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

 

（1）晶體管的開關(guān)時(shí)間
 

晶體管的開關(guān)波形如圖1所示。其中開啟過程又分為延遲和上升兩個(gè)過程，關(guān)斷過程又分為存儲(chǔ)和下降兩個(gè)過程，則晶體管總的開關(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、布線電容等所引起的附加電容的影響時(shí)，晶體管的開關(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)來說，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)入正偏而開啟晶體管）；而從晶體管使用來說，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)來說有如：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）；而從晶體管使用來說，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)中的過量存儲(chǔ)電荷消失的時(shí)間；。而這些過量少子存儲(chǔ)電荷的消失主要是依靠復(fù)合作用來完成，所以從器件設(shè)計(jì)來說，減短存儲(chǔ)時(shí)間的主要措施有如：在集電區(qū)摻Au等來減短集電區(qū)的少子壽命（以減少集電區(qū)的過量存儲(chǔ)電荷和加速過量存儲(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)的過量存儲(chǔ)電荷）。而從晶體管使用來說，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大（以避免晶體管飽和太深，使得過量存儲(chǔ)電荷減少），增大基極抽取電流（以加快過量存儲(chǔ)電荷的消失速度）。

 

④ 下降時(shí)間tf

 

下降時(shí)間的過程與上升時(shí)間的過程恰巧相反，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關(guān)時(shí)間、提高開關(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。

 

 

（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?？梢韵胍?，為了通過增大基極驅(qū)動(dòng)電流來減短延遲時(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，于是就可以減短開關(guān)時(shí)間、提高開關(guān)速度。

 

 

 

推薦閱讀：