二极管三极管MOS管的开关特性解析

二极管三极管MOS管的开关特性解析第1页/共43页理想开关特性的静态特性：闭合时电阻为0实际上开关闭合时总是有一个很小的电阻，断开时电阻不可能为∞，转换过程总要花一定的时间开关动作在瞬间完成断开时电阻为∞开关特性

静态开关特性：动态开关特性：第2页/共43页二极管耗尽层、耗尽区、空间电荷区㈠内特性：PN结特性

PN结动态平衡时，扩散电流与漂移电流大小相等，方向相反。

第3页/共43页

在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区第4页/共43页外特性：外加正向电压示意(导电）PN结变窄P

N+-R

PN结变宽P

N-+R

外加反向电压示意（截止）PN截止

①加正向电压：②加反向电压：PN结导通，电阻很小第5页/共43页2二极管结构及伏安特性

类型：点接触型、面接触型和平面型(1)点接触型—(a)点接触型PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路二极管=PN结+引线+管壳第6页/共43页(c)平面型(3)平面型—(2)面接触型—(b)面接触型符号旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)D1D2DiodePN结面积大，用于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。第7页/共43页第8页/共43页②二极管的伏安特性伏安方程UT

=26mV反向饱和电流IR温度的电压当量玻尔兹曼常数电子电量当T=300（27C）伏安特性曲线第1章半导体二极管OuD/ViD/mA正向特性Uth死区电压iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

UD(on)

=0.60.8V硅管0.7V0.10.3V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U（BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

几十A

(锗)第9页/共43页

②正向电压超过某一数值V0时，内部电场被削弱，电流显著增大有的也画成从二极管结构分析

①加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场阻力，正向电流很小。V0：死区电压，硅管：0.5V，锗管：0.1V④

反向电压大到一定值，外电场可能破坏共价键，造成击穿。

③加反向电压，外电场增强了内电场，反向电流很小。

反向击穿区

第10页/共43页二极管的开关特性先来看一个单向阀的特性第11页/共43页正向反向单向阀的开关特性球体球体tt压力流量00压力=0时压力为正时球体在喇叭口处球体在喇叭以上压力为突变为负时喇叭口球体在喇叭以上球体在喇叭口处流量0t理想特性开关动作不能瞬间完成关闭时还有一定的泄露只有正向压力足以顶起球体时才开启单向阀的工作并不理想有泄漏第12页/共43页二极管具有单向导电性二极管的开关特性（一）静态特性二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡，压降很小（硅管：0.7V，锗管0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关二极管加反向电压时截止，截止后的伏安特性具有饱和特性（反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）且反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断开的开关。伏安特性0uDiD导通时的等效电路截止时的等效电路+--+第13页/共43页存储时间（二）动态特性当uD

为一矩形电压时电流波形的不够陡峭（不理想）tt00反向恢复时间漏电流iDuDuDiD上升时间二极管UD的电流的变化过程上升时间、恢复时间都很小，基本上由二极管的制作工艺决定存储时间与正向电流，反向电压有关。UDR波形和“单向阀”的特性是相似的这就限制了二极管的最高工作频率第14页/共43页4二极管的主要参数1.

IF—最大整流电流（最大正向平均电流）2.URM

—最高反向工作电压，为U（BR）/23.IR

—反向电流（越小单向导电性越好）影响工作频率的原因—4.fM

—最高工作频率（超过时单向导电性变差）PN结的电容效应iDuDU(BR)IFURM第15页/共43页5稳压管

应用在反向击穿区（雪崩击穿和齐纳击穿）（一）符号、伏安特性和典型应用电路(a)(a)符号第16页/共43页1、利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。I（mA)正向电流IfU（V）正向0.6反向击穿电压UZ正向导通电压UD0击穿电流IRPN结V-A特性曲线IU+UZ电路符号第17页/共43页(c)应用电路(b)(b)伏安特性第18页/共43页1）、稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。（二）主要参数2）、动态电阻rz：稳压管两端电压变化和电流变化的比值，随工作电流而改变。5）、温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数3）、最大稳定电流IZM，由最大耗散功率和稳定电压决定。4）、最大耗散功率PZM，工作时的功率PZ=IZ∙UZ第19页/共43页U<

U（BR）反向电流急剧增大(反向击穿)反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：（Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(击穿电压<6V,负温度系数)雪崩击穿:反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压>6V,正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。第20页/共43页静态特性NPN发射结集电结发射极emitter基极base集电极collectorbiBiCec(电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性(2)

符号NNP(1)

结构三极管(Transistor)第21页/共43页(3)

输入特性(4)输出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAiB=0024684321放大区截止区饱和区0uBE

/ViB

/µA发射结正偏放大i

C=

iB集电结反偏饱和

iC

＜

iB两个结正偏I

CS=

IBS临界截止iB≈0,iC≈0两个结反偏电流关系状态

条件第22页/共43页三极管的开关特性三极管是电流控制的电流源，在模拟电路中，工作在放大区。在数字电路中工作在饱和区或截止区——开关状态。ICSIBSIB=0UCCiCuCEuOuiiBTRcRBUCC饱和区放大区截止区uCEiC0负载线三极管CE之间相当于一个开关：在饱和区“闭合”，截止区“断开”第23页/共43页iCuCEuOui=0.3ViBTRcRBUCC饱和区截止区ICSIBSIB=0UCCuCEiC01.三极管的截止条件和等效电路当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V<0.5V）三极管截止，可靠截止条件为:UBE<0V截止时，iB、iC都很小，三个极均可看作开路iC≈0，uO=UOH=UCC输入特性0uBE/ViB0.50.7iB=0，等效电路BCE输出特性第24页/共43页2.三极管的饱和条件和等效电路在模拟电路中，为了不产生失真，通常规定饱和时UCES=1V。由于三极管的输入特性很陡，通常认为饱和时的UBES和导通时的UBE相等（硅管：0.7V，锗管0.3V）在数字电路中，为了更接近理想开关，规定饱和时UCES=0.3V。输入特性0uBE/ViB/μAUBES饱和区截止区ICSIBSIB=0UCCuCEiC0输出特性UCES第25页/共43页将三极管刚刚从放大进入饱和时的状态称为：临界饱和状态。当输入信号uI=UIH=3.6V时iCuCEuOui=3.6ViBTRcRBUCCIB=0UCCuCEiC0输出特性ICSIBSUCES临界饱和集电极电流：定义饱和深度：临界饱和基极电流：可靠饱和条件为：iB≥IBSUCESBCEUBES等效电路第26页/共43页3.三极管的动态开关特性当基极施加一矩形电压uI时截止到饱和所需的时间称为开启时间ton，它基本上由三极管自身决定。iCuCEuIiBTRcRBUCCuOiC、uO波形不够陡峭，

iC、uO滞后于uI，即三极管在截止与饱和状态转换需要一定的时间。这是由三极管的结电容引起的，内部载流子的运动过程比较复杂。uI

iC

uO

UIL

UIL

ICS

0

Ucc

UCES

tontoff饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff，它与饱和深度S有直接关系，S越大toff越长。第27页/共43页4.三极管的主要参数直流参数直流电流放大系数表示三极管在共射极连接时，某工作点处直流电流IC与IB的比值

表示三极管在共基极连接时，某工作点处IC

与IE的比值

共发射极直流电流放大系数共射极直流电流放大系数共基极直流电流放大系数第28页/共43页极间反向电流

集-基反向饱和电流ICBO

发射极开路，在集电极与基极之间加上一定的反向电压时，所对应的反向电流穿透电流ICEO

在一定温度下，ICBO

是一个常量。随着温度的升高ICBO将增大，它是三极管工作不稳定的主要因素。在相同环境温度下，硅管的ICBO比锗管的ICBO小得多。基极开路，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流

也是衡量三极管热稳定性的重要参数

第29页/共43页频率参数

频率参数是反映三极管电流放大能力与工作频率关系的参数，表征三极管的频率适用范围。

共射极截止频率fβ

当工作频率f＞fT，时，三极管便失去了放大能力。

当β值下降到中频段βO1／倍时，所对应的频率

特征频率fT

当三极管的β值下降到β＝1时所对应的频率第30页/共43页极限参数

反向击穿电压BVCEO与BVCEO

最大允许集电极耗散功率PCM

当IC＞ICM时，β值已减小到不实用的程度，且有烧毁管子的可能。

三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时，集电极耗散的最大功率。

最大允许集电极电流ICM

一般规定在β值下降到额定值的2／3（或1／2）时所对应的集电极电流为ICM

BVCEO是指基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压。

BVCBO是指发射极开路时，集电极与基极间的反向击穿电压。第31页/共43页MOS管场效应管与晶体管的区别1.晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。2.晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件；场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子，因此称其为单级型器件：单极性晶体管、单极性三极管。场效应管N沟道场效应管P沟道场效应管场效应管结型场效应管MOS型场效应管场效应管增强型场效应管耗尽型场效应管第32页/共43页MOS场效应管N沟道增强型的MOS管P沟道增强型的MOS管N沟道耗尽型的MOS管P沟道耗尽型的MOS管第33页/共43页N沟道增强型MOS场效应管结构增强型MOS场效应管漏极D→集电极C源极S→发射极E栅极G→基极B衬底B电极—金属绝缘层—氧化物基体—半导体因此称之为MOS管第34页/共43页

当UGS较小时，虽然在P型衬底表面有电子出现，但还行不成导电沟道，不能导电。N沟道增强型MOS场效应管工作原理增强型MOS管UDSID++--++--++++----UGS反型层

当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的PN结，无论UDS之间怎样加上电压不会在D、S间形成电流ID,即ID≈0.

当UGS>UT时,沟道加厚，沟道电阻减少，在相同UDS的作用下，ID将进一步增加当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层，形成N型导电沟道，在UDS的作用下形成ID。开始无导电沟道，当在UGSUT时才形成沟道,这种类型的管子称为增强型MOS管第35页/共43页N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管UDS一定时，UGS对漏极电流ID的控制关系曲线

ID=f(UGS)UDS=C转移特性曲线UDS>UGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区，ID与UGS的关系为ID≈K(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑UDS对沟道长度的调节作用：ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)K—导电因子（mA/V2)—沟道调制长度系数n—沟道内电子的表面迁移率COX—单位面积栅氧化层电容W—沟道宽度L—沟道长度Sn—沟道长宽比K'—本征导电因子第36页/共43页N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管UGS一定时，ID与UDS的变化曲线，是一族曲线

ID=f(UDS)UGS=C输出特性曲线1.可变电阻区：

ID与UDS的关系近线性

ID≈2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)当UGS变化时，RON将随之变化因此称之为可变电阻区当UGS一定时，RON近似为一常数因此又称之为恒阻区第37页/共43页N沟道增强型MOS场效应管特性曲线增强型MOS管输出特性曲线2.恒流区：该区内，UGS一定，ID基本不随UDS变化而变3.击穿区：

UDS

增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。当UDS

增加到某一临界值时，ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)第38页/共43页

漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用

当UGS＞UT，且固定为某一值时，来分析漏源电压UDS对漏极电流ID的影响。UDS的不同变化对沟道的影响。UDS=UDG＋UGS

=－UGD＋UGS

UGD=UGS－UDS

当UDS为0或较小时，相当UGD＞UT，此时UDS

基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID增强型MOS管第39页/共43页

当UDS增加到使UGD=U