第2章 理想开关和半导体开关讲解
ch2 第二章 门电路
iD /mA -2 可 变 电 阻 区
P沟道增强型MOS管 与N沟道增强型MOS 管是对偶关系。
P沟道增强型
-10 -8 -6 -4 - 2V - 3V - 4V 恒流区 uGS = - 5V
0
UTP
iD /mA
v /V -6 -4 -2 0 -1 vDS /V -1 GS -2 -2 -3 -3 -4 -4 UDS= - 6V
uO U CES 0.3V U OL
c
iB I BS T 饱和
饱和导通时，c-e之间相当于开关闭合。
b
e
总结：三极管c-e之间相当于一个受uI控制的开关。 截止时，c-e之间相当于开关断开； 饱和导通时，c-e之间相当于开关闭合。
二、动态特性 3 0
三极管饱和程度 t of f
N沟道MOS管
MOS管 P沟道MOS管 耗尽型 耗尽型 增强型
一、 静态特性
1.结构与符号 S
N+
G
D
N+
用扩散的方法 用金属铝引出 在绝缘层上喷金 在硅片表面生一 制作两个 层薄 属铝引出栅极 SiO N区 G 源极 S和漏极 D 2绝缘层 S --- 源极 Source G --- 栅极 Gate D --- 漏极 Drain D B S 符号
理想情况 等效伏安特性
2.静态开关特性 (1)外加正向电压(正偏)时
A
+
UD ID
-
K
二极管导通(相当于开关闭合) A + (2)外加反向电压(反偏)时 二极管截止(相当于开关断开) A 3.开关特性
0.7V
K K
例：电路如图所示，UI=-2V或3V时，试判别二极管的工 作状态及输出电压。 D UI=UIL=-2V时 D截止 UO=0V + + uI uO UI=UIH =3V时 D导通 UO=2.3V -
半导体器件的开关特性
饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型值为：VCES≈0.3V。
三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB＞IBS 电压条件为：集电结和发射结均正偏
+VCC RC iC Rb
+ 1
iC VCC/RC ICS
+
IB5 E D C B A 0.7V V IB4 = IBS IB3 IB2 IB1 IB= 0 v
2．二极管开关的动态特性
给二极管电路加入 一个方波信号，电流的 波形怎样呢？
D +
i RL
i IF 0 IR ts tt
0.1 I R
vI
－
ts为存储时间，tt称为渡越时间。
tre＝ts十tt称为反向恢复时间
(c)
t1
t
反向恢复时间：tre＝ts十tt
产生反向恢复过程的原因： 反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。
零偏，称为临界饱和状态，对应E点。此时的集电极电流用ICS表示，基极 电流用IBS表示，有: VCC - VCE VCC - 0.3V VCC I I CS VCC BS I CS RC R R R
C C C
饱和状态
再减小Rb ， IB 会继续增加，但IC 不会再增加，三极管进入饱和状态。
V uBE 3 - 0.7 IB I 0.023( mA) Rb 100 V uCES 12 - 0.3 I BS CC 0.0195( mA) RC 6010
+VCC （+12V） RC 10kΩ Rb
1 + 3 T 2 +
∵IB＞IBS ∴三极管饱和。 V 12 I C I CS CC 1.2(mA) RC 10
第2章半导体电力开关器件
电力电子学——电力电子变换和控制技术（第二版）第 2 章半导体电力开关器件2 半导体电力开关器件2.1 电力二极管2.2 双极结型电力晶体管BJT2.3 晶闸管及其派生器件2.4 门极可关断晶闸管GTO2.5 电力场效应晶体管P－MOSFET2.6 绝缘门极双极型晶体管IGBT*2.7 *2.8 自学2.9 半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结2.1 电力二极管电力二极管实物图2.1.1 半导体PN结P型、N型半导体和PN结2.1.2 半导体二极管基本特性—单向导电性✓正向接法时内电场被削Array弱，扩散运动强于漂移运动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。
✓反向接法时内电场被增强，漂移运动强于扩散运动，光热激发形成的少数载流子导电，等效电阻很大。
半导体二极管的符号及正反向接法正向接法反向接法二极管伏-安特性)1(/-=T V V S e I I 一般表达式：SR I I =反向时的表达式：TV V S F e I I /=正向时的表达式： Is ：反向饱和电流RC K(N)A(P)PN结高频等效电路2.1.3 半导体电力二极管重要参数半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量二极管使用过程中：✓是否被过压击穿✓是否会过热烧毁✓开关特性额定电流的定义：其额定发热所允许的正弦半波电流的平均值 。
⎰⎰⎰==⋅==πππωωπωωωω002/01)()sin(21 )()sin(1 )sin(1m m m T m FR I t d t I t d t I T t d t I T I 当正弦半波电流的峰值为I m 时，它可用下式计算：m m T m Frms I t d t I dt t I T I 21)()(sin 21)(sin 10222/022=⎰=⎰=ωωπωπ当正弦半波电流的峰值为I m 时，它可用下式计算： 最大允许全周期均方根正向电流的定义： 当二极管流过半波正弦电流的平均值为I FR 时，与其发热等效的全周期均方根正向电流I Frms 称为最大允许全周期均方根正向电流。
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
理想开关的开关特性静态特性PPT课件
Rc 2 k
Rb
iC iB
+
3V 2.3 k
uI
T
+
100 uo
-2V
(2) uI UI H 3 V
发射结正偏 T 导通
放大还 是饱和？
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饱和导通条件：
+VCC
iB
IBS
VCC
Rc
+12V Rc 2 k
iB
uI
uBE Rb
(uBE
0.7 V)
3 0.7 mA 1 mA
iD /mA
iD /mA
漏极 D
可 4变
uGS = 6V
4
uDS = 6V
栅极 G +uG -
iD +
B 衬
uD S-
底
S 源极 S
3 2
电
阻 区
恒流区
1
0 2 468
截止区 漏极特性
3 开启电压
5V
4V 3V
2 UTN = 2 V 1 UTN
10 uDS /V 0 2 4 6 uGS /V 转移特性
+3V
uI
-2V
Rb
iC iB
2.3 k
T
+
100 uo
2.3
IBS
ICS
VCC UCES
Rc
VCC
Rc
12 mA 100 2
0.06 mA
因为 iB IBS 所以 T 饱和 uO UCES≤ 0.3 V
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二、动态特性
3 0 -2
uI / V
三极管饱和程度 toff
变 电
uGS = - 6V
半导体二极管的开关特性_数字逻辑电路基础_[共2页]
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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。
第2章逻辑门电路-PPT精选
逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用的 主要为集成逻辑门。
首先介绍晶体管的开关特性 着重讨论的TTL和CMOS门电路的
逻辑功能和电气特性
简要介绍其他类型的双极型和MOS门电路
2.1 晶体管的开关特性 在数字电路中,常将半导体二极管,三极管和场效应管
作 为开关元件使用。 理想开关: 接通时阻抗为零;断开时阻抗为无穷大;
1
VO
1
VI
VO 1输出 VOHmin
VNH VIHmin
0输出
VILman VNL
VOLman
VI
1输入 1输入
2.3.3 TTL与非门的静态输入与输出特性
1. 输入特性
1)输入伏安特性( II=f(Vi) ) 定义：电流流入T1的发射极
方向为正方向。
II(mA)
高电平输入
0.5 1.0 1.5 2.1 0
1.0
-15 -10 -5 0 5 10 15 I0(mA)
负载门的管脚的个数,即
IH=NIIH (IIH为负载门高电平输入电流,约为40μA左
右)
从曲线上看，当IO大于5mA时，VO才开始出现下降趋势， 但决定IOHmax值的并不是VOHmax,而是器件的功耗。在上 面讨论的电路中, IOHmax约为400mA。
在门输入端和地之间接电阻Ri,当电阻从0Ω逐步增加
时，由于电阻内部有电流流过,会使电阻两端电压Vi逐步
增加。
VCC
当T1管饱和导通时: Vi R1R iRi(VCC VB1E)
R1
4kΩ
T1
Roff≈0.9kΩ, Ron≈3kΩ。
Vi
Ri
当Ri小于R0ff时,输入为低 电平;当Ri高于Ron时,输入 为高电平。
Lec_2,3
6
小结 带负电的自由电子 带负电的自由电子 (1) 在半导体中有两种载流子 在半导体中有两种载流子 带正电的空穴 带正电的空穴
这就是半导体和金属导电原理的 这就是半导体和金属导电原理的 本质区别 半导体和金属导电 (2) 本征半导体的特点 a. 电阻率大 b. 导电性能随温度变化大 本征半导体不能在半导体器件中直接使用 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体? 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?
3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 结的形成及特性
1
第二讲 半导体基础知识
一,本征半导体 二,杂质半导体 三,PN结的形成及单向导电性 四,PN结的电容效应
2
一,本征半导体
1,什么是半导体?什么是本征半导体? ,什么是半导体?什么是本征半导体?
导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体. 导电性介于导体与绝缘体之间的物质为半导体. 导体-- --铁 铜等金属元素等低价元素, 导体--铁,铝,铜等金属元素等低价元素,其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流. 子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流. 绝缘体--惰性气体,橡胶等, --惰性气体 绝缘体--惰性气体,橡胶等,其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度才可能导电. 子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度才可能导电. 半导体-- --硅 ),锗 ),均为四价元素 半导体--硅(Si),锗(Ge),均为四价元素,它们原 ), ),均为四价元素, 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间. 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间. 本征半导体是纯净,晶体结构的半导体. 本征半导体是纯净,晶体结构的半导体. 无杂质 稳定的结构
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动态特性
iA 100%
90%
10%
0 td tr
t
uAK
IRM
O
t
trr
URRM tgr
2.5 电力晶体管
GTR的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组 成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的 良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其 它都因不易控制而难以应用于实践，称为光 控晶闸管（LTT）
晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管 广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接
且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
A
G
只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速 而可靠的控制手段
静态特性 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管才能开通
晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到
接近于零的某一数值以下
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导 电的情况分为三类： 1）单极型器件——由一种载流子参与导 电的器件 2）双极型器件——由电子和空穴两种载 流子参与导电的器件 3）复合型器件——由单极型器件和双极 型器件集成混合而成的器件
2.3 电力二极管
A K
A
K
PN
K
I
J
b)
A
a)
c)
3）不可控器件——不能用控制信号来控制其 通断，因此也就不需要驱动电路 电力二极管 只有两个端子，器件的通和断是由其在主 电路中承受的电压和电流决定的
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号 的 性质，分为两类： 1）电流驱动型——通过从控制端注入或者抽 出电流来实现导通或者关断的控制 2）电压驱动型——仅通过在控制端和公共端 之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关 断的控制 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的 电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的 电场来改变流过器件的电流大小和通断状态， 所以又称为场控器件(Field Controlled Device)， 或场效应器件
电力二极管的外形、结构和电气图形符号
I IF
O UTO UF
U
电力二极管的伏安特性
2.4 晶闸管
晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器（SCR） 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取 代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位
6 电力MOSFET
也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor——FET）
但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）
简称 电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶
第2章 理想开关和半导体开关
赵春柳
理想开关
1.开关处于关断状态时流过的漏电流为零 2.开关处于导通时开关的电压降为零 3.开关的关断状态和导通状态的切换时间为零
理想开关和半导体开关
开关导通时间 开关关断时间 开关动作时间
理想开关 电压降为零 完全关断
无
半导体开关 存在正向压降
存在漏电流 需要一定时间
2.1 用开关来进行电能变换
1.理想开关进行电能变换，其开关器件没有能量 损耗，半导体开关器件存在能量损耗； 2.用开关来进行电能变换的控制方式有移相控制 和PWM控制； 3.电能变换后一半采用LC低通滤波器来滤除高频 成分；在采用PWM控制方式中，LC滤波器在设 计时使其谐振频率为开关器件的开关频率的十分 之一左右。
饱和区
共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱 和区
在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止 区或饱和区
在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经 过放大区 Ic
放大区
ib3 ib2
ib1 ib1<ib2<ib3
截止区 O
Uce
共发射极接法图时1-G1T6R的输出特性
晶闸管的阳 极伏安特性
第I象限的是 正向特性
第III象限的 是反向特性
URSM URRM -UA
雪崩 击穿
IA 正向 导通
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
-IA
晶闸管阳极伏安特性 IG2>IG1>IG
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状 态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超 过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急 剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”， 一般不允许硬开通。
2.2 电力半导体器件的分类
按照器件能够被控制电路信号所控制的程度， 分为以下三类： 1）半控型器件——通过控制信号可以控制 其导通而不能控制其关断 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和 电流决定
2）全控型器件——通过控制信号既可控制其导 通又可控制其关断，又称自关断器件 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称 为电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）