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1、理想开关的开关特性假定图 所示 S 是一个理想开关，则其特性应如下：一、 静态特性（一） 断开时，无论 Uak 在多大范围内变化， 其等效电阻 Roff= 无穷，通过其中的电流 Ioff=0 。（二） 闭合时， 无论流过其中的电流在多大范围内变化， 其等效电阻 Ron=0 ，电压 Uak=0 。二、 动态特性（一） 开通时间 Ton=0 ，即开关 S 由断开状态转换到闭合状态不需要时间， 可以瞬间完成。（二） 关断时间 Toff=0 ，即开关由闭合状态转换到断开状态哦也不需要时间，亦可以瞬间 完成。客观世界中，当然没有这种理想开关存在。日常生活中使用的乒乓开关、继电器、接触器等， 在一定电压和
2、电流范围内，其静态特性十分接近理想开关， 但动态特性很差，根本不 可能满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。 虽然， 半导体二极管、 三极管 和 MOS 管作为开关使用时，其静态特性不如机械开关， 但其动态特性却是机械开关无法比 拟的。半导体二极管的开关特性半导体二极管最显著的特点是具有单向导电特性。一、 静态特性（一） 半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性1 结构示意图和符号如图 所示，是半导体二极管的结构示意图和符号。半导体二极管是一种两层、一结、两端器件，两层就是P型层和N型层、一结就A, 个引出端称为阴极内部只有一个 PN 结，两端就是两个引出端，一个引出端叫做阳极 K
3、。2. 伏安特性反映加在二极管两端的电压Ud和流过其中的电流Id两者之间关系的曲线，叫做伏安特性曲线，简称为伏安特性。图给出的是硅半导体二极管的伏安特性。从图所示伏安特性可清楚地看出，当外加正向电压小于0.5V时，二极管工作在死区，仍处在截止状态。只有在Ud大于0.5V以后，二极管才导通，而且当 Ud达到0.7V后，即使Id在很大范围内变化，Ud基本不变。当外加反向电压时，二极管工作在反向截止区，但 当Ud达到U(BR)反向击穿电压时，二极管便进入反向击穿区，反向电流Ir会急剧增加，若不限制lr的数值，二极管就会因过热而损坏。(二) 半导体二极管的开关作用1. 开关应用举例图给出的是最简单的硅
4、二极管开关电路。输入电压为u1，其低电平U1L=-2V，高电平为U伯=3V。(1) u仁 U1L=-2V 时半导体二极管反偏，D处在反向截止区，如同一个断开了的开关， 直流等效电路如图( b)所示，显然，输出电压为 0V，即uo=0。(b)(2) u仁 U1H=3V 时半导体二极管正向偏置， D 工作在正向导通区，其导通压降 UD=0.7V ，如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图( C)所示，显然输出电压等于 U1H减去 UD，即 uo=U1H-UD=(3-0.7)V=2.3V2 状态开关特性通过对最简单的二极管开关电路的分析可知， 硅半导体二极管具有下列静态开关特性：(
5、1 ) 导通条件及导通时的特点当外加正向电压 UD0.7V 时，二极管导通， 而且一旦导通之后， 就可以近似地认为 UD=0.7V 不变，如同一个具有 0.7V 压降的闭和了的开关。在有些情况下，例如在图所示电路中， 当 u1=U1H 很大时， 便可近似地认为 uo=U1H ，即忽略二极管导通压降。( 2 ) 截止条件及截止时的特点当外加电压 UD0.5V 时，二极管截止，而且一旦截止之后，就近似地认为 ID=0，如同一个断开了的开关。二、 动态特性(一) 二极管的电容效应1 结电容 Cj二极管中的 PN 结里有电荷存在，其电荷量的多少是受外加电压影响的，当外加电压改变时， PN 结里面电荷量
6、也随之改变，这种现在与电容的作用很相似，并用电容Cj 表示，称之为结电容。2 扩散电容 CD当二极管外加正向电压时，P区中的多数载流子空穴，N区中的多数载流子电子，越过 PN 结后，并不是立即全部复合掉，而是在 PN 结两边积累起来，形成一定浓度梯度分 布，靠近结边界处浓度高，离边界越远浓度越低。也即在 PN 结边界两边，因扩散运动而积 累了电荷， 而且其电荷量 （存储电荷量） 也随之成比例地增加。这种现象与电容的作用也很 相似，并用 CD 表示，称之为扩散电容。Cj 和 CD 的存在，极大地影响了二极管的动态特性。无论是开通还是关断，伴随着Cj 、CD的充、放电过程，都要经过一段机延迟时间才
7、能完成。（二） 二极管的开关时间1 简单二极管开关电路及 u1 和 iD 的波形如图 所示是一个最简单的二极管开关电路及相应的u1 和 iD 的波形。2 开通时间 ton当输入电压 u1 由 U1L 跳变到 U1H 时，二极管 D 要经过导通延迟时间 td=t2-t1 、上 升时间 tr=t3-t2 之后，才能由截止状态转换到导通状态。其原因在于，当 u1 正跳变时，只 有当 PN 结中电荷量减少， PN 结由反偏转换到正偏， 也即 CB 放电后， 二极管 D 才会导通， 此后流过二极管中的电流 iD 也只能随着扩散存储电荷的增加而增加，也即随着 CD 的充电 而增加，并逐步达到稳态值ID=（
8、 U1H-UD ） /R。所以半导体二极管的开通时间为 ton=td+tr3 关断时间 toff当输入电压u1由U1H跳变到U1L时，二极管D经过存储时间ts=t5-t4、下降时间（也叫作度越时间）tf=t6-t5之后，才会由导通状态转换到截止状态。ts是存储电荷消散时间，tf是PN结由正偏到反偏，PN结中电荷量逐渐增加到截止状态下稳态值的时间，也即 CD放电、Cj充电的时间。关断时间toff也叫做反向恢复时间，常用trr表示。由于半导体二极管的开通时间ton比关断时间toff短得多，所以一般情况下可以忽略不计，而只考虑关断时间， 也即反向恢复时间。 一般开关二极管的反向恢复时间有几个纳秒。
9、例如， 用于高速开关电路的平面型硅开关管 2CK 系列， trr=5ns 。半导体三极管的开关特性半导体三极管最显著的特点是具有放大能力，能够通过基极电流iB 控制其工作状态，是一种具有放大特性的由基极电流控制的开关元件。一、 静态特性一） 结构示意图、符号和输入、输出特性1. 结构示意图和符号BoY = A B(b)图给出的是硅NPN半导体三极管的结构示意图和符号 半导体三极管是一种具有三层、两结、三端的器件。三层分别是发射区、基区和集电区，两结是发射结 J2、集电结J1，三端是发射极 e、基极b和集电极c。2. 输入特性输入特性指的是基极电流 iB和基极-发射极间电压uBE之间的关系曲线，
10、也即反映函数iB=f(uBE)|uBE 的几何图形，见图。与半导体二极管的伏安特性相似，当uBE大于死区电压 UO=0.5V时，发射结开始导通，当uBE=0.7V时，即使iB在很大范围内变化，uBE基本维持不变。需要指出的是，半导体三极管发射结承受反向电压的能力是很差的，集电极开路时发射-基极间的反向击穿电压 U(BR)EBO，般合金管较高，平面管尤其是高频管只有几伏，有的 甚至不到1V。3. 输出特性输出特性指的是集电极电流iC和集电极-发射极间电压uCE之间的关系曲线，也即反映函数iC=f(uCE)|iB 的几何图形，如图 所示。输出特性非常清晰地反映了iB对iC的控制作用。在数字电路中，
11、半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。（二） 半导体三极管的开关应用1.开关应用举例图给出的是一个最简单的硅半导体三极管开关电路。输入电压为uI，其低电平UIL= -2V，高电平为 UIH=3V。在图所示电路中，不难看出，当uI=UIL=-2V时，三极管T发射结处于反向偏置，T为截止状态，iB=0、iC=0、uO=VCC=12V。当u1=U1H=3V时三极管是导通的，基极电流iB=1 mA临界饱和时的基极电流IBS=0.06 mAICS是半导体三极管 T饱和导通时的集电极电流，UCES是T饱和导通时集电极到发射极的电压降，对于开关管，总是小于或等
12、于0.3B，即UCES=0.3V由估算结果知，iB远大于IBS，所以T深度饱和，贝UuO=UCES=0.3V人们一般把iB与IBS之比q叫做饱和深度，也即 图所示电路中，三极管的饱和深度q=16.6 2 静态开关特性通过对图 所示简单开关电路的分析可知， 半导体三极管具有下列静态开关性：(1 ) 饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件： 三极管基极电流 iB 大于其临界饱和时的数值 IBS 时，饱和导通即若 时，三极管一定饱和。饱和导通时的特点：由输入特性和输出特性知道，对硅半导体三极管来说，饱和导通以后Ube=0.7B , Uce=UCE 0.3V如同闭合了的开关，其等效电路如图(a)所示。
13、( 2 ) 截止条件及截止时的特点截止条件：uBEUO=0.5V式中 U0 是硅管发射结的死区电压。 由硅三极管的输入特性图 知道，当 UbeU0=0.5V 时，管子基本上是截止的，因此，在数字电路的分析估算中，常把 Ubeton ， 所以， 减少饱和和导通时基区存储电荷的数量， 尽可能地加速其消散过程， 也即缩短存储时 间 ts ，是提高半导体三极管开关速度的关键。开关三极管，例如 NPN 3DK 系列，其开关时间 ton 、 toff 都在几十纳秒量级。MOS 管的开关特性MOS 管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压 uGS 控制其工作状态的， 是一种具有放大特性的由电压 uGS 控制的开关元件。一、 静态特性（一） 结构示意图、符号、漏极特性和转移特性1 结构示意图和符号从图 所示结构示意图中可以看出， MOS 管是由金属 -氧化物 -半导体（ Metal-Ox-ide-Semiconductor ）构成的。在 P 型衬底上，利用光刻、扩散等方法，制作出 两个N+型区，并引出电极，分别叫做源极S和漏极D,同时在源极和漏极之间的二氧化硅SiO2 绝缘层上， 制作一个金属电极栅极 G ，这样得到的便是 N 沟道 MOS 管。
