半导体二极管三极管和MOS管的开关特性精

1、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

2、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，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Ko2 .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I

3、d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

4、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UD>

5、;0.7V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UD<0.5V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

6、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。（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

7、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）/Ro所以半导体二极管的开通时间为ton=td+tr3. 关断时间toff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

8、）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

9、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(b)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。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

10、，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IV。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=

11、-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=1mA临界饱和时的基极电流旧S=0.06mAICS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远大于旧S,所以T深度饱和，则uO=UCES<=0.3V人们一般把iB与旧S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

12、.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旧S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=UCE&0.3V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：uBE<UO=0.5V式中U0是硅管发射结的死区电压。由硅三极管的输入特性图2.1.7知道，当Ube<U0=0.5V时，管子基本上是截止的，

13、因此，在数字电路的分析估算中，常把Ube<0.5V做为硅三极管截止的条件。截止时的特点：iB=0,iC=0如同短开的开关，其等效电路如图2.1.10(b)所示。(b)二、动态特性半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。（一）开关电路中u1和iC的波形在图2.1.9（a）所示开关电路中，当u1为矩形脉冲时，相应iC的波形如图2.1.11所示。（二）开关时间1. 开通时间ton当u1由U1L=-2V跳变到U1H=3V时，三极管需要经过导通延迟时间td=t2-t1和上升时间tr=t3-t2之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态

14、。开通时间ton=td+tr2. 关断时间toff当u1由U1H=3V跳变到U1L=-2V时，三极管需要经过存储时间ts=t5-t4、下降时间tf=t6-t5之后，才能由饱和导通状态转换到截止状态。关断时间toff=ts+tf应当特别说明的是，在数字电路中，半导体三极管饱和导通时，其饱和深度均较深，基区存储电荷很多，因此在状态转换时，其消散时间即存储时间ts较长。半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。一般情况下，由于toff>ton,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N

15、PN3DK系列，其开关时间ton、toff都在几十纳秒量级。2.1.4MOS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2.1.12(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

16、,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(uDS>0V),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型层一一反型层，把两个N+区连接起来

17、，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uGS>UTN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进行控制白电阻，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uGS>UTN后，在uDS比较大时，iD仅决定于uGS,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

18、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uGS<UTN时，MOS管是截止的。当uGS>UTN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N沟道增强型MOS管。对于P沟道增强型MOS管，无论是结构、符号，还是特性曲线，与N沟道增强型MOS管都有着明显的对偶关系。其衬底是N型硅，漏极和源极是两个P+区，而且它的uGS、uDS极性都是负的，开启电压UTP也是负值。P沟道增强型MOS管的结构、符号、漏极特性和转移特性如图2.1.14所示。(二)MOS管的开关作用1 .开关应用举例如图2.1.15所示，是一个最简单的MOS管开关电路，输入电压是u1,输出电压是uOo当u1较小时，MOS管是截止的，uO=UOH=VDD;当u1较大时，MOS管是导通的，由于RON<<RD,所以输出为低电平，即uO=UOL。2 .静态开关特性(1) 截止条件和截止时的特点截止条件：当MOS管栅源电压uGS小于其开启电压UTN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，其等效电路如图2.1.15(b)所示。截止时的特点：iD=0,MOS管如同一个断开了的开关。