半导体二极管三极管和MOS管的开关特性答辩.pdf

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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

2、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，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。

3、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，二极管就会因过热而损

4、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.

5、7)V=2.3V 2 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 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

6、 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

7、，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

8、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+tr 3 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）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

9、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

10、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

11、。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=-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

12、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 mA ICS 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 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=16.6 2 静态开关特性 通过对图 2.1.9 所示简单开

13、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 U

14、beton，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 2.1.12(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-Semico

15、nductor）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（uDS0V），MOS 管中也不会有电流，也即管子处在截止

16、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 uG

17、S，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

18、 上面讲的是沟道增强型管。对于沟道增强型管，无论是结构、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

19、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

20、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。