晶体管的特性与应用讲解

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1、二极管的特性与应用 二极管是由一个由P型半导体和N型半 导体形成的P-N结。正是由于P-N结两 边载流子浓度的不同，使得二极管呈现 出它特有的单向导电特性。利用二极管 的单向导电特性，在电路中的用途十分 广泛。 一、二极管的导电特性 l正向特性 当所加的正向电压达到某一数值（称为“门 槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V） 后，二极管才能真正导通。导通后二极管两 端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V， 硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降 ”。 l反向特性 二极管两端加反向电压时，二极管处于截止 状态 ，但仍然会有微弱的反向电流流过二极 管，称为漏电流 。反向电压增大到某一数

2、值 ，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方 向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。 二、二极管的分类 l按半导体材料可分为锗二极管（Ge管）和硅 二极管（Si管）。 l根据其不同用途 又可分为:普通二极管和特殊 二极管。普通二极管包括快速二极管、整流 二极管、稳压二极管、检波二极管等；特殊 二极管包括变容二极管、发光二极管、隧道 二极管、触发二极管等。 l按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、 面接触型二极管及平面型二极管。 三、二极管的主要参数 l正向电压降 VF 导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为 0.3V，硅管约为0.7V） l正向工作电流Iav平均电流, 是指二极管长期连续

3、工作时允许通过的最大正向电流 值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升 ，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左 右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使 用中不要超过二极管额定正向工作电流值 。 l最大浪涌电流IFSM 允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是 瞬间电流，这个值相当大。 l反向峰值电压 ( VRRM最大周期性反向电压 ) 二极管正向工作时所能承受的周期浪涌电流的最大值 。 l反向饱和漏电流IR 指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过 二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向 导电性能越好。但反向电流受温度的影响较大，一 般硅管比锗管在高温下

4、具有较好的稳定性。 l开关速度Trr和最高工作频率 fm 当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作 的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延 迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向 恢复时间。开关速度和最高工作频率取决于二极管 的反向恢复时间，一般高频开关管的反向回复时间 为几十nS,甚至几个nS。 l快速二极管 快速二极管的工作原理与普通二极管是相同 的 ,普通二极管工作在开关状态下的反向恢 复时间较长，约5us以上，不能适应高频开关 电路的要求 。快速二极管主要应用于高频整 流电路、高频开关电源、高频阻容吸收电路 、逆变电路等，其反向恢复时间可达10ns。 快速二极管主要包

5、括快恢复二极管和肖特基 二极管。 四、二极管的应用 1）、快恢复二极管(PIN型二极管 ) （简称FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间 短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、 PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频 整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用 。在制 造上采用掺金、单纯的扩散等工艺，可获得较高的 开关速度，同时也能得到较高的耐压。快恢复二极 管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结 型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了 基区I，构成PIN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷 很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正 向压降高于普通二极管（12V)

6、，反向击穿电压（ 耐压值）较高(多在1500V以下）。目前快恢复二极 管主要应用在开关电源中作整流元件，高频电路中 的限幅、嵌位等。 CHARGER电路中的Snubber，主要作用是吸收变压器漏 感产生的尖峰电压，箝位二极管应选择反向击穿电压 高于开关管的漏源击穿电压且反向恢复时间尽可能短 的超快恢复二极管 。如图，D2选用UF4007(1A 1KV). 从性能，可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向 回复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下。 2）、肖特基（Schottky）二极管 由金属与半导体接触形成的势垒层为基础制成的 二极管，是一种低功耗、超高速半导体器件，广泛 应用于开关

7、电源、变频器、驱动器等电路，作高频 、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二 极管使用肖特基二极管在结构原理上与PN结二极管 有很大区别，它的内部是由阳极金属（用钼或铝等 材料制成的阻挡层）、二氧化硅（SiO2）电场消除材 料、N-外延层（砷材料）、N型硅基片、N+阴极层及 阴极金属等构成。在N型基片和阳极金属之间形成肖 特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳 极金属接电源正极，N型基片接电源负极）时，肖特 基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势 垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其 内阻变大。 肖特基二极管其主要特点是正向导通压降小 （约0.45V），反向恢复时间短和

8、开关损耗小 ， 存在的问题是耐压比较低，反向漏电流比较 大。目前应用在功率变换电路中的肖特基二 极管的大体水平是耐压在150V以下，平均电 流在100A以下，反向恢复时间在1040ns。 肖特基二极管应用在高频低压电路中，是比 较理想的。 l整流二极管 利用二极管单向导电性，可以把方向交替变 化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。 广泛应用于处理频率不高的电路中 。 整流的方式也分为多种：主要有半波、全波 、桥式。 整流分为工频和高频 整流，表现为频率的 不同。D1为工频整流 二极管 ，D2为高频整 流二极管。 工频整流一般用在对市电进行整流，厂内UPS 电路中以CHARGER电路为例，输入一

9、般为桥式 整流，须考虑的主要参数有： Iav=Pomax /VO ； Vpeak= 2 Uin ;-VRRM MAX repetitive reverse voltage 在选取整流二极管会加一定的裕量，以防出 现特殊情况。此外还必须考虑到厂内现有物 料以及通用性。 厂内常用的工频整流桥有：2W10G（2A 1KV） ；GBU6M（6A 1KV） 高频整流管一般用于高频输出整流，须考虑 的主要参数有： Iav=Po/Vo; IMAX= 2PO/VO(1- DMAX)（电流临界）; Vrmax= Vo+ N*Vin max N变压器匝比； 正向压降VF二极管功率越大，VF相对较小； 选用超快恢复

10、二极管。 负载功率大的，还须通过测量温升，再调整 晶体管参数。 左图为 CHARGER电路 中输出部分，其 中高频整流管为 D3 ，所用晶体管为 ER8020(8A 200V)。 D4，D6 起反向隔离作用 。 l继流二极管 在开关电源的电感中和继电器等感性负载中 起继流作用 。 左图，通过BST.DRV来驱 动RELAY，电流的跳变时 ，使RELAY中线圈产生反 向感应电动势，通过二极 管IN4148(0.15A 75V)来 继流，泄放能量，保护驱 动管。也可不加二极管， 但须保证驱动管耐压足够 高，不被击穿。 l限幅元件 正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管 为0.3V）。利用这一特

11、性，在电路中作为限 幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内 。用于电压波动较大的地方。 UPS中电压波动较大的地 方有市电侦测，电池电压 侦测，温度侦测等，所以 在送入单片机检测端时须 限幅，厂内一般使用 IN4148( 0.15A 75V) 、作为 限幅元件。 l发光二极管 厂内所使用的LED主要分绿色，红色，黄色 ，橙色的单色和双色发光二极管，其驱动电 流，会影响发光强度，所以在选择限流电阻 时须注意LED的正向电压（typ.:2V)及正向电 流约20mA。同样结构也有多种，具体选用何 种，须结合PCB，外壳的要求来选择。 l稳压二极管 利用二极管反向击穿后的伏安特性十分 陡峭，也就是说，

12、二极管两端的电压随 通过的电流变化而变化很小，通过电阻 来限流，以至于二极管不被烧毁。稳压 管的误差较大（5、10，也有2） 。一般不用于精密稳压电路。 稳压管的主要参数有： （1）稳压值VZ 。指当流过稳压管的电流为某一规定值时 ，稳压管两端的压降。（2）电压温度系数 。稳压管的稳 压值VZ的温度系数在VZ低于4V时为负温度系数值；当VZ 的值大于7V时，其温度系数为正值；而VZ的值在6V左右 时，其温度系数近似为零。目前低温度系数的稳压管是 由两只稳压管反向串联而成，利用两只稳压管处于正反 向工作状态时具有正、负不同的温度系数，可得到很好 的温度补偿。（3）动态电阻rZ。表示稳压管稳压性能

13、的 优劣，一般工作电流越大，rZ越小。（4）允许功耗PZ。 由稳压管允许达到的温升决定，小功率稳压管的PZ值为 1001000mW,大功率的可达50W。（5）稳定电流IZ。测 试稳压管参数时所加的电流。实际流过稳压管的电流低 于IZ时仍能稳压，但rZ较大。 特性 适用范围 超快速二极管 反向恢复时间较 短，正向压降 较低，反向击穿电压（耐压值 ）较高 主要应用在开关电源中作高 频整流、续流元件，高频电 路中的限幅、嵌位等 萧特基二极管 耐压比较低，反向漏电流比 较大，反向恢复时间较 短， 开关损耗小 主要应用在高频低压电 路中 整流二极管 允许通过的电流比较大，反 向击穿电压 比较高，但PN

14、结电 容比较大 广泛应用于处理频率不 高的电路中 稳压二极管 既具有普通二极管的单向导 电特性，又可工作于反向击 穿状态 。缺点是存在噪声 在要求精度不高、电流变 化范围不大的情况下，起 稳压 作用 发光二极管 工作电压 低，工作电流小， 发光均匀、寿命长 。 主要用于状态指示 五、二极管使用注意事项 在了解二极管的特性与应用后，在设 计电路过程中，根据二极管在电路中的 功用选取合适的元件，需注意： l选择合适的参数 l选择常用的二极管 l价格的考量 三极管的特性与应用 晶体三极管又称双极器件（Bipolar Junction Transistor,用BJT表示），它的基本组成部分 是两个靠得

15、很近且背对背排列的PN结。根据 排列的方式不同，晶体三极管分为NPN和 PNP两种类型。晶体三极管和晶体二极管一 样都是非线性器件，但它们的主要特性却截 然不同。晶体二极管的主要特性是单向导电 性，而晶体三极管的主要特性则与其工作模 式有关。 一、三极管的三种工作模式 l放大模式 三极管工作在放大模式的条件：发射结加正偏、集 电结加反偏 。呈现的主要特性时正向受控作用 ， l饱和模式 三极管工作在饱和模式的条件：发射结、集电结均加 正偏 。 l截止模式 三极管工作在截止模式的条件：发射结、集电结均加 反偏 。 饱和与截止模式呈现受控开关特性，是实现开关电路 的基础 二、晶体三极管的开关特性 B

16、E结在由正向电 压转为反向时， 内建电场建立的 时间与电流 如图（a）所示，当基极回路输入一幅值为UP（ UPUBB）的正脉冲信号，基极电流立即上升 IB=(UP-UBB-UBE)/RB,在IB的作用下，发射结 逐渐由反偏变为正偏，BJT由截止状态变为导 通状态，集电结为零偏甚至正偏，集电极于 发射极之间压降UCE0,BJT工作在饱和状态 ，BJT相当于闭合开关。 如图（b）当基极输入脉冲为负或零时，BJT的 发射结和集电结都处于反偏，集电极电流逐 渐下降到IC=ICEO0,因此负载电阻RL上的压 降可以忽略不计，集电极与发射极之间的压 降UCEUCC,即BJT工作在截止状态,BJT相当 于一断开的开关。 晶体管开关损耗 P ic * uc 图可明显看出晶体管开关损耗取决与开通时 间ton和关断时间toff。ton和toff越小，即 开关波形越趋于方波，开关损耗越小，温度 越低。 三、晶体三极管的参数 l共发射极电流增益，反映了三极管的放大能 力。 l集电极最大工作电流IC l集电极最大直流峰值电流IC