半导体二极管三极管和MOS管的开关特性Word格式.docx

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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。

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=2.3V

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UD>

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。

（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+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

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）半导体三极管的开关应用

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=1mA

临界饱和时的基极电流

IBS=0.06mA

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<

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所示简单开关电路的分析可知，半导体三极管具有下列静态开关

（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=UCES≤0.3V

如同闭合了的开关，其等效电路如图2.1.10（a）所示。

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，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。

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。

开通时间

2．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NPN3DK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）结构示意图、符号、漏极特性和转移特性

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，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