电子技术基础 课件 数电 12.1 半导体器件的开关特性

第12章集成逻辑门电路12.1

半导体器件的开关特性12.1.1双极型晶体管的开关特性数字电路中常用双极型晶体管和场效应管（MOS）做开关，当输入信号加载到一个输入端时，使另外两端变成开路或短路，电路中就产生了两个电压级别，分别表示二进制的0和1。晶体管开关构成了二进制系统的硬件基础。12.1

半导体器件的开关特性

三极管这种在外加电压作用下，截止和饱和后的稳态模型，它反映了三极管的静态开关特性。

如果三极管工作在截止状态，管子截止，相当于开关断开。

如果三极管工作在饱和状态，管子饱和导通，相当于开关接通。12.1

半导体器件的开关特性1.开关特性a.三极管开关电路图

Rc

Vcc

RB

V11V

V22V

uO10k+－1k

uI+－S5V

动态时，晶体管在截止与饱和两种状态间转换。由于晶体管内部电荷的建立和消散都需要时间，所以集电极电流的变化滞后于基极电压的变化，即iC和uO的变化不能瞬时完成，而是需要时间的。12.1

半导体器件的开关特性b.三极管开关电路波形图ooouoiC

ICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoff

V2

V1ttt

uIa)开关时间延迟时间td——从uI上跳开始到iC上升到0.1ICS所需要的时间12.1

半导体器件的开关特性ooouoiC

ICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoff

V2

V1ttt

uI上升时间tr——iC从0.1ICS上升到0.9ICS的时间接通时间ton——td与tr之和12.1

半导体器件的开关特性ooouoiC

ICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoff

V2

V1ttt

uI存储时间tS——iC从ICS下降到0.9ICS的时间12.1

半导体器件的开关特性ooouoiC

ICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoff

V2

V1ttt

uI关断时间toff——ts与tf之和下降时间tf——iC从0.9ICS下降到0.1ICS的时间12.1

半导体器件的开关特性三极管的接通时间ton、关断时间toff，统称为开关时间。开关时间越短，开关速度也就越高。管子的结构工艺，外加输入电压的极性及大小。b)影响开关时间的因素c)提高开关速度的途径制造开关时间较小的管子，设计合理的外电路。12.1

半导体器件的开关特性(a)电路图；(b)电路符号

通常toff>ton、ts>tf。因此控制三极管的饱和深度，减小ts是缩短开关时间，提高开关速度的一个主要途径。

给三极管的集电结并联一个肖特基二极管(高速、低压降)，限制三极管的饱和深度，可以大大缩短开断时间。

将三极管和肖特基二极管制作在一起，构成肖特基晶体管，提高电路的开关速度。12.1

半导体器件的开关特性2.三极管反相器

RB1

uo6.8k+－(A)(L)

uI+－

RC330

RB222k

VBB5V+VCC(+5V)反相器工作原理：a.当uI高电平时晶体管饱和导通输出uO0b.当uI低电平时晶体管截止输出uO

VCC12.1

半导体器件的开关特性BJT工作状态uI

uO

低截止高

饱和非门电平表

反相器的输出与输入关系可表示为高低12.1

半导体器件的开关特性12.1.2场效应管的开关特性1.MOS场效应管(MOSFET)的开关特性MOS管的输入电阻很大，电路功耗很小，且MOS管的面积比单极型晶体管要小，可以使复杂的数字系统占用很小的硅片面积，大规模地提高集成电路的集成度。数字电路中普遍采用增强型的MOSFET12.1

半导体器件的开关特性（当漏源电压uDS较高时）b.当uGS大于UT，管子工作在变阻状态，电压uDS较小，相当于开关接通。a.栅源电压uGS小于开启电压UT时，iD=0，管子处于截止状态，相当于开关断开。增强型NMOSFET的工作原理：gsduGSuDSiD12.1

半导体器件的开关特性

在NMOS管的栅极加上电路的最高电压VDD，使管子很好导通。

如果输入电压uI在0V到VDD之间变化，输出电压uO被限制在0V和VDD-UTN之间，输出电压达不到电源值。结论：NMOS传输一个强逻辑0，传输弱逻辑1

PMOS传输一个强逻辑1，传输弱逻辑0

数字电路中，逻辑0的理想电平为0V，逻辑1的理想电平为电源电压。12.1

半导体器件的开关特性2.CMOS反相器PMOS和NMOS在电气和逻辑特性上互补，可以很方便的组成逻辑电路，称之为CMOS电路。

一个NMOS和一个PMOS组成一个互补对12.1

半导体器件的开关特性

uIT1T2+－g2g1s2d2

uO+－d1s1+VDDa.当uI为低电平时输出电压为高电平UOH≈VDD由于MOSFET在截止时，其漏源极间的等效电阻109Ω以上，而导通时，其等效电阻仅几千欧。T1管截止，T2管导通。输出为逻辑112.1