

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。

晶体管开关特性、限幅器与钳位器实验二晶体管开关特性、限幅器与钳位器1. 实验目的（1）观察晶体二极管、三极管的开关特性，了解外电路参数变化对晶体管开关特性的影响（2）掌握限幅器和钳位器的基本工作原理。

2. 实验原理（1）晶体二极管的开关特性由于晶体二极管具有单向导电性，故英开关特性表现在正向导通与反向截止两种不同状态的转换过程。

如图2—1电路，输入端施加一方波激励信号％,由于二极管结电容的存在，因而有充电、放电和存贮电荷的建立与消散的过程。

因此当加在二极管上的电压突然由正向偏B（+K）变为反向偏置（-?时，二极管并不立即截止，而是出现一个较大的反向电流-冬，并维持R一段时间：（称为存贮时间）后，电流才开始减小，再经徐（称为下降时间）后，反向电流才等于静态特性上的反向电流厶，将tr=ts+tf叫做反向恢复时间，纭与二极管的结构有关，PN结面积小，结电容小，存贮电荷就少，匚就短，同时也与正向导通电流和反向电流有关。

当管子选泄后，减小正向导通电流和增大反向驱动电流，可加速电路的转换过程。

（2）晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性是指它从截止到饱和导通，或从饱和导通到截止的转换过程，而且这种转换都需要一泄的时间才能完成。

如图2-2电路的输入端，施加一个足够幅度（在-％和+%之间变化）的矩形脉冲电压%激励信号，就能使晶体管从截止状态进入饱和导通，再从饱和进入截止。

可见晶体管T的集电极电流几和输出电压K 的波形已不是一个理想的矩形波，其起始部分和平顶部分都延迟了一段时间，苴上升沿和下降沿都变得缓慢了，如图2—2波形所示，从上开始跃升到丄上升到0.1A，所需时间定义为延迟时间乱，而丄从0.1矗增长到0.9矗的时间为上升时间“从K开始跃降到i.下降到0.9厶s 的时间为存贮时间ts,而几从0.9lcs下降到0.1忑的时间为下降时间如通常称1^=1Atr为三极管开关的“接通时间”，toff=ts+tf称为“断开时间”,形成上述开关特性的主要原因乃是晶体管结电容之故。

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。

双极型晶体管工作原理
双极型晶体管是一种常用的半导体器件，可用于放大信号和作为开关。

它由三个连续的区域构成：发射区、基区和集电区。

在正常工作状态下，双极型晶体管中的基区被电压偏置，使其与发射区和集电区之间形成两个二极管。

这两个二极管分别为发射结和集电结。

当一个正向偏置电流被施加在发射结上时，发射结就会成为一个缓慢变化的放大器。

发射结的沟道会形成一个电子云，这个电子云会带电，电流在发射结得到放大。

当从集电结到基区的电流增大时，由于集电结反偏，它将呈指数增加，最终使根据KCL（基尔霍夫电流定律）达到稳定。

当在基结-发射结之间施加截断电压时，集电结会关闭，使得电流在双极型晶体管中被截断，即将其作为开关使用。

总之，双极型晶体管通过控制基结电流来调节集电结电流。

在工作原理中，发射结起到放大的作用，而集电结起到开关的作用。

这使得双极型晶体管成为一种常用的器件，适用于各种电子电路中的放大和开关功能。

IGBT ，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由 MOSFET （输入级）和 PNP 晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有 MOSFET 器件驱动功 率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于 MOSFET 与功率晶体管之间，可正常 工作于几十 kHz 频率范围内。

理想等效电路与实际等效电路如图所示：IGBT 的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开关特性）。

动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：IGBT 的开通过程IGBT 在开通过程中，分为几段时间1. 与 MOSFET 类似的开通过程，也是分为三段的充电时间2. 只是在漏源 DS 电压下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和过程中增加了一 段延迟时间。

在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton ，上升时间Tr 和Tr.i除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.iIGBT在关断过程IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。

第一段是按照MOS管关断的特性的第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。

在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf 和Tf.i除了表格中以外，还定义trv 为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td（off）。

漏极电流的下降时间Tf 由图中的t（f1）和t（f2）两段组成，而总的关断时间可以称为toff=td（off）+trv 十t（f），td（off）+trv 之和又称为存储时间。

从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关系：从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念：开启过程关断过程尝试去计算IGBT的开启过程，主要是时间和门电阻的散热情况。

C.GE 栅极-发射极电容C.CE 集电极-发射极电容C.GC 门级-集电极电容（米勒电容）Cies =CGE+CGC 输入电容Cres =CGC 反向电容Coes =CGC+CCE 输出电容根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析对应的电流可简单用下图所示：第1阶段：栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE（th）。

npn双极型晶体管
NPN双极型晶体管是一种常见的电子器件，由三个半导体层组成：两个N型和一个P型。

这种晶体管具有电流放大能力，常用于各种电子电路中，如放大器、开关、振荡器等。

NPN双极型晶体管的三个半导体层分别是：
1. 发射极（Emitter）：通常为N型半导体，负责发射电子。

2. 基极（Base）：通常为P型半导体，是晶体管的控制极，用于控制晶体管的开关状态。

3. 集电极（Collector）：通常为N型半导体，负责收集从发射极发射出的电子。

NPN双极型晶体管的工作原理是：当基极电压升高时，基极电流增加，导致发射极电流增加，进而在集电极形成较大的电流。

这种电流放大作用使得NPN双极型晶体管能够有效地放大输入信号。

在应用方面，NPN双极型晶体管常用于各种电子电路中，如音频放大器、开关电源、振荡器等。

在音频放大器中，NPN双极型晶体管可以作为放大器使用，
将微弱的音频信号放大为较大的电流，驱动扬声器发出声音。

在开关电源中，NPN双极型晶体管可以作为开关使用，控制电源的通断。

在振荡器中，NPN双极型晶体管可以产生振荡信号，用于各种电子设备中。

NPN双极型晶体管是一种重要的电子器件，具有广泛的应用前景。