电子电工第5章

第五章常用半导体元器件第一节半导体二极管第二节半导体三极管第三节场效应管第四节特殊三极管简介第五节晶闸管返回主目录第一节半导体二极管半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。常用的半导体有硅、锗等。一、PN结的形成纯净的半导体掺入微量元素后就成为杂质半导体。杂质半导体可分为Ｎ型半导体（掺入5价元素）和Ｐ型半导体（掺入3价元素）。半导体中参与导电的载流子有空穴和自由电子，Ｎ型半导体主要是利用自由电子导电，Ｐ型半导体主要是利用空穴导电。ＰＮ结是采用特定的制造工艺，使一块半导体的两边分别形成Ｐ型半导体和Ｎ型半导体，它们的交界面就形成ＰＮ结。ＰＮ结具有单向导电性正偏：在ＰＮ结上加正向电压时，ＰＮ结电阻很低，正向电流较大，ＰＮ结处于导通状态。反偏：加反向电压时，ＰＮ结电阻很高，反向电流很小，ＰＮ结处于截止状态。二、二极管的结构和符号半导体二极管，其结构与图形符号如图5-1，常见外形如图5-2。PN(阳极)外壳阴极引线阳极引线+-+-(阳极)(阴极)(阴极)a)b)VD图5-1二极管的结构与图形符号结构图形符号图5-2常见外形图三、二极管的伏安特性二极管的主要特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图5-3所示。（以正极到负极为参考方向）。1）外加正向电压很小时，二极管呈现较大的电阻，几乎没有正向电流通过。曲线段（或段）称作死区，点（或）的电压称为死区电压，硅管的死区电压一般为0.5V，锗管则约为0.1V。2）二极管的正向电压大于死区电压后，二极管呈现很小的电阻，有较大的正向电流流过，称为二极管导通，如段（或）特性曲线所示，此段称为导通段。从图中可以看出：硅管电流上升曲线比锗管更陡。二极管导通后的电压为导通电压，硅管一般为0.7V，锗管约为0.3V。1．正向特性2．反向特性1）当二极管承受反向电压时，其反向电阻很大，此时仅有非常小的反向电流（称为反向饱和电流或反向漏电流），如曲线段（或段）所示。实际应用中二极管的反向饱和电流值越小越好，硅管的反向电流比锗管小得多，一般为几十微安，而锗管为几百微安。2）当反向电压增加到一定数值时（如曲线中的点或点），反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿，此时对应的电压称为反向击穿电压，用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，曲线中段（或段）称为反向击穿区。通常加在二极管上的反向电压不允许超过击穿电压，否则会造成二极管的损坏（稳压管除外）。图5-3二极管的伏安特性四、二极管的主要参数（1）最大整流电流它是指二极管长期工作时所允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过这个数值，否则，将导致二极管因过热而永久损坏。（2）最高反向工作电压指二极管工作时所允许加的最高反向电压，超过此值二极管就有被反向击穿的危险。通常手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。（3）反向电流指二极管未被击穿时的反向电流值。越小，说明二极管的单向导电性能越好。对温度很敏感，温度增加，反向电流会增加很大。五、特殊二极管1．稳压二极管稳压二极管简称稳压管，它是一种用特殊工艺制造的面结合型硅半导体二极管，其图形符号和外形封装如图5-4所示。图5-4稳压二极管的图形符号与外形外形图形符号～范围内变化。稳压管的伏安特性曲线工作区域稳压管的应用使用时，阴极接外加电压的正极，阳极接外加电压负极，管子反向偏置，工作在反向击穿状态，利用它的反向击穿特性稳定直流电压。二极管在反向击穿状态下，流过管子的电流变化很大，而两端电压变化很小，稳压管正是利用这一点实现稳压作用的。稳压管工作时，必须接入限流电阻，才能使其流过的反向电流在～范围内变化发光二极管是一种光发射器件，能把电能直接转换成光能的固体发光器件，它是由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，其图形符号如图5-6a所示。由这些材料构成的ＰＮ结加上正偏电压时，PN结便以发光的形式来释放能量。发光二极管的种类按发光的颜色可分为红、橙、黄、绿和红外光二极管等多种，按外形可分为方形、圆形等。图5-6b是发光二极管的外形，它的导通电压比普通二极管高。2．发光二极管图5-6发光二极管的图形符号和外形图形符号外形发光二极管的应用应用时，加正向电压，并接入相应的限流电阻，它的正常工作电流一般为几个毫安至几十毫安。发光强度在一定范围内与正向电流大小近似成线性关系。发光二极管作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式，如用作微型计算机、音响设备、数控装置中的显示器。发光二极管的检测一般用万用表R×10k(Ω)档，通常正向电阻15kΩ左右，反向电阻为无穷大。3．光敏二极管光敏二极管又称光电二极管，其ＰＮ结工作在反偏状态。光敏二极管是一种光接收器件。它的管壳上有一个玻璃窗口以便接受光照，当光线辐射于ＰＮ结时，提高了半导体的导电性，在反偏电压作用下产生反向电流。反向电流随光照强度的增加而上升。其主要特点是反向电流与照度成正比。光敏二极管的图形符号和外形如图5-7所示。图5-7光敏二极管的图形符号和外形图形符号外形光敏二极管的应用光敏二极管可用于光的测量。当制成大面积光电二极管时，能将光能直接转换成电能，可作为一种能源使用，称为光电池。光敏二极管的检测通常用万用表R×1k(Ω)档检测，要求无光照时反向电阻大，有光照时反向电阻小，若电阻差别小，则表明光敏二极管的质量不好。4．变容二极管变容二极管是利用PN结的结电容可变原理制成的半导体器件,它仍工作在反向偏置状态。它的压—容特性曲线和图形符号如图5-8所示。二极管结电容大小除了与本身工艺有关外，还与外加电压有关。当反偏电压增加，结电容就减小，变容二极管是这种效应显著的二极管。由特性曲线可知，改变变容二极管直流反偏电压就可以达到改变电容量的目的。应用：变容二极管可用于高频电路，例如用作电视接收调谐回路中的可变电容器，用改变直流偏压的方法来选择频道。图5-8变容二极管的图形符号和特性图形符号压—容特性第二节半导体三极管一、晶体管的结构和符号1．结构和符号晶体管的结构示意图如图5-9a所示，分为NPN型管和PNP型管。为了收集发射区发射过来的载流子以及便于散热，要求集电结面积较大，发射区多数载流子的浓度比集电区大，因此使用时集电极与发射极不能互换。晶体管的图形符号如图5-9b所示，符号中的箭头方向表示发射结正向偏置时的电流方向。半导体三极管又称晶体三极管或双极型晶体管，简称晶体管。图5-9晶体管的结构和图形符号结构图形符号2．外形图5-10几种常见的晶体管的外形结构1．晶体管的工作电压图5-11晶体管的工作电压NPNPNP图5-12晶体管电流的实验电路2．晶体管各个电极的电流分配实验电路如图5-12所示。此电路称为晶体管的共发射极放大电路。4.053.182.361.540.72<0.01/mA3.953.102.301.500.70<0.01/mA0.100.080.060.040.020/mA表5-1晶体管电流测量数据从表5-1中的实验数据可以找出晶体管各极电流分配关系（5-1）3．晶体管的电流放大作用从表5-1中的实验数据还可以看出：>，而且当调节电位器RP使有一微小变化时，会引起较大的变化，这表明基极电流（小电流）控制着集电极电流（大电流），所以晶体管是一个电流控制器件，这种现象称为晶体管的电流放大作用。三、晶体管的特性曲线1．输入特性曲线图5-13输入特性曲线2.输出特性曲线（图5-14）（1）截止区发射结零偏或反偏，集电结也反向偏置。（2）放大区发射结正向偏置，集电结反向偏置。与成正比关系。（3）饱和区发射结和集电结均处于正向偏置。晶体管失去放大作用，处于“饱和”状态。称为晶体管的饱和压降，此值很小，约为0.3V。（4）击穿区当大于某一值后，开始剧增，这个现象称为一次击穿。一次击穿过程是可逆的。晶体管具有“开关”和“放大”功能。图5-14输出特性曲线四、晶体管的主要参数1．电流放大倍数（1）共发射极直流电流放大倍数静态时与的比值称为共发射极静态电流放大倍数，即直流电流放大倍数（5-2）（2）共发射极交流电流放大倍数（）动态时，Δ与的比值称为动态电流放大倍数，即交流电流放大倍数（5-3）估算时，。2．极间反向电流（1）集电极—基极反向饱和电流是晶体管的发射极开路时，集电极和基极间的反向漏电流，又叫反向饱和电流，小功率硅管的小于1μA，锗管的约10μA。的测量电路如图5-15a所示。（2）穿透电流为基极开路时，由集电区穿过基区流入发射区的穿透电流，它是的（1+）倍，即（5-4）而集电极电流为（5-5）的测量电路如图5-15b所示。图5-15极间反向电流的测量电路的测量电路的测量电路3．极限参数（1）集电极最大允许电流当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流，称为。使用时，超过时晶体管并不一定会损坏，但值将降低。（2）集电极－发射极反向击穿电压指基极开路时，加于集电极与发射极间的反向击穿电压，一般为几十伏至几百伏以上。（3）发射极－基极反向击穿电压指集电极开路时，允许加在发射极－基极之间的最高反向电压，一般为几伏至几十伏。（4）集电极最大允许功耗使用中应使<允许管耗线，如图5-16所示。图5-16晶体管的安全工作区第三节场效应管场效应晶体管，简称场效应管。场效应管和晶体管的特点：场效应管是一种电压控制型器件。而晶体管是一种电流控制型器件。优点：具有很高的输入电阻、热稳定性好、低噪声、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等。分类：场效应管可分为结型和绝缘栅型两类，其中绝缘栅型（简称MOS管）应用更广泛。一、绝缘栅场效应管的结构及符号MOS管：绝缘栅型场效应管是由金属、氧化物和半导体组成，因此又称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。MOS管的分类：可分为增强型与耗尽型两种类型，每一种又分为N沟道和P沟道，即NMOS管和PMOS管。增强型MOS管：图5-17为N沟道增强型MOS管结构示意图和图形符号，箭头向内表示N沟道。导电沟道的特点是原先没有导电沟道，在外电场的作用下才形成了导电沟道。耗尽型MOS管：图5-18为N沟道耗尽型MOS的结构示意图和图形符号。导电沟道的特点是在制造时就有一个原始导电沟道。若是P沟道，则箭头朝外。图5-17N沟道增强型绝缘栅场效应管a)结构b)图形符号结构图形符号图5-18N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构图形符号二、绝缘栅场效应管的特性1．N沟道增强型MOS管特性（5-6）（1）转移特性图5-19a为某增强型NMOS管的转移特性曲线。当<时，，这相当于晶体管输入特性曲线的死区；当=时，导电沟道开始形成，随着的增大，也增大，这说明开始受到的控制，它们之间的关系如下：式中，是时的（mA），称为NMOS管的开启电压（V）。图5-19增强型NMOS管的特性曲线转移特性输出特性（2）输出特性图5-19b为某增强型NMOS管的输出特性曲线。3）截止区当<时，场效应管工作在截止区，此时，漏极电流极小，几乎不随变化。注意：较大时，场效应管的会急剧增大，如无限流 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，管子将被损坏，该区域叫击穿区，此时，场效应管已不能正常工作。1）可变电阻区在该区域，越大，沟道电阻越小，故曲线越陡。在这个区域中，沟道电阻由决定，故称可变电阻区。2）恒流区（饱和区）该区的特点是已趋于饱和，具有恒流性质，所以又称饱和区。但受的控制。增大，沟道电阻减小，随之增加。2．N沟道耗尽型MOS管特性在≤≤0时，耗尽型场效应管的转移特性可近似表示为为常数时，当时，漏、源极间已经导通，流过的是原始导电沟道的漏极电流。当<0时，导电沟道变窄，减小；当达到一定负值时，导电沟道被夹断≈0，这时的称为夹断电压，用表示。图5-20a、b分别为N沟道耗尽型管的转移特性曲线和输出特性曲线。可见，耗尽型绝缘栅场效应管栅－源电压可正可负可零，一般情况下，这类管子工作在负栅－源电压的状态。（5-7）式中，为的漏极电流，为夹断电压。图5-20耗尽型NMOS管特性夹断电压三、场效应管的主要参数（1）开启电压或夹断电压当为某固定值时，使漏极电流接近零时的栅—源电压即为开启电压（增强型）或夹断电压（耗尽型）。（2）零偏漏极电流当为某固定值时，栅—源电压为零时的漏极电流。（3）漏源击穿电压当增加，使开始剧增时的称为。使用时，不允许超过此值，否则会烧坏管子。（4）栅源击穿电压使二氧化硅绝缘层击穿时的栅—源电压叫做栅源击穿电压，一旦绝缘层被击穿将造成短路现象，使管子损坏。（6）漏极最大耗散功率是管子允许的最大耗散功率，类似于半导体三极管中的。(5-8)式中，单位为毫西门子（mS）。（7）跨导当为规定值时，漏极电流变化量和引起这个变化的栅源电压变化量之比，称为跨导，即越大，场效应管放大能力越好，即控制的能力越强。一般为零点几到几毫西门子。（5）直流输入电阻栅源间所加电压与栅极电流的比值。约为。四、场效应管与晶体管的比较相同点：场效应管与晶体管都是半导体器件。不同点：1）场效应管是电压控制器件，几乎没有输入电流；晶体管是电流控制器件，必须有足够的输入电流才能工作。3）场效应管的温度稳定性好，而晶体管的温度稳定性较差。2）场效应管的输入电阻很高，一般在以上。第四节特殊三极管简介一、复合管等效晶体管的管型总是和的管型相同，以图5-21a为例，其电流放大系数为（5-9）复合管是指将两只或两只以上的半导体三极管按一定的方式连接起来，使其等效为一只值大的半导体三极管，又称达林顿管。图5-21所示是由两个晶体管和连接而成的NPN和PNP两大类复合管。图5-21复合管及其等效晶体管二、光敏三极管光敏三极管也称光电三极管，它的电流是受外部光照控制的，是一种半导体光电器件，比光电二极管灵敏得多。电路一般用基极开路的共射接法，如图5-22a所示，光集中照射在集电结附近的区域，这时电流。当没有光照时，电流很小；当有光照时，电流增大。典型的曲线如图5-22b所示，曲线族中参变量是辐射照度E。光敏三极管的图形符号如图5-22c所示。图5-22光敏三极管结构示意图特性曲线图形符号光耦合器又称光电耦合器，它是由发光源和受光器两部分组成。光电耦合器的典型电路如图5-23所示。发光源：常用红外发光二极管，发光源引出的管脚为输入端。受光器：常用光敏三极管、光敏晶阐管和光敏集成电路等，受光器引出的管脚为输出端。原理：光电耦合器利用电－光－电两次转换的原理，通过光进行了输入端与输出端之间的耦合。三、光耦合器特点：光电耦合器输入输出之间具有很高的绝缘电阻，可以达到Ω以上，输入与输出间能承受2kV以上的耐压，信号单向传输而无反馈影响。具有抗干扰能力强、响应速度快、工作可靠等优点。应用：如在高压开关、信号隔离转换、电平匹配等电路中，起信号传输和隔离作用。图5-23光耦合器的图形符号光电三极管型达林顿型晶闸管型集成电路型第五节晶闸管晶闸管原称可控硅。它是一种较理想的大功率变流器件。一、晶闸管的结构和工作原理1．晶闸管的结构大功率晶闸管的外形结构有螺栓式和平板式两种，晶闸管的外形和图形符号如图5-24所示。三个电极：阳极A，阴极K和门极G。四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）元件。等效电路1：三个PN结串联等效，如图5-25b所示。等效电路2：晶体管互补电路等效，如图5-25c所示。三个PN结：。如图5-25所示。图5-24晶闸管的外型和符号塑封式螺栓式平板式图5-25晶闸管的内部芯片及等效电路芯片原理结构PN结等效电路互补晶体管等效电路2．晶闸管的导通与关断条件实验电路如5-26所示a)图5-26晶闸管的导通实验阳极接电源正极，门极开路，灯不亮b）图5-26晶闸管的导通实验阳极接电源正极，门极接正电压，灯亮c）图5-26晶闸管的导通实验导通后断开门极，灯仍亮实验总结：1）不加门极电压，即使阳极加正电压，管子也不能导通。2）只有在阳极加正电压，同时门极也加正电压，管子才导通。3）一旦晶闸管导通，门极将失去作用。结论：晶闸管的导通条件：阳极加正电压，同时门极也加正电压。晶闸管的关断条件是：正向阳极电压降低到一定值（或者在晶闸管阳、阴极间施加反向电压）使流过晶闸管的电流小于维持电流。3．晶闸管的工作原理瞬时使互补晶体管达到饱和导通，即晶闸管由正向阻断状态转为导通状态；3）当管子一旦导通，如断开S，晶闸管仍能继续导通的原因是强烈的正反馈电流取代了的作用。晶闸管的工作原理如图5-27所示。原理分析：1）阳极加正向电压，使互补晶体管有正确接法的工作电源；2）开关S闭合，给N1P2N2型晶体管的基极输入电流，经过强烈的正反馈即强烈正反馈图5-27晶闸管的工作原理二、晶闸管的伏安特性晶闸管的正向伏安特性如图5-28右侧所示。正向阻断：时，结处于反向偏置，管子只有很小的正向漏电流。硬导通：时，结被击穿，电流突然上升，管子由阻断状态变为正向导通状态，管子导通是不可控的，多次硬导通会损坏管子。正向导通：门极有适当的流入，使管子正向导通。反向阻断：结反偏，晶闸管只流过很小的反向电流。反向击穿：当反向电压增大到反向击穿电压时，结被击穿，管子反向导通，此时功耗很大，可能损坏。晶闸管的反向伏安特性如图5-28左侧所示。图5-28晶闸管的伏安特性—正向转折电压—断态正向不重复峰值电压—断态正向重复峰值电压—反向击穿电压—断态反向不重复峰值电压—断态反向重复峰值电压三、晶闸管的主要参数1．电压参数（1）断态正向重复峰值电压和反向重复峰值电压（）是门极开路而元件的结温为额定值时，允许重复加在元件上的正（反）向峰值电压。（5-10）（3）额定电压指元件的标称电压。选用公式为式中，是晶闸管正常工作时阳极电压的峰值电压（V）。（2）通态平均电压晶闸管导通时管压降的平均值，一般在0.4~1.2V之间，管压降愈小，元件功耗愈小。2．电流参数（5-11）（1）额定电流（元件的额定通态平均电流）指晶闸管在规定的环境温度及散热条件下，允许通过的正弦半波电流的平均值。选用公式为式中，是可控整流电路输出电流平均值的最大值（A）；K是计算系数，对于单相半波电阻负载，K值取1；对于单相半控桥电阻负载，K值取0.5。（2）维持电流在室温和门极开路时，晶闸管从通态到断态的最小电流，称为维持电流。当＜时，管子关断。（3）擎住电流晶闸管从断态到通态，去掉门极电压，并使其保持导通所需的最小电流。3．门极参数（2）门极反向峰值电压一般门极所加反向电压应小于其允许电压峰值，通常安全电压为5V左右。（1）门极触发电压和电流是指在室温下，晶闸管施加6V正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流。对应于的门极电压，称为门极触发电压。KP□—□□∣∣∣∟通态平均电压组别，（小于100A可不标）∣∣∣∟额定电压等级（如100V为1级，700V为7级等）∣∣∟额定电流系列∣∟表示普通型（K-快速型，S-双向型，N-逆导型）∟表示晶闸管普通晶闸管型号命名含义如下：1）选择晶闸管的额定电压、额定电流时，应留有足够的安全余量。2）要有过电压、过电流保护措施。3）严格按规定散热。4)严禁用兆欧表检查晶闸管的绝缘情况。四、晶闸管的测试与使用1．万用表测试法根据PN结单向导电性，用万用表欧姆档测试晶闸管三个电极之间的电阻，就可初步判断管子的好坏。好的管子，阳极与阴极之间的电阻很大（接近无穷大），门极与阴极之间的电阻应小于或接近于其反向电阻。2．晶闸管的使用 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