二極管三極管MOS管的開關(guān)特性解析

二極管三極管MOS管的開關(guān)特性解析第1頁/共43頁理想開關(guān)特性的靜態(tài)特性：閉合時電阻為0實際上開關(guān)閉合時總是有一個很小的電阻，斷開時電阻不可能為∞，轉(zhuǎn)換過程總要花一定的時間開關(guān)動作在瞬間完成斷開時電阻為∞開關(guān)特性

靜態(tài)開關(guān)特性：動態(tài)開關(guān)特性：第2頁/共43頁二極管耗盡層、耗盡區(qū)、空間電荷區(qū)㈠內(nèi)特性：PN結(jié)特性

PN結(jié)動態(tài)平衡時，擴散電流與漂移電流大小相等，方向相反。

第3頁/共43頁

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。

對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)第4頁/共43頁外特性：外加正向電壓示意(導(dǎo)電）PN結(jié)變窄P

N+-R

PN結(jié)變寬P

N-+R

外加反向電壓示意（截止）PN截止

①加正向電壓：②加反向電壓：PN結(jié)導(dǎo)通，電阻很小第5頁/共43頁2二極管結(jié)構(gòu)及伏安特性

類型：點接觸型、面接觸型和平面型(1)點接觸型—(a)點接觸型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路二極管=PN結(jié)+引線+管殼第6頁/共43頁(c)平面型(3)平面型—(2)面接觸型—(b)面接觸型符號舊符號新符號陽極(Anode)陰極(Cathode)D1D2DiodePN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。第7頁/共43頁第8頁/共43頁②二極管的伏安特性伏安方程UT

=26mV反向飽和電流IR溫度的電壓當量玻爾茲曼常數(shù)電子電量當T=300（27C）伏安特性曲線第1章半導(dǎo)體二極管OuD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

UD(on)

=0.60.8V硅管0.7V0.10.3V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U（BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)

幾十A

(鍺)第9頁/共43頁

②正向電壓超過某一數(shù)值V0時，內(nèi)部電場被削弱，電流顯著增大有的也畫成從二極管結(jié)構(gòu)分析

①加正向電壓較小時，外電場不足以克服內(nèi)電場阻力，正向電流很小。V0：死區(qū)電壓，硅管：0.5V，鍺管：0.1V④

反向電壓大到一定值，外電場可能破壞共價鍵，造成擊穿。

③加反向電壓，外電場增強了內(nèi)電場，反向電流很小。

反向擊穿區(qū)

第10頁/共43頁二極管的開關(guān)特性先來看一個單向閥的特性第11頁/共43頁正向反向單向閥的開關(guān)特性球體球體tt壓力流量00壓力=0時壓力為正時球體在喇叭口處球體在喇叭以上壓力為突變?yōu)樨摃r喇叭口球體在喇叭以上球體在喇叭口處流量0t理想特性開關(guān)動作不能瞬間完成關(guān)閉時還有一定的泄露只有正向壓力足以頂起球體時才開啟單向閥的工作并不理想有泄漏第12頁/共43頁二極管具有單向?qū)щ娦远O管的開關(guān)特性（一）靜態(tài)特性二極管加正向電壓時導(dǎo)通，伏安特性很陡，壓降很?。ü韫埽?.7V，鍺管0.3V），可以近似看作是一個閉合的開關(guān)二極管加反向電壓時截止，截止后的伏安特性具有飽和特性（反向電流幾乎不隨反向電壓的增大而增大）且反向電流很小（nA級），可以近似看作是一個斷開的開關(guān)。伏安特性0uDiD導(dǎo)通時的等效電路截止時的等效電路+--+第13頁/共43頁存儲時間（二）動態(tài)特性當uD

為一矩形電壓時電流波形的不夠陡峭（不理想）tt00反向恢復(fù)時間漏電流iDuDuDiD上升時間二極管UD的電流的變化過程上升時間、恢復(fù)時間都很小，基本上由二極管的制作工藝決定存儲時間與正向電流，反向電壓有關(guān)。UDR波形和“單向閥”的特性是相似的這就限制了二極管的最高工作頻率第14頁/共43頁4二極管的主要參數(shù)1.

IF—最大整流電流（最大正向平均電流）2.URM

—最高反向工作電壓，為U（BR）/23.IR

—反向電流（越小單向?qū)щ娦栽胶茫┯绊懝ぷ黝l率的原因—4.fM

—最高工作頻率（超過時單向?qū)щ娦宰儾睿㏄N結(jié)的電容效應(yīng)iDuDU(BR)IFURM第15頁/共43頁5穩(wěn)壓管

應(yīng)用在反向擊穿區(qū)（雪崩擊穿和齊納擊穿）（一）符號、伏安特性和典型應(yīng)用電路(a)(a)符號第16頁/共43頁1、利用PN結(jié)反向擊穿的特性，可以制成穩(wěn)壓二極管。I（mA)正向電流IfU（V）正向0.6反向擊穿電壓UZ正向?qū)妷篣D0擊穿電流IRPN結(jié)V-A特性曲線IU+UZ電路符號第17頁/共43頁(c)應(yīng)用電路(b)(b)伏安特性第18頁/共43頁1）、穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管擊穿后電流變化很大。而電壓基本不變的電壓。不同的穩(wěn)壓管有不同的穩(wěn)定電壓。（二）主要參數(shù)2）、動態(tài)電阻rz：穩(wěn)壓管兩端電壓變化和電流變化的比值，隨工作電流而改變。5）、溫度系數(shù)；衡量由于溫度變化而使穩(wěn)定電壓UZ變化的參數(shù)。一般UZ大于6伏的為正溫度系數(shù)。小于6伏為負溫度系數(shù)3）、最大穩(wěn)定電流IZM，由最大耗散功率和穩(wěn)定電壓決定。4）、最大耗散功率PZM，工作時的功率PZ=IZ?UZ第19頁/共43頁U<

U（BR）反向電流急劇增大(反向擊穿)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：（Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(擊穿電壓<6V,負溫度系數(shù))雪崩擊穿:反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。(擊穿電壓>6V,正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。第20頁/共43頁靜態(tài)特性NPN發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射極emitter基極base集電極collectorbiBiCec(電流控制型)1.結(jié)構(gòu)、符號和輸入、輸出特性(2)

符號NNP(1)

結(jié)構(gòu)三極管(Transistor)第21頁/共43頁(3)

輸入特性(4)輸出特性iC

/mAuCE

/V50μA40μA30μA20μA10μAiB=0024684321放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)0uBE

/ViB

/μA發(fā)射結(jié)正偏放大i

C=

iB集電結(jié)反偏飽和

iC

＜

iB兩個結(jié)正偏I

CS=

IBS臨界截止iB≈0,iC≈0兩個結(jié)反偏電流關(guān)系狀態(tài)

條件第22頁/共43頁三極管的開關(guān)特性三極管是電流控制的電流源，在模擬電路中，工作在放大區(qū)。在數(shù)字電路中工作在飽和區(qū)或截止區(qū)——開關(guān)狀態(tài)。ICSIBSIB=0UCCiCuCEuOuiiBTRcRBUCC飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)uCEiC0負載線三極管CE之間相當于一個開關(guān)：在飽和區(qū)“閉合”，截止區(qū)“斷開”第23頁/共43頁iCuCEuOui=0.3ViBTRcRBUCC飽和區(qū)截止區(qū)ICSIBSIB=0UCCuCEiC01.三極管的截止條件和等效電路當輸入信號uI=UIL=0.3V時（UBE=0.3V<0.5V）三極管截止，可靠截止條件為:UBE<0V截止時，iB、iC都很小，三個極均可看作開路iC≈0，uO=UOH=UCC輸入特性0uBE/ViB0.50.7iB=0，等效電路BCE輸出特性第24頁/共43頁2.三極管的飽和條件和等效電路在模擬電路中，為了不產(chǎn)生失真，通常規(guī)定飽和時UCES=1V。由于三極管的輸入特性很陡，通常認為飽和時的UBES和導(dǎo)通時的UBE相等（硅管：0.7V，鍺管0.3V）在數(shù)字電路中，為了更接近理想開關(guān)，規(guī)定飽和時UCES=0.3V。輸入特性0uBE/ViB/μAUBES飽和區(qū)截止區(qū)ICSIBSIB=0UCCuCEiC0輸出特性UCES第25頁/共43頁將三極管剛剛從放大進入飽和時的狀態(tài)稱為：臨界飽和狀態(tài)。當輸入信號uI=UIH=3.6V時iCuCEuOui=3.6ViBTRcRBUCCIB=0UCCuCEiC0輸出特性ICSIBSUCES臨界飽和集電極電流：定義飽和深度：臨界飽和基極電流：可靠飽和條件為：iB≥IBSUCESBCEUBES等效電路第26頁/共43頁3.三極管的動態(tài)開關(guān)特性當基極施加一矩形電壓uI時截止到飽和所需的時間稱為開啟時間ton，它基本上由三極管自身決定。iCuCEuIiBTRcRBUCCuOiC、uO波形不夠陡峭，

iC、uO滯后于uI，即三極管在截止與飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要一定的時間。這是由三極管的結(jié)電容引起的，內(nèi)部載流子的運動過程比較復(fù)雜。uI

iC

uO

UIL

UIL

ICS

0

Ucc

UCES

tontoff飽和到截止所需的時間稱為關(guān)閉時間toff，它與飽和深度S有直接關(guān)系，S越大toff越長。第27頁/共43頁4.三極管的主要參數(shù)直流參數(shù)直流電流放大系數(shù)表示三極管在共射極連接時，某工作點處直流電流IC與IB的比值

表示三極管在共基極連接時，某工作點處IC

與IE的比值

共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)共射極直流電流放大系數(shù)共基極直流電流放大系數(shù)第28頁/共43頁極間反向電流

集-基反向飽和電流ICBO

發(fā)射極開路，在集電極與基極之間加上一定的反向電壓時，所對應(yīng)的反向電流穿透電流ICEO

在一定溫度下，ICBO

是一個常量。隨著溫度的升高ICBO將增大，它是三極管工作不穩(wěn)定的主要因素。在相同環(huán)境溫度下，硅管的ICBO比鍺管的ICBO小得多?；鶚O開路，集電極與發(fā)射極之間加一定反向電壓時的集電極電流

也是衡量三極管熱穩(wěn)定性的重要參數(shù)

第29頁/共43頁頻率參數(shù)

頻率參數(shù)是反映三極管電流放大能力與工作頻率關(guān)系的參數(shù)，表征三極管的頻率適用范圍。

共射極截止頻率fβ

當工作頻率f＞fT，時，三極管便失去了放大能力。

當β值下降到中頻段βO1／倍時，所對應(yīng)的頻率

特征頻率fT

當三極管的β值下降到β＝1時所對應(yīng)的頻率第30頁/共43頁極限參數(shù)

反向擊穿電壓BVCEO與BVCEO

最大允許集電極耗散功率PCM

當IC＞ICM時，β值已減小到不實用的程度，且有燒毀管子的可能。

三極管集電結(jié)受熱而引起晶體管參數(shù)的變化不超過所規(guī)定的允許值時，集電極耗散的最大功率。

最大允許集電極電流ICM

一般規(guī)定在β值下降到額定值的2／3（或1／2）時所對應(yīng)的集電極電流為ICM

BVCEO是指基極開路時，集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓。

BVCBO是指發(fā)射極開路時，集電極與基極間的反向擊穿電壓。第31頁/共43頁MOS管場效應(yīng)管與晶體管的區(qū)別1.晶體管是電流控制元件；場效應(yīng)管是電壓控制元件。2.晶體管參與導(dǎo)電的是電子—空穴，因此稱其為雙極型器件；場效應(yīng)管是電壓控制元件，參與導(dǎo)電的只有一種載流子，因此稱其為單級型器件：單極性晶體管、單極性三極管。場效應(yīng)管N溝道場效應(yīng)管P溝道場效應(yīng)管場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管MOS型場效應(yīng)管場效應(yīng)管增強型場效應(yīng)管耗盡型場效應(yīng)管第32頁/共43頁MOS場效應(yīng)管N溝道增強型的MOS管P溝道增強型的MOS管N溝道耗盡型的MOS管P溝道耗盡型的MOS管第33頁/共43頁N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)增強型MOS場效應(yīng)管漏極D→集電極C源極S→發(fā)射極E柵極G→基極B襯底B電極—金屬絕緣層—氧化物基體—半導(dǎo)體因此稱之為MOS管第34頁/共43頁

當UGS較小時，雖然在P型襯底表面有電子出現(xiàn)，但還行不成導(dǎo)電溝道，不能導(dǎo)電。N溝道增強型MOS場效應(yīng)管工作原理增強型MOS管UDSID++--++--++++----UGS反型層

當UGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的PN結(jié)，無論UDS之間怎樣加上電壓不會在D、S間形成電流ID,即ID≈0.

當UGS>UT時,溝道加厚，溝道電阻減少，在相同UDS的作用下，ID將進一步增加當UGS=UT時,在P型襯底表面形成一層電子層，形成N型導(dǎo)電溝道，在UDS的作用下形成ID。開始無導(dǎo)電溝道，當在UGSUT時才形成溝道,這種類型的管子稱為增強型MOS管第35頁/共43頁N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線增強型MOS管UDS一定時，UGS對漏極電流ID的控制關(guān)系曲線

ID=f(UGS)UDS=C轉(zhuǎn)移特性曲線UDS>UGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流區(qū)，ID與UGS的關(guān)系為ID≈K(UGS-UT)2溝道較短時，應(yīng)考慮UDS對溝道長度的調(diào)節(jié)作用：ID≈K(UGS-UT)2（1+UDS)K—導(dǎo)電因子（mA/V2)—溝道調(diào)制長度系數(shù)n—溝道內(nèi)電子的表面遷移率COX—單位面積柵氧化層電容W—溝道寬度L—溝道長度Sn—溝道長寬比K'—本征導(dǎo)電因子第36頁/共43頁N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線增強型MOS管UGS一定時，ID與UDS的變化曲線，是一族曲線

ID=f(UDS)UGS=C輸出特性曲線1.可變電阻區(qū)：

ID與UDS的關(guān)系近線性

ID≈2K(UGS-UT)UDSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)當UGS變化時，RON將隨之變化因此稱之為可變電阻區(qū)當UGS一定時，RON近似為一常數(shù)因此又稱之為恒阻區(qū)第37頁/共43頁N溝道增強型MOS場效應(yīng)管特性曲線增強型MOS管輸出特性曲線2.恒流區(qū)：該區(qū)內(nèi)，UGS一定，ID基本不隨UDS變化而變3.擊穿區(qū)：

UDS

增加到某一值時，ID開始劇增而出現(xiàn)擊穿。當UDS

增加到某一臨界值時，ID開始劇增時UDS稱為漏源擊穿電壓。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)第38頁/共43頁

漏源電壓UDS對漏極電流ID的控制作用

當UGS＞UT，且固定為某一值時，來分析漏源電壓UDS對漏極電流ID的影響。UDS的不同變化對溝道的影響。UDS=UDG＋UGS

=－UGD＋UGS

UGD=UGS－UDS

當UDS為0或較小時，相當UGD＞UT，此時UDS

基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在UDS作用下形成ID增強型MOS管第39頁/共43頁

當UDS增加到使UGD=U