半导体器件的开关特性
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数字电路中的晶体二极管、晶体三极管（简称BJT）和MOS管等器件一般是以开关方式运用的。研究这些器件的开关特性时，除了要研究它们在导通与截止两种状态下的静止特性外，还要分析它们在导通和截止状态之间的转变过程，即动态特性。 一、晶体二极管的开关特性 1．静态特性 二极管的静态特性表现为：正向导通（外加 2．动态特性 二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性。由于晶体管内部电荷的“建立”和“消散”都需要一个过程，所以完成两种状态之间的转换需要一定的时间。通常把二极管从正向导通到反向截止所需要的时间称为反向恢复时间，而把二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。相比之下，开通时间很短，一般可以忽略不计。因此，影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间： 反向恢复时间tre＝存储时间ts＋渡越时间tt 二、晶体三极管（BJT）的开关特性 1．静态特性 晶体三极管（BJT）由集电结和发射结两个PN结构成。根据两个PN结的偏置极性，三极管有截止、放大、饱和3种工作状态。通过输入电压vI对基极电压加以控制，可使三极管工作在截止、放大、饱和3种工作状态。在数字电路中，三极管被作为开关元件工作在饱和与截止两种状态，相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”。 截止状态：当输入电压vI小于晶体管阈值电压VTH时，晶体管工作在截止状态，此时，晶体三极管类似于开关断开。 饱和状态: 当输入电压vI大于某一数值，使得晶体管的发射结和集电结均处于正偏时，晶体管工作在饱和状态，此时，晶体三极管类似于开关接通。 图2给出了一个简单的NPN晶体三极管共射极开关电路和对应的输出特性曲线。
图2 2．动态特性 晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特性。三极管和二极管一样，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，饱和与截止两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。晶体三极管动态特性通常用“开通时间”和“关闭时间”衡量。 开通时间: 指三极管从截止到饱和导通所需要的时间，记为tON。 开通时间tON＝延迟时间td＋上升时间tr 关闭时间: 指三极管从饱和导通到截止所需要的时间，记为tOFF。
三、MOS管的开关特性 MOS集成电路的基本元件是MOS管。MOS管是一种电压控制器件，它的3个电极分别称为栅极(G)、漏极（D）和源极（S），由栅极电压控制漏源电流。MOS管根据结构的不同可分为P型沟道MOS管和N型沟道MOS管两种，每种又可按其工作特性进一步分为增强型和耗尽型两类。 1．静态特性 MOS管作为开关应用时，同样是交替工作在截止与饱和两种工作状态。 N沟道增强型MOS管的开关特性为：当栅源电压vGS＜开启电压VTN时，管子工作在截止状态，类似于开关断开；当栅源电压vGS＞开启电压VTN（大约在1～2V之间），且漏源电压加大到一定程度，满足vDS≥vGS-VTN时，管子工作在饱和状态，类似于开关接通。 P沟道增强型MOS管与N型沟道增强型MOS管所不同的是，其工作电压vGS和vDS均为负电压，开启电压VTP一般大约在-2.5～-1.0V之间。 2．动态特性 MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性主要取决于与电路有关的电容充、放电所需的时间，而MOS管内部电荷“建立”和“消散”的时间很短。 |
电压vD＞门槛电压VTH，一般锗管约0.3V，硅管约0.7V），相当于开关闭合；反向截止（外加电压vD＜门槛电压VTH），相当于开关断开。图给出了一个硅二极管电路和对应的静态特性曲线。
