半导体二极管三极管和MOS管的开关特性19页.docx
《半导体二极管三极管和MOS管的开关特性19页.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体二极管三极管和MOS管的开关特性19页.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![半导体二极管三极管和MOS管的开关特性19页.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2023-1/26/8659933e-8f4d-4f6b-b6ac-447572964c0f/8659933e-8f4d-4f6b-b6ac-447572964c0f1.gif)
半导体二极管三极管和MOS管的开关特性19页
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。
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。
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
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
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<=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=UCES≤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。
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。
开通时间
ton=td+tr
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、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,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——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uO。
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<2.静态开关特性
(1)截止条件和截止时的特点
①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。
②截止时的特点:
iD=0,MOS管如同一个断开了的开关。
(2)导通条件和导通时的特点
①导通条件:
当uFS大于UTN时,MOS管将工作在导通状态。
在数字电路中,MOS管导通时,一般都工作在可变电阻区,其导通电阻RON只有几百欧姆,较小。
②导通时的特点:
MOS管导通之后,如同一个具有一定导通电阻
RON闭合了的开关,起等效电路如图2.1.15(c)所示。
二、动态特性
(一)MOS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CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。
CGS、CGD一般为1~3pF,CDS约为0.1~1pF。
在数字电路中,MOS管的动态特性,即开关速度是搜这些电容充、放电过程制约的。
(二)开关时间
1.uI和iD的波形
在图2.1.15(a)所示MOS管开关电路中,当u1为矩形波时,相应iD的
波形如图2.1.16所示。
2.开通时间ton
当u1由UIL=0V跳变到UIH=VDD时,MOS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
3.关断时间toff
当u1由UIH=VDD跳变到UIL=0V时,MOS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,MOS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MOS管的导通电阻比半导体三极管的饱和导通电阻要大得多,RD也比RC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。
希望以上资料对你有所帮助,附励志名言3条:
1、宁可辛苦一阵子,不要苦一辈子。
2、为成功找方法,不为失败找借口。
3、蔚蓝的天空虽然美丽,经常风云莫测的人却是起落无从。
但他往往会成为风云人物,因为他经得起大风大浪的考验。