三極管的開(kāi)關(guān)速度

晶體管的開(kāi)關(guān)速度即由其開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)表征，開(kāi)關(guān)時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)速度就越快。BJT的開(kāi)關(guān)過(guò)程包含有開(kāi)啟和關(guān)斷兩個(gè)過(guò)程，相應(yīng)地就有開(kāi)啟時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff，晶體管的總開(kāi)關(guān)時(shí)間就是ton與toff之和。

如何提高晶體管的開(kāi)關(guān)速度?——可以從器件設(shè)計(jì)和使用技術(shù)兩個(gè)方面來(lái)加以考慮。

(1)晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間：

晶體管的開(kāi)關(guān)波形如圖1所示。其中開(kāi)啟過(guò)程又分為延遲和上升兩個(gè)過(guò)程，關(guān)斷過(guò)程又分為存儲(chǔ)和下降兩個(gè)過(guò)程，則晶體管總的開(kāi)關(guān)時(shí)間共有4個(gè)：延遲時(shí)間td，上升時(shí)間tr，存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf;

ton=td+tr， toff=ts+tf

在不考慮晶體管的管殼電容、布線(xiàn)電容等所引起的附加電容的影響時(shí)，晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間就主要決定于其本身的結(jié)構(gòu)、材料和使用條件。

① 延遲時(shí)間td ：

延遲時(shí)間主要是對(duì)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電的時(shí)間常數(shù)。因此，減短延遲時(shí)間的主要措施，從器件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有如：減小發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的面積(以減小勢(shì)壘電容)和減小基極反向偏壓的大小(以使得發(fā)射結(jié)能夠盡快能進(jìn)入正偏而開(kāi)啟晶體管);而從晶體管使用來(lái)說(shuō)，可以增大輸入基極電流脈沖的幅度，以加快對(duì)結(jié)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(dǎo)通后的飽和深度增加，這反而又會(huì)增長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間，所以需要適當(dāng)選取)。

② 上升時(shí)間tr ：

上升導(dǎo)通時(shí)間是基區(qū)少子電荷積累到一定程度、導(dǎo)致晶體管達(dá)到臨界飽和(即使集電結(jié)0偏)時(shí)所需要的時(shí)間。因此，減短上升時(shí)間的主要措施，從器件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)有如：增長(zhǎng)基區(qū)的少子壽命(以使少子積累加快)，減小基區(qū)寬度和減小結(jié)面積(以減小臨界飽和時(shí)的基區(qū)少子電荷量)，以及提高晶體管的特征頻率fT(以在基區(qū)盡快建立起一定的少子濃度梯度，使集電極電流達(dá)到飽和);而從晶體管使用來(lái)說(shuō)，可以增大基極輸入電流脈沖的幅度，以加快向基區(qū)注入少子的速度(但基極電流也不能過(guò)大，否則將使存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng))。

③ 存儲(chǔ)時(shí)間ts ：

存儲(chǔ)時(shí)間就是晶體管從過(guò)飽和狀態(tài)(集電結(jié)正偏的狀態(tài))退出到臨界飽和狀態(tài)(集電結(jié)0偏的狀態(tài))所需要的時(shí)間，也就是基區(qū)和集電區(qū)中的過(guò)量存儲(chǔ)電荷消失的時(shí)間;。而這些過(guò)量少子存儲(chǔ)電荷的消失主要是依靠復(fù)合作用來(lái)完成，所以從器件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，減短存儲(chǔ)時(shí)間的主要措施有如：在集電區(qū)摻Au等來(lái)減短集電區(qū)的少子壽命(以減少集電區(qū)的過(guò)量存儲(chǔ)電荷和加速過(guò)量存儲(chǔ)電荷的消失;但是基區(qū)少子壽命不能減得太短，否則會(huì)影響到電流放大系數(shù))，盡可能減小外延層厚度(以減少集電區(qū)的過(guò)量存儲(chǔ)電荷)。而從晶體管使用來(lái)說(shuō)，減短存儲(chǔ)時(shí)間的主要措施有如：基極輸入電流脈沖的幅度不要過(guò)大(以避免晶體管飽和太深，使得過(guò)量存儲(chǔ)電荷減少)，增大基極抽取電流(以加快過(guò)量存儲(chǔ)電荷的消失速度)。

④ 下降時(shí)間tf ：

下降時(shí)間的過(guò)程與上升時(shí)間的過(guò)程恰巧相反，即是讓臨界飽和時(shí)基區(qū)中的存儲(chǔ)電荷逐漸消失的一種過(guò)程。因此，為了減短下降時(shí)間，就應(yīng)該減少存儲(chǔ)電荷(減小結(jié)面積、減小基區(qū)寬度)和加大基極抽取電流。

總之，為了減短晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間、提高開(kāi)關(guān)速度，除了在器件設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)電流，可以減短延遲時(shí)間和上升時(shí)間，但使存儲(chǔ)時(shí)間有所增加;b)增大基極抽取電流，可以減短存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間。

圖2

(2)晶體管的增速電容器：

在BJT采用電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，雖然減小基極外接電阻和增大基極反向電壓，可以增大抽取電流，這對(duì)于縮短存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間都有一定的好處。但是，若基極外接電阻太小，則會(huì)增大輸入電流脈沖的幅度，將使器件的飽和程度加深而反而導(dǎo)致存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng);若基極反向電壓太大，又會(huì)使發(fā)射結(jié)反偏嚴(yán)重而增加延遲時(shí)間，所以需要全面地進(jìn)行折中考慮。可以想見(jiàn)，為了通過(guò)增大基極驅(qū)動(dòng)電流來(lái)減短延遲時(shí)間和上升時(shí)間的同時(shí)、又不要增長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間和產(chǎn)生其它的副作用，理想的基極輸入電流波形應(yīng)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(dá)到提高開(kāi)關(guān)速度的目的。

實(shí)際上，為了實(shí)現(xiàn)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并聯(lián)的CB就稱(chēng)為增速電容器。在基極輸入回路中增加一個(gè)增速電容器之后，雖然輸入的電流波形仍然是方波，但是通過(guò)增速電容器的作用之后，所得到的實(shí)際基極輸入電流波形就變得很接近于理想的基極電流波形了，于是就可以減短開(kāi)關(guān)時(shí)間、提高開(kāi)關(guān)速度。