数字电路第二章—第二节（半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性）

Zevalin爱灰灰

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分类专栏：数字电路笔记文章标签：电路分析数字电路

于 2024-02-24 17:16:11 首次发布

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一、理想开关的开关特性

1、静态特性

（1）断开时，无论 $U_{AK}$ 在多大范围内变化，其等效电阻 $R_{OFF}=\infty$ ，通过其中的电流 $I_{OFF}=0$ 。

（2）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 $R_{ON}=0$ ，电压 $U_{AK}=0$ 。

2、动态特性

（1）开通时间 $t_{on}=0$ ，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。

（2）关断时间 $t_{off}=0$ ，即开关S由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。

二、半导体二极管的开关特性

1、静态特性

（1）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，一结就是内部只有一个PN结，两端就是两个引出端，一个引出端称为阳极A，一个引出端称为阴极K。

（2）上图所示的是硅半导体二极管的伏安特性曲线，当外加正向电压小于0.5V时，二极管工作在死区，仍处在静止状态，只有在 $U_{D}$ 大于0.5V以后二极管才导通，而且当 $U_{D}$ 达到0.7V后，即使 $I_{D}$ 在很大范围内变化， $U_{D}$ 也基本不变；当外加反向电压时，二极管工作在反向截止区，但当 $U_{D}$ 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 $I_{R}$ 会急剧增加，若不限制 $I_{R}$ 的数值，二极管就会因过热而损坏。

（3）半导体二极管最显著的特点是具有单向导电特性：

①当外加正向电压 $U_{D}$ >0.7V时，二极管导通，而且一旦导通之后，就可近似地认为 $U_{D}$ ≈0.7V不变，如同一个具有0.7V压降的闭合了的开关。

②当外加电压 $U_{D}$ <0.5V时，二极管截止，而且一旦截止之后，就近似地认为 $I_{D}$ ≈0，如同一个断开了的开关。

2、动态特性

（1）二极管的电容效应：

①二极管中的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结里面的电荷量也随之改变，这种现象与电容的作用很相似，并用电容 $C_{j}$ 表示，称之为结电容。

②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，形成一定的浓度梯度分布，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，而且其电荷量也是随外加电压改变的，当外加电压增大，流过二极管中的电流增加时，这种积累起来的电荷量（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，并用电容 $C_{D}$ 表示，称之为扩散电容。

③结电容和扩散电容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，伴随着两种电容的充、放电过程，都要经过一段延迟时间才能完成。

（2）二极管的开关时间：

①当输入电压 $u_{I}$ 由 $U_{IL}$ 跳变到 $U_{IH}$ 时，二极管D要经过导通延迟时间（ $t_{on}$ 前半部分）、上升时间（ $t_{on}$ 后半部分）之后，才能由截止状态转换到导通状态，其原因在于，当 $u_{I}$ 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 $C_{j}$ 放电后，二极管D才会导通，此后流过二极管中的电流 $i_{D}$ 只能随着扩散存储电荷的增加而增加，也即随着 $C_{D}$ 的充电而增加，并逐步达到稳态值 $I_{D}$ 。

②当输入电压 $u_{I}$ 由 $U_{IH}$ 跳变到 $U_{IL}$ 时，二极管D要经过存储时间（ $t_{off}$ 前半部分）、下降时间（ $t_{off}$ 后半部分，也称为渡越时间）之后，才能有导通状态转换到截止状态。存储时间是存储电荷消散时间，下降时间是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 $C_{D}$ 放电、 $C_{j}$ 充电的时间。

三、半导体三极管的开关特性

1、静态特性

（1）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，两节是发射结和集电结，三端是发射极e、基极b和集电极c。

（2）输入特性：

①输入特性指的是基极电流 $i_{B}$ 和基极—发射极间电压 $u_{BE}$ 之间的关系曲线，即反映函数

②三极管的工作状态与输入电压的对应关系：

工作状态	发射结	集电结
放大	正偏	反偏
饱和	正偏	正偏
临界（饱和的一种）	正偏	正偏
截止	反偏	反偏
倒置	反偏	正偏

③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转瞬即逝的工作状态。

（3）输出特性：

①输出特性指的是集电极电流 $i_{C}$ 和集电极—发射极间电压 $u_{CE}$ 之间的关系曲线，即反映函数

②输出特性曲线：

（4）半导体三极管具有下列静态开关特性：

①饱和导通：

[1]饱和导通条件：三极管基极电流 $i_{B}$ 大于其临界饱和时的数值 $I_{BS}$ ，即

[2]饱和导通时三极管如同闭合了的开关。（下左图是实际电路图，下右图是等效电路图）

②截止：

[1]截止条件：基极—发射极间电压 $u_{BE}$ 小于发射结死区电压 $U_{0}$ （硅三极管的发射结死区电压为0.5V）。

[2]截止时三极管如同断开了的开关。（下左图是实际电路图，下右图是等效电路图）

2、动态特性

（1）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。

（2）三极管的开关时间：

①当 $u_{I}$ 由 $U_{IL}$ =-2V跳变到 $U_{IH}$ =3V时，三极管需要经过导通延迟时间（ $t_{on}$ 前半部分）和上升时间（ $t_{on}$ 后半部分）之后才能由截止状态转换到饱和导通状态。

②当 $u_{I}$ 由 $U_{IH}$ =3V跳变到 $U_{IL}$ =-2V时，三极管需要经过存储时间（ $t_{off}$ 前半部分）和下降时间（ $t_{off}$ 后半部分）之后才能由饱和导通状态转换到截止状态。

③在数字电路中，半导体三极管饱和导通时，其饱和深度（ $q=\frac{i_{B}}{I_{BS}}$ ）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）会比较长。

四、MOS管的开关特性

1、静态特性

（1）MOS管是由金属-氧化物-半导体构成的，其最显著的特点也是具有放大能力，不过它是通过栅极电压控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由栅极电压控制的开关元件。

（2）不同结构MOS管的漏极特性和转移特性：

①N沟道：

②P沟道：

（3）MOS管的开关作用：

①当N沟道MOS管栅源电压 $u_{GS}$ 小于其开启电压 $U_{TN}$ 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，此时MOS管如同一个断开了的开关；当N沟道MOS管栅源电压 $u_{GS}$ 大于其开启电压 $U_{TN}$ 时，将处于导通状态，此时MOS管如同一个闭合了的开关。

②当P沟道MOS管栅源电压 $u_{GS}$ 大于其开启电压 $U_{TP}$ 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，此时MOS管如同一个断开了的开关；当P沟道MOS管栅源电压 $u_{GS}$ 小于其开启电压 $U_{TP}$ 时，将处于导通状态，此时MOS管如同一个闭合了的开关。