三極管的開關速度與加速電容分析
發布時間:2019-08-06 責任編輯:lina
【導讀】晶體管的開關速度即由其開關時間來表征,開關時間越短,開關速度就越快。BJT的開關過程包含有開啟和關斷兩個過程,相應地就有開啟時間ton和關斷時間toff,晶體管的總開關時間就是ton與toff之和。
晶體管的開關速度即由其開關時間來表征,開關時間越短,開關速度就越快。BJT的開關過程包含有開啟和關斷兩個過程,相應地就有開啟時間ton和關斷時間toff,晶體管的總開關時間就是ton與toff之和。
如何提高晶體管的開關速度?——可以從器件設計和使用技術兩個方麵來加以考慮。
(1)晶體管的開關時間:
晶體管的開關波形如圖1所示。其中開啟過程又分為延遲和上升兩個過程,關斷過程又分為存儲和下降兩個過程,則晶體管總的開關時間共有4個:延遲時間td,上升時間tr,存儲時間ts和下降時間tf;
ton=td+tr, toff=ts+tf
在不考慮晶體管的管殼電容、布線電容等所引起的附加電容的影響時,晶體管的開關時間就主要決定於其本身的結構、材料和使用條件。

① 延遲時間td :
延遲時間主要是對發射結和集電結勢壘電容充電的時間常數。因此,減短延遲時間的主要措施,從器件設計來說,有如:減小發射結和集電結的麵積(以減小勢壘電容)和減小基極反向偏壓的大小(以使得發射結能夠盡快能進入正偏而開啟晶體管);而從晶體管使用來說,可以增大輸入基極電流脈衝的幅度,以加快對結電容的充電速度(但如果該基極電流太大,則將使晶體管在導通後的飽和深度增加,這反而又會增長存儲時間,所以需要適當選取)。
② 上升時間tr :
上升導通時間是基區少子電荷積累到一定程度、導致晶體管達到臨界飽和(即使集電結0偏)時所需要的時間。因此,減短上升時間的主要措施,從器件設計來說有如:增長基區的少子壽命(以使少子積累加快),減小基區寬度和減小結麵積(以減小臨界飽和時的基區少子電荷量),以及提高晶體管的特征頻率fT(以在基區盡快建立起一定的少子濃度梯度,使集電極電流達到飽和);而從晶體管使用來說,可以增大基極輸入電流脈衝的幅度,以加快向基區注入少子的速度(但基極電流也不能過大,否則將使存儲時間延長)。
③ 存儲時間ts :
存儲時間就是晶體管從過飽和狀態(集電結正偏的狀態)退出到臨界飽和狀態(集電結0偏的狀態)所需要的時間,也就是基區和集電區中的過量存儲電荷消失的時間;。而這些過量少子存儲電荷的消失主要是依靠複合作用來完成,所以從器件設計來說,減短存儲時間的主要措施有如:在集電區摻Au等來減短集電區的少子壽命(以減少集電區的過量存儲電荷和加速過量存儲電荷的消失;但是基區少子壽命不能減得太短,否則會影響到電流放大係數),盡可能減小外延層厚度(以減少集電區的過量存儲電荷)。而從晶體管使用來說,減短存儲時間的主要措施有如:基極輸入電流脈衝的幅度不要過大(以避免晶體管飽和太深,使得過量存儲電荷減少),增大基極抽取電流(以加快過量存儲電荷的消失速度)。
④ 下降時間tf :
下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian)的(de)過(guo)程(cheng)與(yu)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)的(de)過(guo)程(cheng)恰(qia)巧(qiao)相(xiang)反(fan),即(ji)是(shi)讓(rang)臨(lin)界(jie)飽(bao)和(he)時(shi)基(ji)區(qu)中(zhong)的(de)存(cun)儲(chu)電(dian)荷(he)逐(zhu)漸(jian)消(xiao)失(shi)的(de)一(yi)種(zhong)過(guo)程(cheng)。因(yin)此(ci),為(wei)了(le)減(jian)短(duan)下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian),就(jiu)應(ying)該(gai)減(jian)少(shao)存(cun)儲(chu)電(dian)荷(he)(減小結麵積、減小基區寬度)和加大基極抽取電流。
總之,為了減短晶體管的開關時間、提高開關速度,除了在器件設計上加以考慮之外,在晶體管使用上也可以作如下的考慮:a)增大基極驅動電流,可以減短延遲時間和上升時間,但使存儲時間有所增加;b)增大基極抽取電流,可以減短存儲時間和下降時間。

(2)晶體管的增速電容器:
在BJTcaiyongdianyaqudongshi,suiranjianxiaojijiwaijiedianzuhezengdajijifanxiangdianya,keyizengdachouqudianliu,zheduiyusuoduancunchushijianhexiajiangshijiandouyouyidingdehaochu。danshi,ruojijiwaijiedianzutaixiao,zehuizengdashurudianliumaichongdefudu,jiangshiqijiandebaohechengdujiashenerfanerdaozhicunchushijianyanchang;若(ruo)基(ji)極(ji)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)太(tai)大(da),又(you)會(hui)使(shi)發(fa)射(she)結(jie)反(fan)偏(pian)嚴(yan)重(zhong)而(er)增(zeng)加(jia)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian),所(suo)以(yi)需(xu)要(yao)全(quan)麵(mian)地(di)進(jin)行(xing)折(zhe)中(zhong)考(kao)慮(lv)。可(ke)以(yi)想(xiang)見(jian),為(wei)了(le)通(tong)過(guo)增(zeng)大(da)基(ji)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)來(lai)減(jian)短(duan)延(yan)遲(chi)時(shi)間(jian)和(he)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)的(de)同(tong)時(shi)、又不要增長存儲時間和產生其它的副作用,理想的基極輸入電流波形應該是如圖2所示階梯波的形式,這樣的階梯波輸入即可克服上述矛盾,能夠達到提高開關速度的目的。
實際上,為了實現理想的基極電流波形,可以方便地采用如圖3所示的基極輸入回路(微分電路),圖中與基極電阻RB並聯的CB就jiu稱cheng為wei增zeng速su電dian容rong器qi。在zai基ji極ji輸shu入ru回hui路lu中zhong增zeng加jia一yi個ge增zeng速su電dian容rong器qi之zhi後hou,雖sui然ran輸shu入ru的de電dian流liu波bo形xing仍reng然ran是shi方fang波bo,但dan是shi通tong過guo增zeng速su電dian容rong器qi的de作zuo用yong之zhi後hou,所suo得de到dao的de實shi際ji基ji極ji輸shu入ru電dian流liu波bo形xing就jiu變bian得de很hen接jie近jin於yu理li想xiang的de基ji極ji電dian流liu波bo形xing了le,於yu是shi就jiu可ke以yi減jian短duan開kai關guan時shi間jian、提高開關速度。

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