整理半导体二极管三极管和MOS管的开关特性.docx
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整理半导体二极管三极管和MOS管的开关特性
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。
（一）建设项目环境影响评价的分类管理二、动态特性
1.建设项目环境影响评价文件的报批
（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。
（三）环境价值的定义
（二）开关时间
1.建设项目环境影响评价机构的资质管理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
（四）规划环境影响评价的审查时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
一、环境影响评价的发展与管理体系、相关法律法规体系和技术导则的应用３．关断时间toff
（2）评价范围。
根据评价机构专业特长和工作能力，确定其相应的评价范围。
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
2.环境价值的度量——最大支付意愿toff=td2+tf
第五章 环境影响评价与安全预评价需要特别说明，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。
（二）规划环境影响评价的技术依据和基本内容
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