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半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性

作者:佚名    文章來源:本站原創(chuàng)    點擊數(shù):    更新時間:2016/11/3

  數(shù)字電路中的晶體二極管、晶體三極管(簡稱BJT)和MOS管等器件一般是以開關(guān)方式運用的。研究這些器件的開關(guān)特性時,除了要研究它們在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)下的靜止特性外,還要分析它們在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間的轉(zhuǎn)變過程,即動態(tài)特性。

一、晶體二極管的開關(guān)特性

  1.靜態(tài)特性

  二極管的靜態(tài)特性表現(xiàn)為:正向?qū)ǎㄍ饧?IMG align=absMiddle src="/jichu/UploadFiles_6678/201611/20161103194152254.gif" width=392 height=233>電壓vD>門檻電壓VTH,一般鍺管約0.3V,硅管約0.7V),相當(dāng)于開關(guān)閉合;反向截止(外加電壓vD<門檻電壓VTH),相當(dāng)于開關(guān)斷開。圖給出了一個硅二極管電路和對應(yīng)的靜態(tài)特性曲線。

  2.動態(tài)特性

  二極管的動態(tài)特性是指二極管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的特性。由于晶體管內(nèi)部電荷的“建立”和“消散”都需要一個過程,所以完成兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時間。通常把二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂顾枰臅r間稱為反向恢復(fù)時間,而把二極管從反向截止到正向?qū)ǖ臅r間稱為開通時間。相比之下,開通時間很短,一般可以忽略不計。因此,影響二極管開關(guān)速度的主要因素是反向恢復(fù)時間:

反向恢復(fù)時間tre=存儲時間ts+渡越時間tt

二、晶體三極管(BJT)的開關(guān)特性

  1.靜態(tài)特性

  晶體三極管(BJT)由集電結(jié)和發(fā)射結(jié)兩個PN結(jié)構(gòu)成。根據(jù)兩個PN結(jié)的偏置極性,三極管有截止、放大、飽和3種工作狀態(tài)。通過輸入電壓vI對基極電壓加以控制,可使三極管工作在截止、放大、飽和3種工作狀態(tài)。在數(shù)字電路中,三極管被作為開關(guān)元件工作在飽和與截止兩種狀態(tài),相當(dāng)于一個由基極信號控制的無觸點開關(guān),其作用對應(yīng)于觸點開關(guān)的“閉合”與“斷開”。

  截止?fàn)顟B(tài):當(dāng)輸入電壓vI小于晶體管閾值電壓VTH時,晶體管工作在截止?fàn)顟B(tài),此時,晶體三極管類似于開關(guān)斷開。

  飽和狀態(tài): 當(dāng)輸入電壓vI大于某一數(shù)值,使得晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正偏時,晶體管工作在飽和狀態(tài),此時,晶體三極管類似于開關(guān)接通。

  圖2給出了一個簡單的NPN晶體三極管共射極開關(guān)電路和對應(yīng)的輸出特性曲線。

圖2

  2.動態(tài)特性

  晶體三極管在飽和與截止兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中具有的特性稱為三極管的動態(tài)特性。三極管和二極管一樣,管子內(nèi)部也存在著電荷的建立與消失過程。因此,飽和與截止兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也需要一定的時間才能完成。晶體三極管動態(tài)特性通常用“開通時間”和“關(guān)閉時間”衡量。

  開通時間: 指三極管從截止到飽和導(dǎo)通所需要的時間,記為tON。

開通時間tON=延遲時間td+上升時間tr

  關(guān)閉時間: 指三極管從飽和導(dǎo)通到截止所需要的時間,記為tOFF。

關(guān)閉時間tOFF=存儲時間ts+下降時間tf

三、MOS管的開關(guān)特性

  MOS集成電路的基本元件是MOS管。MOS管是一種電壓控制器件,它的3個電極分別稱為柵極(G)、漏極(D)和源極(S),由柵極電壓控制漏源電流。MOS管根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為P型溝道MOS管和N型溝道MOS管兩種,每種又可按其工作特性進(jìn)一步分為增強型和耗盡型兩類。

  1.靜態(tài)特性

  MOS管作為開關(guān)應(yīng)用時,同樣是交替工作在截止與飽和兩種工作狀態(tài)。

  N溝道增強型MOS管的開關(guān)特性為:當(dāng)柵源電壓vGS<開啟電壓VTN時,管子工作在截止?fàn)顟B(tài),類似于開關(guān)斷開;當(dāng)柵源電壓vGS>開啟電壓VTN(大約在1~2V之間),且漏源電壓加大到一定程度,滿足vDS≥vGS-VTN時,管子工作在飽和狀態(tài),類似于開關(guān)接通。

  P溝道增強型MOS管與N型溝道增強型MOS管所不同的是,其工作電壓vGS和vDS均為負(fù)電壓,開啟電壓VTP一般大約在-2.5~-1.0V之間。

  2.動態(tài)特性

  MOS管在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時同樣存在過渡過程,但其動態(tài)特性主要取決于與電路有關(guān)的電容充、放電所需的時間,而MOS管內(nèi)部電荷“建立”和“消散”的時間很短。

Tags:半導(dǎo)體器件,半導(dǎo)體,開關(guān)特性  
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