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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性.精品文档.理想开关的开关特性 假定图2.1.1所示S是一个理想开关，则其特性应如下：一、 静态特性（一） 断开时，无论Uak在多大范围内变化，其等效电阻Roff=无穷，通过其中的电流Ioff=0。（二） 闭合时，无论流过其中的电流在多大范围内变化，其等效电阻Ron=0，电压Uak=0。二、 动态特性（一） 开通时间Ton=0，即开关S由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。（二） 关断时间Toff=0，即开关由闭合状态转换到断开状态哦也不需要时间，亦可以瞬间完成。客观世界中，当然没有这种理想
2、开关存在。日常生活中使用的乒乓开关、继电器、接触器等，在一定电压和电流范围内，其静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，根本不可能满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。虽然，半导体二极管、三极管和MOS管作为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但其动态特性却是机械开关无法比拟的。2.1.2 半导体二极管的开关特性 半导体二极管最显著的特点是具有单向导电特性。一、 静态特性（一） 半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性1 结构示意图和符号如图2.1.2所示，是半导体二极管的结构示意图和符号。半导体二极管是一种两层、一结、两端器件，两层就是P型层和N型层、一结就内部只有一个PN结，
3、两端就是两个引出端，一个引出端叫做阳极A，一个引出端称为阴极K。2 伏安特性反映加在二极管两端的电压Ud和流过其中的电流Id两者之间关系的曲线，叫做伏安特性曲线，简称为伏安特性。图2.1.3给出的是硅半导体二极管的伏安特性。从图2.1.3所示伏安特性可清楚地看出，当外加正向电压小于0.5V时，二极管工作在死区，仍处在截止状态。只有在Ud大于0.5V以后，二极管才导通，而且当Ud达到0.7V后，即使Id在很大范围内变化，Ud基本不变。当外加反向电压时，二极管工作在反向截止区，但当Ud达到U(BR)反向击穿电压时，二极管便进入反向击穿区，反向电流Ir会急剧增加，若不限制Ir的数值，二极管就会因过热
4、而损坏。（二） 半导体二极管的开关作用1 开关应用举例图2.1.4给出的是最简单的硅二极管开关电路。输入电压为u1，其低电平U1L=-2V，高电平为U1H=3V。（1） u1=U1L=-2V时半导体二极管反偏，D处在反向截止区，如同一个断开了的开关，直流等效电路如图2.1.4（b）所示，显然，输出电压为0V，即uo=0。（2） u1=U1H=3V时半导体二极管正向偏置，D工作在正向导通区，其导通压降UD=0.7V，如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图2.1.4（c）所示，显然输出电压等于U1H减去UD，即 uo=U1H-UD=(3-0.7)V=2.3V2 状态开关特性通过对
5、最简单的二极管开关电路的分析可知，硅半导体二极管具有下列静态开关特性：（1） 导通条件及导通时的特点当外加正向电压UD0.7V时，二极管导通，而且一旦导通之后，就可以近似地认为UD=0.7V不变，如同一个具有0.7V压降的闭和了的开关。在有些情况下，例如在图2.1.4所示电路中，当u1=U1H很大时，便可近似地认为uo=U1H，即忽略二极管导通压降。（2） 截止条件及截止时的特点当外加电压UD0.5V时，二极管截止，而且一旦截止之后，就近似地认为ID=0，如同一个断开了的开关。二、 动态特性（一） 二极管的电容效应1 结电容Cj二极管中的PN结里有电荷存在，其电荷量的多少是受外加电压影响的，当
6、外加电压改变时，PN结里面电荷量也随之改变，这种现在与电容的作用很相似，并用电容Cj表示，称之为结电容。2 扩散电容CD当二极管外加正向电压时，P区中的多数载流子空穴，N区中的多数载流子电子，越过PN结后，并不是立即全部复合掉，而是在PN结两边积累起来，形成一定浓度梯度分布，靠近结边界处浓度高，离边界越远浓度越低。也即在PN结边界两边，因扩散运动而积累了电荷，而且其电荷量（存储电荷量）也随之成比例地增加。这种现象与电容的作用也很相似，并用CD表示，称之为扩散电容。Cj和CD的存在，极大地影响了二极管的动态特性。无论是开通还是关断，伴随着Cj、CD的充、放电过程，都要经过一段机延迟时间才能完成。
7、（二） 二极管的开关时间1 简单二极管开关电路及u1和iD的波形如图2.1.5所示是一个最简单的二极管开关电路及相应的u1和iD的波形。2 开通时间ton当输入电压u1由U1L跳变到U1H时，二极管D要经过导通延迟时间td=t2-t1、上升时间tr=t3-t2之后，才能由截止状态转换到导通状态。其原因在于，当u1正跳变时，只有当PN结中电荷量减少，PN结由反偏转换到正偏，也即CB放电后，二极管D才会导通，此后流过二极管中的电流iD也只能随着扩散存储电荷的增加而增加，也即随着CD的充电而增加，并逐步达到稳态值ID=（U1H-UD）/R。所以半导体二极管的开通时间为ton=td+tr3 关断时间t
8、off当输入电压u1由U1H跳变到U1L时，二极管D经过存储时间ts=t5-t4、下降时间（也叫作度越时间）tf=t6-t5之后，才会由导通状态转换到截止状态。ts是存储电荷消散时间，tf是PN结由正偏到反偏，PN结中电荷量逐渐增加到截止状态下稳态值的时间，也即CD放电、Cj充电的时间。关断时间toff也叫做反向恢复时间，常用trr表示。由于半导体二极管的开通时间ton比关断时间toff短得多，所以一般情况下可以忽略不计，而只考虑关断时间，也即反向恢复时间。一般开关二极管的反向恢复时间有几个纳秒。例如，用于高速开关电路的平面型硅开关管2CK系列，trr=5ns。2.1.3 半导体三极管的开关特
9、性 半导体三极管最显著的特点是具有放大能力，能够通过基极电流iB控制其工作状态，是一种具有放大特性的由基极电流控制的开关元件。一、 静态特性 （一） 结构示意图、符号和输入、输出特性1 结构示意图和符号图2.1.6给出的是硅NPN半导体三极管的结构示意图和符号。半导体三极管是一种具有三层、两结、三端的器件。三层分别是发射区、基区和集电区，两结是发射结J2、集电结J1，三端是发射极e、基极b和集电极c。2 输入特性输入特性指的是基极电流iB和基极-发射极间电压uBE之间的关系曲线，也即反映函数 iB=f(uBE)|uBE 的几何图形，见图2.1.7。与半导体二极管的伏安特性相似，当uBE大于死区
10、电压UO=0.5V时，发射结开始导通，当uBE=0.7V时，即使iB在很大范围内变化，uBE基本维持不变。需要指出的是，半导体三极管发射结承受反向电压的能力是很差的，集电极开路时发射-基极间的反向击穿电压U(BR)EBO，一般合金管较高，平面管尤其是高频管只有几伏，有的甚至不到1V。3 输出特性输出特性指的是集电极电流iC和集电极-发射极间电压uCE之间的关系曲线，也即反映函数 iC=f(uCE)|iB 的几何图形，如图2.1.8所示。输出特性非常清晰地反映了iB对iC的控制作用。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。（二） 半导体
11、三极管的开关应用1 开关应用举例图2.1.9给出的是一个最简单的硅半导体三极管开关电路。输入电压为uI，其低电平UIL= -2V，高电平为UIH=3V。在图2.1.9所示电路中，不难看出，当uI=UIL=-2V时，三极管T发射结处于反向偏置，T为截止状态， iB=0、iC=0、uO=VCC=12V。当u1=U1H=3V时三极管是导通的，基极电流iB=1 mA临界饱和时的基极电流IBS=0.06 mAICS是半导体三极管T饱和导通时的集电极电流，UCES是T饱和导通时集电极到发射极的电压降，对于开关管，总是小于或等于0.3B，即UCES=0.3V由估算结果知，iB远大于IBS，所以T深度饱和，则
12、uO=UCES=0.3V人们一般把iB与IBS之比q叫做饱和深度，也即图2.1.9所示电路中，三极管的饱和深度q=16.62 静态开关特性通过对图2.1.9所示简单开关电路的分析可知，半导体三极管具有下列静态开关性：（1） 饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和时的数值IBS时，饱和导通即若时，三极管一定饱和。饱和导通时的特点：由输入特性和输出特性知道，对硅半导体三极管来说，饱和导通以后 Ube=0.7B，Uce=UCES0.3V如同闭合了的开关，其等效电路如图2.1.10（a）所示。（2） 截止条件及截止时的特点截止条件：uBEUO=0.5V式中U0是硅管发
13、射结的死区电压。由硅三极管的输入特性图2.1.7知道，当UbeU0=0.5V时，管子基本上是截止的，因此，在数字电路的分析估算中，常把Ubeton，所以，减少饱和和导通时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其消散过程，也即缩短存储时间ts，是提高半导体三极管开关速度的关键。开关三极管，例如NPN 3DK系列，其开关时间ton、toff都在几十纳秒量级。2.1.4 MOS管的开关特性 MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压uGS控制的开关元件。一、 静态特性（一） 结构示意图、符号、漏极特性和转移特性1 结构示意图和符号从图2.1
14、.12(a)所示结构示意图中可以看出，MOS管是由金属-氧化物-半导体（Metal-Ox-ide-Semiconductor）构成的。在P型衬底上，利用光刻、扩散等方法，制作出两个N+型区，并引出电极，分别叫做源极S和漏极D，同时在源极和漏极之间的二氧化硅SiO2绝缘层上，制作一个金属电极栅极G，这样得到的便是N沟道MOS管。2 漏极特性反映漏极电流iD和漏极-源极间电压uDS之间关系的曲线族叫做漏极特性曲线，简称为漏极特性，也就是表示函数 iD=f(uDS)|uGS的几何图形，如图2.1.13（a）所示。当uGS为零或很小时，由于漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结，即使在漏极加上正电压（
15、uDS0V），MOS管中也不会有电流，也即管子处在截止状态。当uGS大于开启电压UTN时，MOS管就导通了。因为在UGS=UTN（图2.1.13中UTN=2V）时，栅极和衬底之间产生的电场已增加到足够强的程度，把P型衬底中的电子吸引到交界面处，形成的N型层反型层，把两个N+区连接起来，也即沟通了漏极和源极。所以，称此管为N沟道增强型MOS管。可变电阻区：当uGSUTN后，在uDS比较小时，iD与uDS成近似线性关系，因此可把漏极和源极之间看成是一个可由uGS进行控制的电阻，uGS越大，曲线越陡，等效电阻越小，如图2.1.13（a）所示。恒流区：当uGSUTN后，在uDS比较大时，iD仅决定于u
16、GS，而与uDS几乎无关，特性曲线近似水平线，D、S之间可以看成为一个受uGS控制的电流源。在数字电路中，MOS管不是工作在截止区，就是工作在可变电阻区，恒流区只是一种瞬间即逝的过度状态。3 转移特性反映漏极电流iD和栅源电压uGS关系的曲线叫做转移特性曲线，简称为转移特性，也就是表示函数 iD=f(uGS)|uDS的几何图形，如图2.1.13（b ）所示。当uGSUTN之后，只要在恒流区，转移特性曲线基本上是重合在一起的。曲线越陡，表示uGS对iD的控制作用越强，也即放大作用越强，且常用转移特性曲线的斜率跨导gm来表示，即4 P沟道增强型MOS管上面讲的是沟道增强型管。对于沟道增强型管，无论
17、是结构、符号，还是特性曲线，与沟道增强型管都有着明显的对偶关系。其衬底是型硅，漏极和源极是两个+区，而且它的uGS、uDS极性都是负的，开启电压TP也是负值。沟道增强型管的结构、符号、漏极特性和转移特性如图.所示。（二） MOS管的开关作用 开关应用举例如图.所示，是一个最简单的管开关电路，输入电压是u1，输出电压是uO。当u1较小时，管是截止的，uO=UOH=VDD；当u1较大时，管是导通的， ，由于RONRD，所以输出为低电平，即uO=UOL。 静态开关特性（） 截止条件和截止时的特点 截止条件：当管栅源电压uGS小于其开启电压TN时，将处于截止状态，因为漏极和源极之间还未形成导电沟道，其
18、等效电路如图.（b）所示。截止时的特点：iD=0，管如同一个断开了的开关。（） 导通条件和导通时的特点 导通条件：当uFS大于TN时，管将工作在导通状态。在数字电路中，管导通时，一般都工作在可变电阻区，其导通电阻ON只有几百欧姆，较小。 导通时的特点：管导通之后，如同一个具有一定导通电阻ON闭合了的开关，起等效电路如图.（c）所示。二、 动态特性（一） 管极间电容MOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容、栅漏电容和漏源电容。、一般为pF，约为.pF。在数字电路中，管的动态特性，即开关速度是搜这些电容充、放电过程制约的。（二） 开关时间 uI和iD的波形在图.（a）所示管开关电路中，当u1为矩形波时，相应iD的波形如图.所示。 开通时间ton当u1由IL跳变到IHDD时，管需要经过导通延迟时td1和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。开通时间ton=td1+tr 关断时间toff当u1由IHDD跳变到IL时，管经过关断延迟时间td2和下降时间tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。关断时间toff=td2+tf需要特别说明，管电容上电压不能突变，是造成iD(uO)滞后u1变化的主要原因。而且，由于管的导通电阻比半导体三极管的饱和导通电阻要大得多，D也比C大，所以它的开通和关断时间，也比晶体管长，也即其动态特性较差。