2-1半导体元器件的开关特性
半导体的基本知识
第1章 半导体的基本知识1.1 半导体及PN 结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。
半导体器件是构成电子电路的基础。
半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。
顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。
1.1.1 半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
通常将很容易导电、电阻率小于410-Ω•cm 的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Ω•cm 的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在410-Ω•cm ～1010Ω•cm 范围内的物质，称为半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。
1、热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。
半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。
例如纯净的锗从20℃升高到30℃时，它的电阻率几乎减小为原来的1／2。
而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10℃时，它的电阻率几乎不变。
2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。
一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。
自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。
而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。
3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。
在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之—。
(一)半导体的开关特性_电子技术_[共3页]
![(一)半导体的开关特性_电子技术_[共3页]](https://img.taocdn.com/s3/m/b3da9dd2cc175527072208f9.png)
电子技术 146 路的进一步理解。
了解各种集成逻辑门电路的结构，掌握集成逻辑门电路的引脚识别、逻辑功能及其测试方法是学好逻辑门电路的关键。
二、相关知识（一）半导体的开关特性一个理想的开关接通时，其电阻为零，在开关上不产生压降；开关断开时，其电阻为无穷大，开关中没有电流流过，而且开关接通与断开的速度非常快时，仍能保持上述特性。
数字逻辑器件中的半导体器件一般都工作在开关状态。
1．半导体二极管的开关特性二极管加正向电压时导通，加反向电压时截止。
利用其单向导电特性，在数字电路中常将二极管作为受外加电压控制的开关使用。
（1）二极管的静态特性。
二极管开关电路原理图如图7-14所示。
二极管承受正向电压（正向偏置）时导通，其中硅二极管大于死区电压约0.5V ，锗二极管大于死区电压约0.3V 。
当二极管完全导通时，等效为一个具有0.7V 电压降的闭合开关；当二极管承受反向电压（反向偏置）时截止，等效为一个断开的开关。
理想二极管导通时等效为闭合的开关（电阻为零），如图7-15（a ）所示；二极管截止时等效为断开的开关，如图7-15（b ）所示。
图7-14 二极管开关电路原理图 图7-15 理想二极管开关等效电路 二极管的导通条件为D 0.5V u ＞；导通特点为D 0.7V u ≈。
理想二极管的导通条件为D 0u ＞；导通特点为D 0u =。
二极管的截止条件为D 0.5V u ＜；截止特点：D 0i ≈。
理想二极管的截止条件为D 0u ≤；截止特点为D 0i =。
可见，二极管的导通和截止取决于加到二极管上的电压。
实用中当输入电压u i 较高时，图7-14所示开关电路中二极管可近似为理想二极管。
当输入为高电平时二极管导通，u D 两端输出低电平；当输入低电平时，二极管截止，u D 两端输出高电平。
（2）二极管的动态特性。
二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性称为动态特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要时间。
二极管的动态开关特性如图7-16所示。
数字电路 第二章门电路
DA
DB B
DC
Y
C
R
–5v
第2章 2.2
由以上分析可知： 只有当A、B、C全为 低电平时，输出端才 为低电平。正好符合
或门的逻辑关系。
A
B C
>1
Y
Y= A+B+C
三、 非门电路
第2章 2.2
RA A
RB
+5V
Rc uY=0.3V 设 uA= 3.6V，T饱和导通
• Y
uY= 0.3V
T
Y= 0
3. CMOS与非门
TP1 与TP2并联，TN1 与TN2串联；
当AB都是高电平时TN1 与TN2
TP2
同时导通TP1 与TP2同时截止；
输出Y为低电平。
当AB中有一个是低电平时， B
TN1 与TN2中有一个截止，
TP1 与TP2中有一个导通， 输出Y为高电平。
A
第2章 2. 3
+VDD
TP1 Y
正逻辑：L=0,H=1 ； 负逻辑：H=0,L=1 。
2. 1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性
一、理想开关的开关特性： 1 .静态特性 2. 动态特性
二、半导体二极管的开关特性 1.静态特性：
半导体二极管的结构示意图、符号和伏安 特性
一、二极管等效模型
(b)为理想二极管+恒压源模型 (c)为理想二极管模型
当D、S间加上正 向电压后可产生 漏极电流ID 。
第2章 2. 1
UDS
。
S UGS G
D ID
N++
NN++
N型导电沟道
耗尽层
第2章半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性培训讲学
0.3V
2.1.4 MOS管的开关特性
输入特性和输出特性：
输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动 态有影响。 输出特性：iD = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。
(a) 符号
(b) 漏极特性
漏极特性曲线（分三个区域）
① 截止区：VGS<VGS(th)，iD = 0, ROFF > 109Ω
工作状态 条件
偏置情况
工
作 集电极电流
特
点
ce 间电压
ce 间等效电阻
截止 iB＝0 发射结反偏 集电结反偏 uBE<0，uBC<0 iC＝0
uCE＝VCC
很大， 相当开关断开
放大 0＜iB＜IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE>0，uBC<0
iC＝βiB
uCE＝VCC－ iCRc
可变
饱和
iB＞IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0，uBC>0
+VCC Rc iC
Rb b c uo
ui
iB
e
iB(μA)
iC (mA) 直流负载线
VCC Q2 Rc
饱 和 区
放
Q
大
区
80μA 60μA 40μA 20μA Q1 iB=0
工作原理电路
0 0.5 uBE(V)
输入特性曲线
0 UCES
VCC uCE(V)
截止区
输出特性曲线
NPN 型三极管截止、放大、饱和 3 种工作状态的特点
2.1.2 半导体二极管的开关特性 高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0
• VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC
微电子器件(2-1)
Emax
s
qN0
Emax
（2-8）
式中，N0
NA ND NA ND
称为 约化浓度。
4、内建电势
对内建电场作积分可得 内建电势（也称为 扩散电势）Vbi
Vbi
xn E(x) dx
xp
1 2
xn xp
Emax
s
2qN0
E2 max
1
或
Emax
2qN0
2
1
xn
s
qND
Emax
2
q
s
ND
NA (NA
ND )
Vbi
2
1
xp
s
qNA
Emax
2s
q
NA
ND (NA
ND
)
Vbi
2
1
xd xn xp
2Vbi Emax
2 s
qN0
Vbi
2
5、单边突变结的情形 对于 P+N 单边突变结，
3、耗尽区宽度
在 x = 0 处，内建电场达到最大值，
q
q
E(0)
Emax
s
xn ND s
xp NA
由上式可求出 N 区与 P 区的耗尽区宽度 及 总的耗尽区宽度，
xn
s
qND
Emax
xp
s
qNA
Emax
（2-6） （2-7）
xd
xn
半导体二极管的开关特性_数字逻辑电路基础_[共2页]
![半导体二极管的开关特性_数字逻辑电路基础_[共2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/3c1a152904a1b0717ed5ddcb.png)
40 数字逻辑电路基础1．静态特性静态特性是指处于闭合状态或关断状态时，开关所具有的特性。
（1）理想开关处于断开状态时，开关的等效电阻R OFF =∞。
因此，无论U AK 在多大范围内变化，理想开关S 上通过的电流I OFF =0。
（2）理想开关处于闭合状态时，开关的等效电阻R ON =0。
因此，无论流过开关的电流在多大范围内变化，理想开关S 两端的电压U AK =0。
2．动态特性动态特性是指理想开关由断开状态转换到闭合状态，或由闭合状态转换为断开状态时，理想开关所呈现的特性。
（1）理想开关S 的开通时间t ON =0。
说明由断开状态转换到闭合状态时，理想开关不需要时间，可以瞬间完成。
（2）理想开关S 的关断时间t OFF =0。
说明由闭合状态转换到到断开状态时，理想开关也不需要时间，可以瞬间完成。
显然，上述理想开关S 在客观世界中是不存在的。
日常生活中的机械开关，如按压式的家庭用开关，推拉式的刀闸开关，控制电路通、断的继电器触点、接触器触点等，在一定电压和电流的范围内，静态特性与理想开关十分接近，但动态特性较差，完全满足不了数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。
而由二极管、三极管构成的电子开关，其静态特性比机械开关的特性稍差，但它们的动态特性却是机械开关无法比拟的，基本上可以满足数字电路对开关的要求。
因此，作为电子开关的二极管、三极管和MOS 管广泛应用于数字电路中。
2.1.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的核心部分是一个PN 结，因此具有“单向导电”性。
当二极管处于正向偏置时，开关二极管导通。
导通二极管的电阻很小，为几十至几百欧，相当于一个闭合的电子开关；二极管处于反向偏置时呈截止状态。
截止时，二极管的电阻很大，一般硅二极管在10M Ω以上，锗二极管也有几十千欧至几百千欧，相当于一个断开的电子开关。
半导体二极管的开关特性在数字电路中起控制电流接通或关断的作用。
1．静态特性二极管的静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。
开关二极管的工作原理
开关二极管的工作原理一、引言开关二极管，也称为二极管开关，是一种电子元件，具有非线性特性。
它可以在电路中实现开关功能，常用于电源管理、信号调理和逻辑电路等应用中。
本文将详细介绍开关二极管的工作原理。
二、二极管基础知识1. 二极管结构开关二极管由两个半导体材料组成，一个是P型半导体，另一个是N型半导体。
这两个半导体材料通过PN结相连接，形成一个二极管。
2. PN结PN结是由P型半导体和N型半导体之间的结构形成的。
在PN结中，P型半导体的电子浓度比空穴浓度高，而N型半导体的空穴浓度比电子浓度高。
这种不平衡的电子和空穴浓度形成为了一个电场，称为内建电场。
3. 二极管的工作原理当二极管处于正向偏置时，即P端为正电压，N端为负电压，内建电场会被外加电压抵消，导致PN结区域的电阻变小，电流可以通过。
这种状态下，二极管处于导通状态。
当二极管处于反向偏置时，即P端为负电压，N端为正电压，内建电场会被外加电压增强，导致PN结区域的电阻变大，电流无法通过。
这种状态下，二极管处于截止状态。
三、开关二极管的工作原理开关二极管是一种特殊设计的二极管，它可以在导通和截止状态之间快速切换。
其工作原理如下：1. 导通状态当二极管处于导通状态时，外加的正向电压足够大，使得PN结区域电阻变小，电流可以通过。
在导通状态下，开关二极管相当于一个导线，电流可以自由地流过。
2. 截止状态当二极管处于截止状态时，外加的反向电压使得PN结区域电阻变大，电流无法通过。
在截止状态下，开关二极管相当于一个断路器，电流无法流过。
3. 快速切换开关二极管之所以能够快速切换，是因为它具有较短的恢复时间和较小的开关延迟。
恢复时间是指二极管从导通状态到截止状态的时间，开关延迟是指二极管从截止状态到导通状态的时间。
这些特性使得开关二极管能够在高频率的应用中有效地工作。
四、开关二极管的应用开关二极管具有快速开关速度和低开关损耗的特点，因此在许多电子设备中得到广泛应用，包括但不限于以下几个方面：1. 电源管理开关二极管可用于电源管理电路中的整流和反向保护。
第1章半导体元件及其特性
退出
注意： 注意： 半导体与导体不同， 半导体与导体不同，内部有两种载 流子参与导电——自由电子与空穴。在 流子参与导电 自由电子与空穴。 自由电子与空穴 外加电场的作用下， 外加电场的作用下，有： I=In（电子电流）+Ip（空穴电流） 电子电流） 空穴电流） 空穴导电的实质是价电子的定向移动！ 空穴导电的实质是价电子的定向移动！
这四个价电子不仅受自身原子核的束缚， 这四个价电子不仅受自身原子核的束缚，还受到相邻 原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示： 原子核的吸引，从而形成了共价键结构，如下图所示： 价电子（热激发） 价电子（热激发） 自由电子-空穴对 自由电子 空穴对 复合 平衡
（1）温度越高，自由电子 空穴 ）温度越高，自由电子-空穴 对数目越多； 对数目越多； 空穴数目相等， （2）自由电子 空穴数目相等， ）自由电子-空穴数目相等 对外不显电性。 对外不显电性。 硅（锗）原子在晶体中的共价键排列
退出
1.1.1 半导体的特点
1.半导体的特点 半导体的特点 半导体是制造电子器件的主要原料， 半导体是制造电子器件的主要原料，它的广泛应用不是 因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间， 因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是它的电阻率 可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。 可以随温度、光照、杂质等因素的不同而呈现显著的区别。
第 1 章
半导体元件及其特性
半导体基础知识与PN结 半导体基础知识与 结 二极管 晶体管 场效应管 本章小结
退出
1.1
半导体基础知识 PN结 与PN结
主要要求： 主要要求：
了解半导体材料的基本知识 了解半导体材料的基本知识 半导体 理解关于半导体的基本概念 理解关于半导体的基本概念 半导体 理解PN结的形成 理解PN结的形成 PN 掌握PN结的单向导电作用 掌握PN结的单向导电作用 PN
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
当输入信号为高电平，即 VI=VCC 时， D 截止， VO=VCC为高电平； 当输入信号为低电平，即 VI=0时， D导通， VO=0.7V为低电平。
主 题 半 导 体 元 器 件 的 开 关 特 性
二、晶体管的开关特性
当半导体三极管工作在饱和状态时，三极管的集电极与发射极之间的压降近似 等于0.3V，相当于开关闭合；当半导体三极管工作在截止状态时，三极管的 集电极与发射极之间的电阻近似等于无穷大，相当于开关断开。。 当输入信号为高电平，即VI=3V 时，三极管工 作在饱和状态，这时三极管c和e间相当于一个 闭合的开关，VO≈0.3V为低电平；
当输入信号为低电平，即VI=0V时，三极管工作 在截止状态，这时三极管 c 和 e 间相当于一个断 开的开关，VO=5V为高电平。
主 题 半 导 体 元性
当 时，MOS管工作在截止区，这时MOS管D和S间 相当于一个断开的开关，只要负载电阻 （MOS管截止 内阻）， ，输出为高电平； 当 ，且 持续升高以后，MOS管的导通内阻 变 得很小（在1千欧以内），只要 ，则开关电路的 输出端将变为低电平，这时MOS管D和S间相当于一个 闭合的开关。
门电路是构成数字电路的基本逻辑单元 ，常用的基本门电路在逻辑功能上
本次课主要内容
二极管的开 关特性
晶体管的开 关特性
MOS管的 开关特性
第一点
第二点
第三点
主 题 半 导 体 元 器 件 的 开 关 特 性
一、二极管的开关特性
半导体二极管的单向导电性：即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止， 所以它就相当于一个受外加电压极性控制的开关。
半导体元器件的开关特性
数字电子技术之
主讲教师：谢永超
湖南铁道职业 技术学院作品
学习导入
有与门、或门和非门。还有实现复合逻辑运算的与非门、或非门、与或非门、异或门 和同或门等。门电路的输入和输出都只有两种状态，即高电平和低电平。获得高、低 电平的基本原理可以用下图所示的电路实现。 当开关S闭合时，输出电压VO为低电平； 当开关S断开时，输出电压 VO等于电压电 压Vcc，则为高电平。 开关S可以用半导体二极管、三极管和 MOS 管等半导体开关器件代替。
谢谢观看
湖南铁道职业 技术学院作品