晶体管的开关特性

随着我国工农业生产和科学技术的飞速发展，脉冲技术在国民经济各个领域中的应用日益广泛，一些现代化的电子设备，如电子数字计算机、数控机床、数字化仪表和电视接收机的主要部件，无非是各种各样的开关电路。电路里的开关元件主要是由晶体管来担任的。近几年来，由于半导体集成电路的发展和应用，使开关电路在高速度、微小型化、低功耗和高可靠性方面出现了新的飞跃。因此，深入了解晶体管的开关特性是学习和掌握脉冲技术的重要环节。

脉冲电路对开关元件的基本要求是：在电路“接通”时，阻抗尽量小，接近于短路，电路“断开”时，阻抗尽量大，接近于开路；开关的转换速度要快；驱动功率小，即动作灵敏度高等。机械开关和继电器，动作慢，驱动功率大，已不能适应高速脉冲电路的要求，所以近年来人们广泛地采用晶体管作为无触点电子开关。

图1可以说明晶体管的开关作用。管子的集电极c和发射极e相当于普通机械开关的两个触点，开关的“通”与“断”是由加在基极b上的脉冲信号来控制的。图1所示NPN型晶体管电路中，当输入正脉冲时，晶体管导通，集电极电流很大，c、e之间的电阻很小，晶体管相当于一个接通的开关，如图1（b）所示。当输入负脉冲时，晶体管截止，集电极电流近似等于零（只有极小的反向漏电流），c、e之间的电阻很大，相当于一个断开的开关，如图1（d）所示。晶体管开关是由电脉冲信号来控制的，所以开关的速度极快，可由每秒钟数千次到几百万次，这是晶体管开关最重要的特点。这种开关只需利用很小的基极电流I\(_{b}\)，就能控制很大的集电极电流Ic实现通和断，在使用中没有机械磨损，所以寿命长、工作可靠。必须指出，晶体管不是一个理想的开关，当晶体管处于截止状态时，集电极和发射极之间总会流过很小的反向漏电流，开关两端的电阻不是无限大，一般约为数十兆欧到数百兆欧。当晶体管处于充分导通（即饱和）状态时，集电极和发射极之间存在着一定的炮和压降，开关两端的电阻不等于零，一般约为几欧到几十欧。此外，晶体管开关由一种工作状态转换到另一种工作状态所需时间不是零，总要经历很短的开关时间。

晶体管作开关应用时，管子的工作状态与放大电路是不同的。大多数脉冲电路中晶体管都是工作于截止与饱和两种工作状态。

为了深入了解晶体管开关工作状态的特点，我们先从放大工作状态谈起。

我们知道，晶体管是具有N-P-N或P-N-P三个导电区和两个PN结的半导体器件，如图2所示。在放大电路中，晶体管的发射结外加正向电压（称为正向偏置），集电结外加反向电压（称为反向偏置），电子源源不断地从发射区注入到基区，在基区中继续扩散，除少数电子在扩散过程中与基区的空穴复合，形成很小的基极电流外，绝大部分电子迅速到达集电结的边缘，被集电结的强力电场拉入集电区，形成很大的集电极电流。这时，晶体管好比一个电流分配器，各极电流基本上保持一定的比例关系，即i\(_{c}\)=βib，β是晶体管的电流放大系数，基极电流i\(_{b}\)变化时，引起集电极电流ic成比例地变化，i\(_{b}\)对ic有控制作用，这是晶体管工作于放大状态的重要特征。

图3是一个最简单的晶体管放大电路，图4是晶体管3DG6的输出特性曲线。从放大电路的基本知识可以知道，在电源电压给定以后，放大器的工作状态（工作点）即由负载电阻R\(_{c}\)和所提供的基极偏流Ib来确定。直线MN称为负载线，放大器的工作点即位于负载线上。当我们由大到小缓慢调节偏流电阻R\(_{b}\)，使基极电流Ib＞0，就产生了集电极电流I\(_{c}\)，我们说晶体管导通了。继续增大基极电流Ib，则集电极电流跟着成比例增加，这就是晶体管的电流放大。从图3中可以看出，电源电压E\(_{c}\)分别降落在集电极电阻Rc和晶体管上，可以写成

式中V\(_{ce}\)叫管压降，当Ec和R\(_{c}\)确定后，Vce的大小完全由I\(_{c}\)决定，即Ic越大V\(_{ce}\)越小，相当于c、e两极之间电阻越小。负载线MN-就是体现Vce对I\(_{c}\)这种依附关系的。当基极开路或给发射结外加反向电压使Vbe≤0时，基极注入电流I\(_{b}\)＝0，集电极电流Ic=0，V\(_{ce}\)＝Ec=12v，晶体管工作于M点，处于截止状态。晶体管截止时，发射结和集电结均为反向偏置。当基极注入电流I\(_{b}\)增大时，Ic相应地增大，V\(_{ce}\)却相应地减小。当Ib增加到一定数值（图4中I\(_{b}\)=0.12毫安）后，再继续增加Ib，I\(_{c}\)不再增加，而晶体管的集电极与发射极之间的电压Vce变得很小，这时晶体管失去了放大能力，这种现象叫饱和。晶体管工作在饱和状态时，发射结和集电结都处在正向偏置，此时电流I\(_{c}\)≈EcR\(_{c}\)，即集电极电流完全由外电路的参数Ec、R\(_{c}\)决定，不再服从Ic=βI\(_{b}\)这一规律，也就是说，Ic不再受I\(_{b}\)的控制了。饱和状态下的集电极电流用Ics表示，管压降用V\(_{ces}\)表示，称为饱和压降。不同型号的晶体管饱和压降Vces也不同，硅平面开关管为0.2～0.3伏。为了使晶体管工作于饱和状态，关键在于基极电流足够大，使晶体管达到饱和时所需要的最小基极电流，称为临界饱和基极电流，用I\(_{bs}\)表示。

在一般脉冲电路里，晶体管绝大部分时间，不是工作在饱和区，就是工作在截止区，只是在饱和、截止两种工作状态转换瞬间经过放大区。在实际工作中，为了简化脉冲电路的分析与计算，通常把饱和管的e、b、c三个极看成一点（即把很小的饱和压降看作零），而把截止管的e、b、c三个极看成开路（即忽略很小的反向漏电流），晶体管开关电路就可以等效为简单的直流电路，这个概念在今后会经常用到。

如上所述，晶体管两个PN结的电压数值不同，工作状态就不同。我们在调试电路时，常常根据两个结的电压数值，方便地判断管子的工作状态。下面给出常温下（25℃），硅NPN管和锗PNP管在不同状态下的结电压的典型数据：

硅NPN管的V\(_{be}\)：0.5伏时开始导通，管子处于放大状态，0.7伏时饱和。

锗PNP管的V\(_{be}\)：0.1伏时开始导通，0.2伏时处于放大状态，0.3伏时饱和。

饱和压降V\(_{ces}\)：硅管约0.3伏，锗管约0.1伏。

最简单的晶体管开关电路如图5所示。在晶体管的基极输入不断变化着的正、负脉冲。当输入脉冲为负时，晶体管截止，输出端得到高电平V\(_{sc}\)≈Ec；当输入脉冲为正时，晶体管饱和，输出端得到低电平V\(_{sc}\)=Vces。理想的晶体管开关，其输入和输出波形完全相仿，只是放大和倒了一个相，见图6。但是，实际从示波器观测到的结果并非如此，而是象图7那样。图7（a）是输入脉冲V\(_{sr}\)的波形，图7（b）是集电极电流ic的波形，图7（c）是输出脉冲V\(_{sc}\)的波形。

从图7可以看到，当输入脉冲由负跳变到正时，输出脉冲不是立即由高电平E\(_{c}\)跳变到低电平Vces，要延迟一段时间才开始减小，然后逐渐下降到低电平V\(_{ces}\)。当输入脉冲由正跳变到零时，输出脉冲也不能立即由低电平Vces跳变到高电平E\(_{c}\)，要拖延一段时间才开始增大，然后逐渐上升到高电平Ec，这说明晶体管开关是有惯性的。

在开关电路中，输出脉冲相对于输入脉冲在时间上的延迟和缓慢变化，主要是由于晶体管的集电极电流i\(_{c}\)的延迟和缓慢变化引起的。为了反映这一变化，引进一些标志晶体管开关性能的时间参数，标在图7上，即

（1）延迟时间t\(_{a}\)从输入脉冲由负跳变到正开始，到集电极电流ic上升到饱和值I\(_{cs}\)的1/10所需的时间。

（2）上升时间t\(_{r}\)从0.1Ics上升到0.9I\(_{cs}\)所需的时间。

（3）存贮时间T\(_{s}\)从输入脉冲由正跳变到负开始,到ic开始下降到0.9I\(_{cs}\)所需的时间。

（4）下降时间t\(_{f}\)从0.9Ics下降到0.1I\(_{cs}\)所经历的时间。

以上四个时间总称为晶体管的开关时间。为了研究方便，通常把延迟时间t\(_{d}\)与上升时间tr合并起来，叫开通时间t\(_{开}\)，即t开=t\(_{d}\)+tr；把存贮时间t\(_{s}\)与下降时间tf合并起来，叫关闭时间t\(_{关}\)，即t关=t\(_{s}\)＋tf。

晶体管的开关速度是由晶体管的制造工艺及内部结构所决定的。开关晶体管的开关时间参数t\(_{开}\)与t关通常在10\(^{-}\)7和10-9秒之间，这相对于一般的继电器的动作时间在10\(^{-}\)1和10-3秒之间要高好几个数量级了，所以在一般的工业控制中，由于控制对象的运动一般是很缓慢的，所以往往可以不考虑t\(_{开}\)和t关，而认为开关是瞬时完成的。但在高速脉冲电路中，如果输入脉冲的持续时间和开关时间相近，甚至更小，那末，当输出电压尚未下降完结，第二次脉冲的上升又开始了，这样，输出电压V\(_{sc}\)的波形就象图8那样，这时晶体管就不能起到很好的开关作用了。因此，在要求开关速度很高的场合，要选用开关晶体管。

脉冲电路中晶体管是作为开关元件运用的，所以对晶体管的选择与放大电路有所不同，一般应考虑以下要求：

（1）电路的工作频率 一般使管子的特征频率f\(_{T}\)大于电路工作频率的10倍左右。如果电路工作频率高于10MHz，则必须选用高速开关管，（fT＞100MHz），如3DK3、3DK2、3AK21、3AK15等；假使工作频率在1MHz左右，则用中频开关管或高频放大管（f\(_{T}\)≥1MHz），如3AK7、3AK8、3AG11等；若工作在100KHz左右，则可选用低频管（fT≥1MHz），如3AX72、3AX4等。

（2）负载电流 晶体管工作于饱和状态时的集电极电流I\(_{cs}\)不应超过该管的最大集电极允许电流IcM。但当I\(_{c}\)=IcM时，晶体管电流放大系数已下降到正常值的三分之一，所以一般取I\(_{cs}\)=（\(\frac{1}{3}\)～1;2）IcM。

（3）电源电压 晶体管工作于截止状态时，电源电压全部加在晶体管的c、e极之间，为保证管子的安全，通常要求晶体管的集电极—发射极反向击穿电压BV\(_{ceo}\)大于电源电压的两倍。

（4）温度稳定性 晶体管的集电极—发射极反向截止电流I\(_{ceo}\)与温度有密切关系，温度每升高10℃，Iceo增大一倍。常温时，硅管的I\(_{ceo}\)小于1微安，而锗管的Iceo通常大于几十微安。所以在对温度稳定性要求较高的脉冲电路最好选用硅管。又由于电流放大系数β大的管子，I\(_{ceo}\)也大，故宜选择β值在30至80的晶体管。

为了减小晶体管的平均耗散功率，提高电路抗干扰能力，尽量选择饱和压降V\(_{ces}\)较小的晶体管。选管时还要考虑勤俭节约的原则，在满足技术要求的前提下，尽量选择价格较低，通用性较大的管子。（宋东生）