2.1二极管、三极管、MOS管的开关特性(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,二极管、三极管、,MOS,管的开关特性,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,P,型半导体,N,型半导体,1,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,静态开关特性：,动态开关特性：,2,二极管,耗尽层、耗尽区、空间电荷区,内特性,：,PN,结特性,PN,结,动态平衡时，扩散电流与漂移电流大小相等，方向相反。,3,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成,N,型半导体和,P,型半导体。此时将在,N,型半导体和,P,型半导体的结合面上形成如下物理过程,:,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的,扩散,和少子的,漂移,达到,动态平衡,。,对于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的,空间电荷区,称为,PN,结,。,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称,耗尽层,。,多子的扩散运动,由,杂质离子形成空间电荷区,4,外特性：,外加正向电压示意,(,导电）,PN,结,变窄,P,N,+-,R,PN,结,变宽,P,N,-+,R,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,5,2,二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，,用于检波和变频等高频电路,二极管,=PN,结,+,引线,+,管壳,6,(c),平面型,(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),D1,D2,Diode,PN,结面积大，用,于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。,PN,结面积,可大可小,，,用于高频整流和开关电路中。,7,8,二极管的伏安特性,伏安方程,U,T,=26 mV,反向饱和,电流,I,R,温度的,电压当量,玻尔兹曼常数,电子电量,当,T,=300,（,27,C,）,伏安特性曲线,第,1,章 半导体二极管,O,u,D,/V,i,D,/mA,正向特性,U,th,死区,电压,i,D,=0,U,th,=,0.5 V,0.1 V,(,硅管,),(,锗管,),U,U,th,i,D,急剧上升,0,U,U,th,U,D(on),=,0.6,0.8 V,硅管,0.7 V,0.1,0.3 V,锗管,0.2 V,反向特性,I,S,U,(BR),反向击穿,U,（,BR),U,0,i,D,=,I,S,0.1,A(,硅,),几十,A,(,锗,),9,正向电压超过某一数值,V,0,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,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。,V,0,：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,10,二极管的开关特性,先来看一个单向阀的特性,11,正向,反向,单向阀的开关特性,球体,球体,t,t,压力,流量,0,0,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,0,t,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,12,二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,0,u,D,i,D,导通时的等效电路,截止时的等效电路,+,-,-,+,13,存储时间,（二）动态特性,当,u,D,为一矩形电压时,电流波形的不够陡峭（不理想）,t,t,0,0,反向恢复时间,漏电流,i,D,u,D,u,D,i,D,上升时间,二极管,U,D,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。,U,D,R,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,14,4,二极管的主要参数,1.,I,F,最大整流电流,（最大正向平均电流）,2,.,U,RM,最高反向工作电压,，为,U,（,BR,）,/2,3,.,I,R,反向电流,（越小单向导电性越好）,影响工作频率的原因,4,.,f,M,最高工作频率,（超过时单向导电性变差）,PN,结的电容效应,i,D,u,D,U,(BR),I,F,U,RM,15,5,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,16,1,、利用,PN,结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。,I,（,mA,),正向电流,I,f,U,（,V,）,正向,0.6,反向击穿电压,U,Z,正向导通电压,U,D,0,击穿,电流,I,R,PN,结,V-A,特性 曲线,I,U,+,U,Z,电路符号,17,(c),应用电路,(b),(b),伏安特性,18,1,）、稳定电压,U,Z,：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,2,）、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。,5,）、温度系数；衡量由于温度变化而使稳定电压,U,Z,变化的参数。一般,U,Z,大于,6,伏的为正温度系数。小于,6,伏为负温度系数,3,）、最大稳定电流,I,ZM,，,由最大耗散功率和稳定电压决定。,4,）、最大耗散功率,P,ZM,，工作时的功率,P,Z,=I,Z,U,Z,19,U,U,（,BR,）,反向电流急剧增大,(,反向击穿,),反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因,：,齐纳击穿,：,（,Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。,(,击穿电压,6V,正,温度系数,),击穿电压在,6 V,左右时，温度系数趋近零。,20,静态特性,NPN,发射结,集电结,发射极,e,mitter,基极,b,ase,集电极,c,ollector,b,i,B,i,C,e,c,(,电流控制型,),1.,结构、符号和输入、输出特性,(,2,),符号,N,N,P,(,1,),结构,三极管,(Transistor),21,(,3,),输入特性,(4),输出特性,i,C,/,mA,u,CE,/V,50 A,40A,30 A,20 A,10 A,i,B,=0,0 2 4 6 8,4,3,2,1,放大区,截止区,饱,和,区,0,u,BE,/V,i,B,/,A,发射结正偏,放大,i,C,=,i,B,集电结反偏,饱和,i,C,i,B,两个结正偏,I,CS,=,I,BS,临界,截止,i,B,0,i,C,0,两个结反偏,电流关系,状态,条 件,22,三极管的开关特性,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,CS,I,BS,I,B,=0,U,CC,i,C,u,CE,u,O,u,i,i,B,T,R,c,R,B,U,CC,饱和区,放大区,截止区,u,CE,i,C,0,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,”,23,i,C,u,CE,u,O,u,i,=0.3V,i,B,T,R,c,R,B,U,CC,饱和区,截止区,I,CS,I,BS,I,B,=0,U,CC,u,CE,i,C,0,1.,三极管的截止条件和等效电路,当输入信号,u,I,=,U,IL,=0.3V,时（,U,BE,=0.3V0.5V,）,三极管截止，,可靠截止条件为,:,U,BE,U,T,时,沟道加厚，沟道电阻减少，,在相同,U,DS,的作用下，,I,D,将进一步增加,当,U,GS,=U,T,时,在,P,型衬底表面形成一层,电子层,，形成,N,型导电沟道，在,U,DS,的作用下形成,I,D,。,开始无导电沟道，,当在,U,GS,U,T,时才形,成沟道,这种类型的管,子称为,增强型,MOS,管,35,N,沟道,增强型,MOS,场效应管特性曲线,增强型,MOS,管,U,DS,一定时，,U,GS,对漏极电流,I,D,的控制关系曲线,I,D,=,f,(,U,GS,),U,DS,=C,转移特性曲线,U,DS,U,GS,-U,T,U,GS,(V),I,D,(mA),U,T,在恒流区，,I,D,与,U,GS,的关系为,I,D,K(U,GS,-U,T,),2,沟道较短时，应考虑,U,DS,对,沟道长度的调节作用：,I,D,K(U,GS,-U,T,),2,（,1+,U,DS,),K,导电因子（,mA/V,2,),沟道调制长度系数,n,沟道内电子的表面迁移率,C,OX,单位面积栅氧化层电容,W,沟道宽度,L,沟道长度,S,n,沟道长宽比,K,本征导电因子,36,N,沟道,增强型,MOS,场效应管特性曲线,增强型,MOS,管,U,GS,一定时，,I,D,与,U,DS,的变化曲线，是一族曲线,I,D,=,f,(,U,DS,),U,GS,=C,输出特性曲线,1.,可变电阻区,：,I,D,与,U,DS,的关系近线性,I,D,2K(U,GS,-U,T,)U,DS,U,GS,=6V,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=3V,U,GS,=U,T,=3V,U,GS,(V),I,D,(,mA,),当,U,GS,变化时，,R,ON,将随之变化,因此称之为,可变电阻区,当,U,GS,一定时，,R,ON,近似为一常数,因此又称之为,恒阻区,37,N,沟道,增强型,MOS,场效应管特性曲线,增强型,MOS,管,输出特性曲线,2.,恒流区,：,该区内，,U,GS,一定，,I,D,基本不随,U,DS,变化而变,3.,击穿区,：,U,DS,增加到某一值时，,I,D,开始剧增而出现击穿。,当,U,DS,增加到某一临界值时，,I,D,开始剧增时,U,DS,称为漏源击穿电压。,U,GS,=6V,U,GS,=4V,U,GS,=5V,U,GS,=3V,U,GS,=U,T,=3V,U,GS,(V),I,D,(,mA,),38,漏源电压,U,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,当,U,GS,U,T,，且固定为某一值时，来分析漏源电压,U,DS,对,漏极电流,I,D,的影响。,U,DS,的不同变化对沟道的影响。,U,DS,=,U,DG,U,GS,=,U,GD,U,GS,U,GD,=,U,GS,U,DS,当,U,DS,为,0,或较小时，,相当,U,GD,U,T,，,此时,U,DS,基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在,U,DS,作用下形成,I,D,增强型,MOS,管,39,当,U,DS,增加到使,U,GD,=,U,T,时，,当,U,DS,增加到,U,GD,U,T,时，,增强型,MOS,管,漏源电压,U,DS,对漏极电流,I,D,的控制作用,这相当于,U,DS,增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为,预夹断,。此时的,漏极电流,I,D,基本饱和,此时预夹断区域加长，伸向,S,极。,U,DS,增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，,I,D,基本趋于不变。,40,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,u,I,U,T,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,T,u,I,u,O,U,DD,R,D,D,G,S,U,T,U,DS,I,D,0,U,GS,I,D,0,输出为低电平，,u,O,=,U,OL,0V,输出即为高电平，,u,O,=,U,OH,U,DD,U,GS,U,T,41,（二）,MOS,管的开关等效电路,截止时漏源间的内阻,R,OFF,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,R,ON,约在,1,K,以内，且与,U,GS,有关（,U,GS,R,ON,）,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,I,D,和输出电压,U,O,=,U,DS,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。,D,G,S,C,D,G,S,C,R,ON,导通时,截止时,U,DS,I,D,0,U,GS,U,GS1,U,GS1,R,ON2,R,ON1,R,OFF,S,D,G,I,D,U,DS,U,GS,特性曲线越陡，表示,R,ON,越小,R,ON2,R,ON1,42,