21二极管、三极管、MOS管的开关特性解析课件.ppt

1、2.1 2.1 二极管、三极管、二极管、三极管、MOSMOS管的开关特性管的开关特性半导体基础知识半导体基础知识 2.本征半导体1.半导体:3.掺杂半导体：不仅有电子载流子，还有空穴载流子不仅有电子载流子，还有空穴载流子 P型半导体 N型半导体理想开关特性的静态特性：闭合时电阻为0实际上开关闭合时总是有一个很小的电阻，断开时电阻不可能为，转换过程总要花一定的时间 开关动作在瞬间完成断开时电阻为开关特性开关特性 静态开关特性：动态开关特性：二极管二极管 耗尽层、耗尽区、空间电荷区耗尽层、耗尽区、空间电荷区内特性内特性：1.PN结特性 PN结结动态平衡时，扩散电流与漂移电流大小相等，方向相反。在一

2、块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物型半导体的结合面上形成如下物理过程理过程:因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电

3、荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 外特性：外特性：外加正向电压示意外加正向电压示意(导电）导电）PN结结变窄变窄P N+-R PN结结变宽变宽P N-+R 外加反向电压示意（截止）外加反向电压示意（截止）PN截止 加正向电压：加反向电压：PN结导通，电阻很小2二极管结构及伏安特性 类型：点接触型、面接触型和平面型(1)点接触型(a)点接触型 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路二极管=PN结+引线+管壳(c)平面型(

4、3)平面型(2)面接触型(b)面接触型符号旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)D1D2DiodePN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。二极管的伏安特性二极管的伏安特性伏安方程伏安方程UT=26 mV)1e(/SDD TUuIi反向饱和反向饱和电流电流 IR温度的温度的电压当量电压当量qkTUT 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数电子电量电子电量当当T=300（27 C）伏安特性曲线伏安特性曲线OuD/ViD/mA正向

5、特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on)=0.6 0.8 V硅管硅管0.7 V0.1 0.3 V锗管锗管0.2 V反向特性反向特性ISU(BR)反向击穿反向击穿U（BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)正向电压超过某一数值V0时，内部电场被削弱，电流显著增大有的也画成从二极管结构分析从二极管结构分析 加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场阻力，正向电流很小。V0：死区电压，硅管：0.5V，锗管：0.1V 反向电压大到一定值，外电场可能破坏共价键，造成击

6、穿。加反向电压，外电场增强了内电场，反向电流很小。反向击穿区 二极管的开关特性 先来看一个单向阀的特性正向反向单向阀的开关特性单向阀的开关特性球体球体球体球体tt压力流量00压力=0时压力为正时球体在喇叭口处球体在喇叭以上压力为突变为负时喇叭口球体在喇叭以上球体在喇叭口处流量0t理想特性开关动作不能瞬间完成关闭时还有一定的泄露只有正向压力足以顶起球体时才开启单向阀的工作并不理想有泄漏二极管具有单向导电性二极管具有单向导电性二极管的开关特性（一）静态特性二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡，压降很小（硅管：0.7V，锗管0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关二极管加反向电压时截止，截止后的伏安

7、特性具有饱和特性（反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）且反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断开的开关。伏安特性0uDiD导通时的等效电路截止时的等效电路+-+存储时间（二）动态特性当uD 为一矩形电压时电流波形的不够陡峭（不理想）tt00反向恢复时间漏电流iDuDuDiD上升时间二极管UD的电流的变化过程上升时间、恢复时间都很小，基本上由二极管的制作工艺决定存储时间与正向电流，反向电压有关。UDR波形和“单向阀”的特性是相似的这就限制了二极管的最高工作频率4 二极管的主要参数二极管的主要参数1.IF 最大整流电流最大整流电流（最大正向平均电流）（最大正向平均电流）2.URM 最高反向

8、工作电压最高反向工作电压，为，为U（BR）/2 3.IR 反向电流反向电流（越小单向导电性越好）（越小单向导电性越好）影响工作频率的原因影响工作频率的原因4.fM 最高工作频率最高工作频率 （超过时单向导电性变差）（超过时单向导电性变差）PN结的电容效应结的电容效应iDuDU(BR)I FURM5稳压管 应用在反向击穿区（雪崩击穿和齐纳击穿）（一）符号、伏安特性 和典型应用电路(a)(a)符号1、利用利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。I（mA)正向电流IfU（V）正向正向0.6反向击穿电压反向击穿电压UZ正向导通电压正向导通电压UD0击穿击穿电

9、流IRPN结结V-A特性特性 曲线曲线IU+UZ电路符号电路符号(c)应用电路(b)(b)伏安特性n1）、稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变化很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。（二）主要参数n2）、动态电阻rz：稳压管两端电压变化和电流变化的比值，随工作电流而改变。n5）、温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压UZ变化的参数。一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数n3）、最大稳定电流 IZM，由最大耗散功率和稳定电压决定。n4）、最大耗散功率 PZM，工作时的功率PZ=IZUZU U（BR）反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)反向击穿类型：反

10、向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：（Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压击穿电压 6V,正正温度系数温度系数)击穿电压在击穿电压在 6 V左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。静态特性静态特性NPN发射结发射结集电结集电结发射极发射极emitter基极基极base集电极集电极collectorbiBiCec(电流控制型电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性(2)符号符号NNP(1)结构结构三极管三极管(Transistor)(Transistor)(3

11、)输入特性输入特性CE)(BEBuufi (4)输出特性输出特性B)(CECiufi iC/mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB=00 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0CE uV1CE u0uBE /ViB/A发射结正偏发射结正偏放大放大i C=iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS=IBS临界临界截止截止iB 0,iC 0两个结反偏两个结反偏电流关系电流关系状态状态 条条 件件三极管的开关特性三极管的开关特性三极管是电流控制的电流源，在模拟电路中，工作在放大区。在数字电路中工作在饱和区或截止区开关状态。I

12、CSIBSIB=0CCC/RUUCCiCuCEuOuiiBTRcRBUCC饱和区放大区截止区uCEiC0负载线三极管CE之间相当于一个开关：在饱和区“闭合”，截止区“断开”iCuCEuOui=0.3ViBTRcRBUCC饱和区截止区ICSIBSIB=0CCC/RUUCCuCEiC01.1.三极管的截止条件和等效电路三极管的截止条件和等效电路当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V0.5V）三极管截止，可靠截止条件为:UBEUT时时,沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同UDS的作的作用下，用下，ID将进一步增加将进一步增加当当UGS=UT时时,在在P型衬底表面

13、形型衬底表面形成一层成一层电子层电子层，形成，形成N型导电沟型导电沟道，在道，在UDS的作用下形成的作用下形成ID。开始无导电沟道，开始无导电沟道，当在当在UGS UT时才形时才形成沟道成沟道,这种类型的管这种类型的管子称为子称为增强型增强型MOS管管 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏极电流对漏极电流I ID D的控制关系曲线的控制关系曲线 I ID D=f f(U UGSGS)U UDSDS=C =C 转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UT在恒流区

14、，在恒流区，ID与与UGS的关系为的关系为IDK(UGS-UT)2沟道较短时，应考虑沟道较短时，应考虑UDS对对沟道长度的调节作用：沟道长度的调节作用：IDK(UGS-UT)2（1+UDS)K导电因子（导电因子（mA/V2)沟道调制长度系数沟道调制长度系数LWCKOXn2 LWK2nSK2DSULL n沟道内电子的表面迁移率沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容单位面积栅氧化层电容W沟道宽度沟道宽度L沟道长度沟道长度Sn沟道长宽比沟道长宽比K本征导电因子本征导电因子 N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管U UGSGS一定时

15、，一定时，I ID D与与U UDSDS的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 I ID D=f f(U UDSDS)U UGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线1.可变电阻区可变电阻区：ID与与UDS的关系近线性的关系近线性 ID 2K(UGS-UT)UDS0dUDDSonGSdIdUR2K1UU1TGSUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)当当UGS变化时，变化时，RON将随之变化将随之变化因此称之为因此称之为可变电阻区可变电阻区当当UGS一定时，一定时，RON近似为一常数近似为一常数因此又称之为因此又称之为恒阻区恒阻区 N

16、N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线增强型增强型MOSMOS管管输出特性曲线输出特性曲线2.恒流区恒流区：该区内，该区内，UGS一定，一定，ID基本不随基本不随UDS变化而变变化而变3.击穿区击穿区：UDS 增加到某一值时，增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。开始剧增而出现击穿。当当UDS 增加到某一临界增加到某一临界值时，值时，ID开始剧增时开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。称为漏源击穿电压。UGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极电流ID的控制作用的控制作用当当UGSU

17、T，且固定为某一值时，来分析漏源电压，且固定为某一值时，来分析漏源电压UDS对对漏极电流漏极电流ID的影响。的影响。UDS的不同变化对沟道的影响。的不同变化对沟道的影响。UDS=UDGUGS =UGDUGS UGD=UGSUDS 当当UDS为为0或较小时，或较小时，相当相当 UGDUT，此时此时UDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在线分布。在UDS作用下形成作用下形成ID增强型增强型MOSMOS管管 当当UDS增加到使增加到使UGD=UT时，时，当当UDS增加到增加到UGD UT时，时，增强型增强型MOSMOS管管 漏源电压漏源电压UDS对漏极电流对漏极

18、电流ID的控制作用的控制作用 这相当于这相当于UDS增加使漏极处沟道增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断预夹断。此时的。此时的漏极电流漏极电流ID 基本饱和基本饱和 此时预夹断区域加长，伸向此时预夹断区域加长，伸向S极。极。UDS增加的部分基本降落在随之加长增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，的夹断沟道上，ID基本趋于不变。基本趋于不变。MOS管的开关特性（一）MOS管的基本开关电路 以增强型NMOS管基本开关电路为例 当uI UT 时，沟道电阻变得很小，我们可以将MOS管看作是一个电压控制的电子开关 TuIuOUDDRDDGSUTUDSID0UGS

19、ID0输出为低电平，uO=UOL0V输出即为高电平，uO=UOHUDDUGSUT（二）MOS管的开关等效电路 截止时漏源间的内阻ROFF很大，可视为开路C表示栅极的输入电容。数值约为几个皮法因此这个电阻一般情况不能忽略不计导通时漏源间的内阻RON约在1K以内，且与UGS有关（UGS RON）开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作时，漏极电流ID和输出电压UO=UDS的变化会滞后于输入电压的变化，这一点和双极型三极管是相似的。DGSCDGSCRON导通时截止时UDSID0UGSUGS1UGS1RON2RON1ROFFSDGIDUDSUGS特性曲线越陡，表示RON越小RON2RON1