半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管的開關(guān)特性

1、理想開關(guān)的開關(guān)特性假定圖2.1.1所示S是一個(gè)理想開關(guān)，則其特性應(yīng)如下：一、靜態(tài)特性（一）斷開時(shí)，無論Uak在多大范圍內(nèi)變化，其等效電阻Roff=無窮，通過其中的電流Ioff=0。（二）閉合時(shí)，無論流過其中的電流在多大范圍內(nèi)變化，其等效電阻Ron=0,電壓Uak=0。二、動(dòng)態(tài)特性（一）開通時(shí)間Ton=0,即開關(guān)S由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換到閉合狀態(tài)不需要時(shí)間，可以瞬間完成。（二）關(guān)斷時(shí)間Toff=0,即開關(guān)由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)哦也不需要時(shí)間，亦可以瞬間完成?？陀^世界中，當(dāng)然沒有這種理想開關(guān)存在。日常生活中使用的乒乓開關(guān)、繼電器、接觸器等，在一定電壓和電流范圍內(nèi)，其靜態(tài)特性十分接近理想開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很

2、差，根本不可能滿足數(shù)字電路一秒鐘開關(guān)幾百萬次乃至數(shù)千萬次的需要。雖然，半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管作為開關(guān)使用時(shí)，其靜態(tài)特性不如機(jī)械開關(guān)，但其動(dòng)態(tài)特性卻是機(jī)械開關(guān)無法比擬的。2.1.2半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體二極管最顯著的特點(diǎn)是具有單向?qū)щ娞匦?。一、靜態(tài)特性（一）半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)示意圖、符號(hào)和伏安特性1 .結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)如圖2.1.2所示，是半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)。半導(dǎo)體二極管是一種兩層、一結(jié)、兩端器件，兩層就是P型層和N型層、一結(jié)就內(nèi)部只有一個(gè)PN結(jié)，兩端就是兩個(gè)引出端，一個(gè)引出端叫做陽極A,一個(gè)引出端稱為陰極Ko2 .伏安特性反映加在二極管兩端的電壓Ud和流過其中的電流I

3、d兩者之間關(guān)系的曲線，叫做伏安特性曲線，簡稱為伏安特性。圖2.1.3給出的是硅半導(dǎo)體二極管的伏安特性。從圖2.1.3所示伏安特性可清楚地看出，當(dāng)外加正向電壓小于0.5V時(shí)，二極管工作在死區(qū)，仍處在截止?fàn)顟B(tài)。只有在Ud大于0.5V以后，二極管才導(dǎo)通，而且當(dāng)Ud達(dá)到0.7V后，即使Id在很大范圍內(nèi)變化，Ud基本不變。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管工作在反向截止區(qū)，但當(dāng)Ud達(dá)到U(BR)反向擊穿電壓時(shí)，二極管便進(jìn)入反向擊穿區(qū)，反向電流Ir會(huì)急劇增加,若不限制Ir的數(shù)值，二極管就會(huì)因過熱而損壞。(二)半導(dǎo)體二極管的開關(guān)作用1 .開關(guān)應(yīng)用舉例圖2.1.4給出的是最簡單的硅二極管開關(guān)電路。輸入電壓為u1,其低電

4、平U1L=-2V,高電平為U1H=3V。(1) u1=U1L=-2V時(shí)半導(dǎo)體二極管反偏，D處在反向截止區(qū)，如同一個(gè)斷開了的開關(guān)，直流等效電路如圖2.1.4(b)所示，顯然，輸出電壓為0V,即uo=0。(2) u1=U1H=3V時(shí)半導(dǎo)體二極管正向偏置，D工作在正向?qū)▍^(qū)，其導(dǎo)通壓降UD=0.7V,如同一個(gè)具有0.7V壓降、閉合了的開關(guān)，直流等效電路如圖2.1.4(c)所示，顯然輸出電壓等于U1H減去UD,即uo=U1H-UD=(3-0.7)V=2.3V2 .狀態(tài)開關(guān)特性通過對(duì)最簡單的二極管開關(guān)電路的分析可知，硅半導(dǎo)體二極管具有下列靜態(tài)開關(guān)特性：(1)導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)當(dāng)外加正向電壓UD>

5、;0.7V時(shí)，二極管導(dǎo)通，而且一旦導(dǎo)通之后，就可以近似地認(rèn)為UD=0.7V不變，如同一個(gè)具有0.7V壓降的閉和了的開關(guān)。在有些情況下，例如在圖2.1.4所示電路中，當(dāng)u1=U1H很大時(shí)，便可近似地認(rèn)為uo=U1H,即忽略二極管導(dǎo)通壓降。（2）截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)當(dāng)外加電壓UD<0.5V時(shí)，二極管截止，而且一旦截止之后，就近似地認(rèn)為ID=0,如同一個(gè)斷開了的開關(guān)。二、動(dòng)態(tài)特性（一）二極管的電容效應(yīng)1 .結(jié)電容Cj二極管中的PN結(jié)里有電荷存在，其電荷量的多少是受外加電壓影響的，當(dāng)外加電壓改變時(shí)，PN結(jié)里面電荷量也隨之改變，這種現(xiàn)在與電容的作用很相似，并用電容Cj表示，稱之為結(jié)電容。2 ,擴(kuò)

6、散電容CD當(dāng)二極管外加正向電壓時(shí)，P區(qū)中的多數(shù)載流子空穴，N區(qū)中的多數(shù)載流子電子，越過PN結(jié)后，并不是立即全部復(fù)合掉，而是在PN結(jié)兩邊積累起來，形成一定濃度梯度分布，靠近結(jié)邊界處濃度高，離邊界越遠(yuǎn)濃度越低。也即在PN結(jié)邊界兩邊，因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而積累了電荷，而且其電荷量（存儲(chǔ)電荷量）也隨之成比例地增加。這種現(xiàn)象與電容的作用也很相似，并用CD表示，稱之為擴(kuò)散電容。Cj和CD的存在，極大地影響了二極管的動(dòng)態(tài)特性。無論是開通還是關(guān)斷，伴隨著Cj、CD的充、放電過程，都要經(jīng)過一段機(jī)延遲時(shí)間才能完成。（二）二極管的開關(guān)時(shí)間1. 簡單二極管開關(guān)電路及u1和iD的波形如圖2.1.5所示是一個(gè)最簡單的二極管開關(guān)電路

7、及相應(yīng)的u1和iD的波形。2. 開通時(shí)間ton當(dāng)輸入電壓u1由U1L跳變到U1H時(shí)，二極管D要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時(shí)間td=t2-t1、上升時(shí)間tr=t3-t2之后，才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。其原因在于，當(dāng)u1正跳變時(shí)，只有當(dāng)PN結(jié)中電荷量減少，PN結(jié)由反偏轉(zhuǎn)換到正偏，也即CB放電后，二極管D才會(huì)導(dǎo)通，此后流過二極管中的電流iD也只能隨著擴(kuò)散存儲(chǔ)電荷的增加而增加，也即隨著CD的充電而增加，并逐步達(dá)到穩(wěn)態(tài)值ID=（U1H-UD）/Ro所以半導(dǎo)體二極管的開通時(shí)間為ton=td+tr3. 關(guān)斷時(shí)間toff當(dāng)輸入電壓u1由U1H跳變到U1L時(shí)，二極管D經(jīng)過存儲(chǔ)時(shí)間ts=t5-t4、下降時(shí)間（也叫作度越時(shí)間

8、）tf=t6-t5之后，才會(huì)由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。ts是存儲(chǔ)電荷消散時(shí)間，tf是PN結(jié)由正偏到反偏，PN結(jié)中電荷量逐漸增加到截止?fàn)顟B(tài)下穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間，也即CD放電、Cj充電的時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間toff也叫做反向恢復(fù)時(shí)間，常用trr表示。由于半導(dǎo)體二極管的開通時(shí)間ton比關(guān)斷時(shí)間toff短得多，所以一般情況下可以忽略不計(jì)，而只考慮關(guān)斷時(shí)間，也即反向恢復(fù)時(shí)間。一般開關(guān)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間有幾個(gè)納秒。例如,用于高速開關(guān)電路的平面型硅開關(guān)管2CK系列，trr<=5ns。2.1.3半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體三極管最顯著的特點(diǎn)是具有放大能力，能夠通過基極電流iB控制其工作狀態(tài)，是一種具有放大特性的由

9、基極電流控制的開關(guān)元件。一、靜態(tài)特性（一）結(jié)構(gòu)示意圖、符號(hào)和輸入、輸出特性1 .結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)(b)圖2.1.6給出的是硅NPN半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)半導(dǎo)體三極管是一種具有三層、兩結(jié)、三端的器件。三層分別是發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，兩結(jié)是發(fā)射結(jié)J2、集電結(jié)J1,三端是發(fā)射極e、基極b和集電極c。輸入特性指的是基極電流iB和基極-發(fā)射極間電壓uBE之間的關(guān)系曲線，也即反映函數(shù)iB=f(uBE)|uBE的幾何圖形，見圖2.1.7。與半導(dǎo)體二極管的伏安特性相似，當(dāng)uBE大于死區(qū)電壓UO=0.5V時(shí)，發(fā)射結(jié)開始導(dǎo)通，當(dāng)uBE=0.7V時(shí)，即使iB在很大范圍內(nèi)變化，uBE基本維持不變。需要指出的是

10、，半導(dǎo)體三極管發(fā)射結(jié)承受反向電壓的能力是很差的，集電極開路時(shí)發(fā)射-基極間的反向擊穿電壓U(BR)EBO,一般合金管較高，平面管尤其是高頻管只有幾伏，有的甚至不到IV。3. 輸出特性輸出特性指的是集電極電流iC和集電極-發(fā)射極間電壓uCE之間的關(guān)系曲線，也即反映函數(shù)iC=f(uCE)|iB的幾何圖形，如圖2.1.8所示。輸出特性非常清晰地反映了iB對(duì)iC的控制作用。在數(shù)字電路中，半導(dǎo)體三極管不是工作在截止區(qū)，就是工作在飽和區(qū)，而放大區(qū)僅僅是一種瞬間即逝的工作狀態(tài)。(二)半導(dǎo)體三極管的開關(guān)應(yīng)用1 .開關(guān)應(yīng)用舉例圖2.1.9給出的是一個(gè)最簡單的硅半導(dǎo)體三極管開關(guān)電路。輸入電壓為uI,其低電平UIL=

11、-2V,高電平為UIH=3V。在圖2.1.9所示電路中，不難看出，當(dāng)uI=UIL=-2V時(shí)，三極管T發(fā)射結(jié)處于反向偏置，T為截止?fàn)顟B(tài)，iB=0、iC=0、uO=VCC=12V。當(dāng)u1=U1H=3V時(shí)三極管是導(dǎo)通的，基極電流iB=1mA臨界飽和時(shí)的基極電流舊S=0.06mAICS是半導(dǎo)體三極管T飽和導(dǎo)通時(shí)的集電極電流，UCES是T飽和導(dǎo)通時(shí)集電極到發(fā)射極的電壓降，對(duì)于開關(guān)管，總是小于或等于0.3B,即UCES<=0.3V由估算結(jié)果知，iB遠(yuǎn)大于舊S,所以T深度飽和，則uO=UCES<=0.3V人們一般把iB與舊S之比q叫做飽和深度，也即圖2.1.9所示電路中，三極管的飽和深度q=16

12、.62 .靜態(tài)開關(guān)特性通過對(duì)圖2.1.9所示簡單開關(guān)電路的分析可知，半導(dǎo)體三極管具有下列靜態(tài)開關(guān)性：(1)飽和導(dǎo)通條件及飽和時(shí)的特點(diǎn)飽和導(dǎo)通條件：三極管基極電流iB大于其臨界飽和時(shí)的數(shù)值舊S時(shí)，飽和導(dǎo)通即若時(shí)，三極管一定飽和。飽和導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)：由輸入特性和輸出特性知道，對(duì)硅半導(dǎo)體三極管來說，飽和導(dǎo)通以后Ube=0.7B,Uce=UCE&0.3V如同閉合了的開關(guān)，其等效電路如圖2.1.10(a)所示。(2)截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)截止條件：uBE<UO=0.5V式中U0是硅管發(fā)射結(jié)的死區(qū)電壓。由硅三極管的輸入特性圖2.1.7知道，當(dāng)Ube<U0=0.5V時(shí)，管子基本上是截止的，

13、因此，在數(shù)字電路的分析估算中，常把Ube<0.5V做為硅三極管截止的條件。截止時(shí)的特點(diǎn)：iB=0,iC=0如同短開的開關(guān)，其等效電路如圖2.1.10(b)所示。(b)二、動(dòng)態(tài)特性半導(dǎo)體三極管和二極管一樣，在開關(guān)過程中也存在電容效應(yīng)，都伴隨著相應(yīng)電荷的建立和消散過程，因此都需要一定時(shí)間。（一）開關(guān)電路中u1和iC的波形在圖2.1.9（a）所示開關(guān)電路中，當(dāng)u1為矩形脈沖時(shí)，相應(yīng)iC的波形如圖2.1.11所示。（二）開關(guān)時(shí)間1. 開通時(shí)間ton當(dāng)u1由U1L=-2V跳變到U1H=3V時(shí)，三極管需要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時(shí)間td=t2-t1和上升時(shí)間tr=t3-t2之后，才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到飽和導(dǎo)通狀態(tài)

14、。開通時(shí)間ton=td+tr2. 關(guān)斷時(shí)間toff當(dāng)u1由U1H=3V跳變到U1L=-2V時(shí)，三極管需要經(jīng)過存儲(chǔ)時(shí)間ts=t5-t4、下降時(shí)間tf=t6-t5之后，才能由飽和導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf應(yīng)當(dāng)特別說明的是，在數(shù)字電路中，半導(dǎo)體三極管飽和導(dǎo)通時(shí)，其飽和深度均較深，基區(qū)存儲(chǔ)電荷很多，因此在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其消散時(shí)間即存儲(chǔ)時(shí)間ts較長。半導(dǎo)體三極管開關(guān)時(shí)間的存在，影響了開關(guān)電路的工作速度。一般情況下，由于toff>ton,所以，減少飽和和導(dǎo)通時(shí)基區(qū)存儲(chǔ)電荷的數(shù)量，盡可能地加速其消散過程，也即縮短存儲(chǔ)時(shí)間ts,是提高半導(dǎo)體三極管開關(guān)速度的關(guān)鍵。開關(guān)三極管，例如N

15、PN3DK系列，其開關(guān)時(shí)間ton、toff都在幾十納秒量級(jí)。2.1.4MOS管的開關(guān)特性MOS管最顯著的特點(diǎn)也是具有放大能力。不過它是通過柵極電壓uGS控制其工作狀態(tài)的，是一種具有放大特性的由電壓uGS控制的開關(guān)元件。一、靜態(tài)特性(一)結(jié)構(gòu)示意圖、符號(hào)、漏極特性和轉(zhuǎn)移特性1 .結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)從圖2.1.12(a)所示結(jié)構(gòu)示意圖中可以看出，MOS管是由金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Ox-ide-Semiconductor)構(gòu)成的。在P型襯底上，利用光刻、擴(kuò)散等方法，制作出兩個(gè)N+型區(qū)，并引出電極，分別叫做源極S和漏極D,同時(shí)在源極和漏極之間的二氧化硅SiO2絕緣層上，制作一個(gè)金屬電極柵極G

16、,這樣得到的便是N溝道MOS管。2 .漏極特性反映漏極電流iD和漏極-源極間電壓uDS之間關(guān)系的曲線族叫做漏極特性曲線，簡稱為漏極特性，也就是表示函數(shù)iD=f(uDS)|uGS的幾何圖形，如圖2.1.13(a)所示。當(dāng)uGS為零或很小時(shí)，由于漏極D和源極S之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，即使在漏極加上正電壓(uDS>0V),MOS管中也不會(huì)有電流，也即管子處在截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)uGS大于開啟電壓UTN時(shí)，MOS管就導(dǎo)通了。因?yàn)樵赨GS=UTN(圖2.1.13中UTN=2V)時(shí)，柵極和襯底之間產(chǎn)生的電場已增加到足夠強(qiáng)的程度，把P型襯底中的電子吸引到交界面處，形成的N型層一一反型層，把兩個(gè)N+區(qū)連接起來

17、，也即溝通了漏極和源極。所以，稱此管為N溝道增強(qiáng)型MOS管。可變電阻區(qū)：當(dāng)uGS>UTN后，在uDS比較小時(shí)，iD與uDS成近似線性關(guān)系，因此可把漏極和源極之間看成是一個(gè)可由uGS進(jìn)行控制白電阻，uGS越大，曲線越陡，等效電阻越小，如圖2.1.13(a)所示。恒流區(qū)：當(dāng)uGS>UTN后，在uDS比較大時(shí)，iD僅決定于uGS,而與uDS幾乎無關(guān)，特性曲線近似水平線，D、S之間可以看成為一個(gè)受uGS控制的電流源。在數(shù)字電路中，MOS管不是工作在截止區(qū)，就是工作在可變電阻區(qū)，恒流區(qū)只是一種瞬間即逝的過度狀態(tài)。3 .轉(zhuǎn)移特性反映漏極電流iD和柵源電壓uGS關(guān)系的曲線叫做轉(zhuǎn)移特性曲線，簡稱為

18、轉(zhuǎn)移特性,也就是表示函數(shù)iD=f(uGS)|uDS的幾何圖形，如圖2.1.13(b)所示。當(dāng)uGS<UTN時(shí)，MOS管是截止的。當(dāng)uGS>UTN之后，只要在恒流區(qū)，轉(zhuǎn)移特性曲線基本上是重合在一起的。曲線越陡，表示uGS對(duì)iD的控制作用越強(qiáng)，也即放大作用越強(qiáng)，且常用轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率跨導(dǎo)gm來表示，即4 .P溝道增強(qiáng)型MOS管上面講的是N溝道增強(qiáng)型MOS管。對(duì)于P溝道增強(qiáng)型MOS管，無論是結(jié)構(gòu)、符號(hào)，還是特性曲線，與N溝道增強(qiáng)型MOS管都有著明顯的對(duì)偶關(guān)系。其襯底是N型硅，漏極和源極是兩個(gè)P+區(qū)，而且它的uGS、uDS極性都是負(fù)的，開啟電壓UTP也是負(fù)值。P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)、漏極特性和轉(zhuǎn)移特性如圖2.1.14所示。(二)MOS管的開關(guān)作用1 .開關(guān)應(yīng)用舉例如圖2.1.15所示，是一個(gè)最簡單的MOS管開關(guān)電路，輸入電壓是u1,輸出電壓是uOo當(dāng)u1較小時(shí)，MOS管是截止的，uO=UOH=VDD;當(dāng)u1較大時(shí)，MOS管是導(dǎo)通的，由于RON<<RD,所以輸出為低電平，即uO=UOL。2 .靜態(tài)開關(guān)特性(1) 截止條件和截止時(shí)的特點(diǎn)截止條件：當(dāng)MOS管柵源電壓uGS小于其開啟電壓UTN時(shí)，將處于截止?fàn)顟B(tài)，因?yàn)槁O和源極之間還未形成導(dǎo)電溝道，其等效電路如圖2.1.15(b)所示。截止時(shí)的特點(diǎn)：iD=0,MOS管如同一個(gè)斷開了的開關(guān)。