半导体二极管三极管和MOS管的开关特性.docx

理想开关的开关特性
假定图所示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。
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。图给出的是硅半导体二极管的伏安特性。
从图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（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（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