2.1二极管、三极管、MOS管的开关特性(课堂PPT)_第1页
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文档简介

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。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,4,外特性:,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,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,UT=26mV,当T=300(27C),伏安特性曲线,第1章半导体二极管,正向特性,Uth,iD=0,Uth=0.5V,0.1V,(硅管),(锗管),UUth,iD急剧上升,0UUth,UD(on)=0.60.8V,硅管0.7V,0.10.3V,锗管0.2V,反向特性,IS,U(BR),反向击穿,U(BR)U0,iD=IS,0.1A(硅),几十A(锗),9,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,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,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,uD,iD,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uD为一矩形电压时,电流波形的不够陡峭(不理想),0,0,反向恢复时间,漏电流,iD,uD,uD,iD,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。,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.IF最大整流电流(最大正向平均电流),2.URM最高反向工作电压,为U(BR)/2,3.IR反向电流(越小单向导电性越好),影响工作频率的原因,4.fM最高工作频率(超过时单向导电性变差),PN结的电容效应,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,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If,U(V),正向,0.6,反向击穿电压UZ,正向导通电压UD,0,击穿电流IR,PN结V-A特性曲线,电路符号,17,(c)应用电路,18,1)、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,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,3)、最大稳定电流IZM,由最大耗散功率和稳定电压决定。,4)、最大耗散功率PZM,工作时的功率PZ=IZUZ,19,UU(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6V左右时,温度系数趋近零。,20,静态特性,NPN,发射结,集电结,b,iB,iC,e,c,(电流控制型),1.结构、符号和输入、输出特性,(2)符号,(1)结构,三极管(Transistor),21,(3)输入特性,(4)输出特性,放大区,截止区,饱和区,发射结正偏,放大,iC=iB,集电结反偏,饱和,iCiB,两个结正偏,ICS=IBS,临界,截止,iB0,iC0,两个结反偏,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。,ICS,IBS,IB=0,UCC,iC,uCE,uO,ui,iB,饱和区,放大区,截止区,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,iC,uCE,uO,ui=0.3V,iB,1.三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,沟道加厚,沟道电阻减少,在相同UDS的作用下,ID将进一步增加,当UGS=UT时,在P型衬底表面形成一层电子层,形成N型导电沟道,在UDS的作用下形成ID。,开始无导电沟道,当在UGSUT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,UDS一定时,UGS对漏极电流ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C,转移特性曲线,UT,在恒流区,ID与UGS的关系为,IDK(UGS-UT)2,沟道较短时,应考虑UDS对沟道长度的调节作用:,IDK(UGS-UT)2(1+UDS),K导电因子(mA/V2),沟道调制长度系数,n沟道内电子的表面迁移率COX单位面积栅氧化层电容W沟道宽度L沟道长度Sn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,UGS一定时,ID与UDS的变化曲线,是一族曲线ID=f(UDS)UGS=C,输出特性曲线,1.可变电阻区:ID与UDS的关系近线性ID2K(UGS-UT)UDS,当UGS变化时,RON将随之变化因此称之为可变电阻区当UGS一定时,RON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,UGS一定,ID基本不随UDS变化而变,3.击穿区:UDS增加到某一值时,ID开始剧增而出现击穿。当UDS增加到某一临界值时,ID开始剧增时UDS称为漏源击穿电压。,38,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,当UGSUT,且固定为某一值时,来分析漏源电压UDS对漏极电流ID的影响。UDS的不同变化对沟道的影响。,UDS=UDGUGS=UGDUGSUGD=UGSUDS,当UDS为0或较小时,相当UGDUT,,此时UDS基本均匀降落在沟道中,沟道呈斜线分布。在UDS作用下形成ID,增强型MOS管,39,当UDS增加到使UGD=UT时,,当UDS增加到UGDUT时,,增强型MOS管,漏源电压UDS对漏极电流ID的控制作用,这相当于UDS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ID基本饱和,此时预夹断区域加长,伸向S极。UDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上,ID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uIUT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,UT,输出为低电平,uO=UOL0V,输出即为高电平,uO=UOHUDD,UGSUT,41,(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

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