3.2 半导体器件开关特性

在模拟电路中，二极管工作在正向导通或反向截止状态，晶体管工作在放大状态。在数字电路中，二极管、晶体管和场效应晶体管往往工作于截止或饱和状态，即工作于“开”或“关”的状态，是构成电子开关的基本器件。

3.2.1 半导体二极管的开关特性

半导体二极管是一种具有单向导电特性的半导体器件。当给二极管外加一定的正向电压时，二极管正偏导通，正向电阻很小；当外加反向电压时，二极管反偏截止，反向电阻很大，可近似看成一个开关。图3-3所示是硅半导体二极管的结构和伏安特性，它具有下列开关特性。

1.截止

当外加电压 u _D <0.5V时，二极管工作在死区，二极管截止， i _D ≈0，如同一个断开的开关。当外加反向电压大于 U _BR 时反向饱和电流会急剧增加，二极管就会因过热而击穿损坏。

2.导通

当外加正向电压 u _D >0.7V时，二极管导通，而且一旦导通之后，就可近似地认为 u _D ≈0.7V不变，如同一个具有0.7V电压降的闭合的开关。

3.2.2 晶体管的开关特性

在数字电路中，晶体管作为电子开关工作在截止和饱和状态，即工作于“开”或“关”的状态。NPN型晶体管开关电路如图3-4a所示。晶体管C、E两极之间相当于开关，其饱和及截止状态相当于开关的闭合及断开。晶体管的输出特性曲线如图3-4b所示。晶体管有截止、放大、饱和三种工作状态。

1.截止

当输入信号使 u _BE ＜ U _T =0.7V时（NPN型管），发射结和集电结均处于反向偏压下； i _B ≤0， i _C ≈0，晶体管截止，相当一个断开的开关。输出为高电平，输出特性如图3-4b所示，其等效电路如图3-5a所示。

2.饱和

随着输入电压 u _i （正电压）增大，当 i _B ≥ I _BS （ I _BS 称为临界饱和基极电流）时， i _B 增大， i _C 不再增大， i _C 达到最大值 I _CS （ I _CS 称为集电极饱和电流），晶体管进入饱和区。电路刚好饱和时，称为临界饱和，集电极和发射极之间的电压降 U _CES 很小（硅管约为0.3V，锗管约为0.1V），且集电结和发射结均处于正偏状态。根据图3-4a所示电路可以计算出：

晶体管饱和时，对于硅管来说， U _BES =0.7V， U _CES =0.3V，晶体管C、E极之间如同具有0.3V电压降的闭合开关，其等效电路如图3-5b所示。

3.2.3 场效应晶体管的开关特性

场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。FET又分为绝缘栅型场效应晶体管（IGFET）和结型场效应晶体管（JFET）两种类型。结型用于线性电路，绝缘栅型用于数字电路。现常用的绝缘栅型场效应晶体管是由金属-氧化物-半导体组成的，故又简称为MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）管。根据导电沟道不同，MOS管可分为N沟道和P沟道两类，简称为NMOS管和PMOS管，每一类又分为增强型和耗尽型两种。栅-源电压 u _GS 为零时漏极电流也为零的管子属于增强型管；栅-源电压 u _GS 为零时漏极电流不为零的管子属于耗尽型管。下面以N沟道增强型MOS管（增强型NMOS管）为例介绍其开关特性。

N沟道增强型MOS管的输入输出特性曲线如图3-6a所示，开关电路如图3-6b所示。N沟道增强型MOS管的开关特性如下：

1.截止

当 u _i = u _iL < U _T （ U _T ＞0，为开启电压）时，NMOS管截止，因为漏极和源极之间还未形成导电沟道，NMOS管如同一个断开的开关。 i _D =0， u _o = V _DD -i _D R _D ≈ V _DD = V _OH 。漏极D和源极S间呈现高电阻，约为10 ⁹ Ω以上，相当于开关断开，其等效电路如图3-6c所示。

2.导通

当 u _i = u _iH ＞ U _T 时，NMOS管是导通的，在数字电路中，NMOS管导通时，一般都工作在可变电阻区，其导通电阻 R _ON 只有几百欧，较小。由于场效应晶体管的导通电阻 R _ON ≪ R _D ，所以输出电压 = V _OL ≈0，即输出低电平。D极与S极之间相当于开关闭合，如图3-6d所示。

思考与练习

3.2-1 二极管作为开关应用时，呈现的瞬态开关特性与理想开关有哪些区别？

3.2-2 什么是晶体管的饱和状态？如何判断晶体管处于导通、饱和和截止状态？

3.2-3 数字电路中的晶体管工作在何种工作状态？它与放大电路中的晶体管有何不同？

3.2-4 数字电路中的场效应晶体管工作在何种工作状态？如何判断MOS管所处的工作状态？ 4+3GEecRP2QnZVYX4X2mCa/aEXt1vkSpSCx+zQvjFJrfz6Lc5PrNwx87KhniVZuo