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1、第四节 半导体元件及其应用一、半导体元件概述半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等） 。PN 结的单向导电性：PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正（高电位） 、N 区加负电压（低电位） 。 正向偏置：PN 结处于导通状态，正向电阻很小。 （正向电阻为：数欧数十
2、欧）PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P 区加负、N 区加正电压。 反向偏置：PN 结处于截止状态，反向电阻很大。 （一般反向电阻为：数十千欧数百千欧） 。点接触型：结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用于高频电路的检波或小电流的整流。面接触型：结面积大、结电容大，允许通过较大的电流，适用于低频整流。硅平面型：结面积大的可用于大功率整流；结面积小的，结电容大，适用于脉冲数字电路，作为开关管使用。二、二极管及其应用二极管的符号 根据半导体的物理原理，可从理论上分析得到 PN 结的伏安特性的表达式，此式通常称为二极管方程，即：IS 为反向饱和电流UT 为温度的电压当量，在常温（
3、300K）下， UT=26mV。当 U0时，且 UUT,则电流 I 与 U 基本成指数关系。当 UUT,则电流 I=-IS1. 最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2. 反向工作峰值电压 URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压 UBR 的一半。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 反向峰值电流 IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM 受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。4 最高工作频率 fM是二极管
4、工作的上限频率。它主要由 PN 结的结电容大小决定。信号频率超过此值时，二极管的单向导电性将变差。应该指出，由于制造工艺的限制，即使是同一型号的器件，其参数的离散性也很大，因此，手册上常常给出参数的范围。另一方面，器件手册上给出的参数是在一定测试条件下测得的，若条件改变，相应的参数值也会变化。影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结论：1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2. 结面积小时结电容小，工作频率高。整流电路作用:把交流电转换成脉动直流电。分类: 半波整流 全波整流 桥式整流 倍压整流1、单相半波整流电路单相半波整流电
5、路如图(a)所示波形图如图（b)所示。 (a)电路图(b)波形图根据图可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为流过负载和二极管的平均电流为 二极管所承受的最大反向电压2、桥式整流电路（1）组成：由四个二极管组成桥路（2）工作原理：u2正半周时:D1 、D3导通， D2、D4截止u2负半周时： D2、D4 导通， D1 、D3截止（3）主要参数：输出电压平均值:Uo=0.9u2输出电流平均值:Io=Uo/Ro=0.9u2 / RL流过二极管的平均电流:ID=Io/2二极管承受的最大反向电压:电容滤波1.电路和工作原理 V 导通时给 C 充电
6、，V 截止时 C 向 RL 放电；滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。1. RL 未接入时2. RL 接入（且 RLC 较大） 电容滤波电路的特点(1) 输出电压 Uo 与放电时间常数 RLC 有关。RLC 愈大-电容器放电愈慢-Uo(平均值)愈大。一般取 (T:电源电压的周期)近似估算:Uo=（1.1-1.2）U2。(2) 流过二极管瞬时电流很大。RLC 越大-Uo 越高。负载电流的平均值越大-整流管导电时间越短-iD 的峰值电流越大。(3) 输出特性(外特性)输出波形随负载 电阻 RL 或 C 的变化而改变, Uo 也随之改变。如: RL 愈小( IL 越大), Uo 下降多。结论：
7、电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。元件选择(1) 电容选择: 滤波电容 C 的大小取决于放电回路的时间常数,RLC 愈大, 输出电压脉动就愈小, 通常取 RLC 为脉动电压中最低次谐波周期的35倍, 即 (2) 整流二极管的选择。正向平均电流为例：单相桥式电容滤波整流，交流电源频率 f = 50 Hz，负载电阻 RL = 40，要求直流输出电压 UO = 20 V，选择整流二极管及滤波电容。1. 选二极管电流平均值：承受最高反压：选二极管应满足：可选：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流桥选用二极管的一般原则是：2
8、. 选滤波电容可选：1000F，耐压 50 V 的电解电容。倍压整流电路二倍压整流电路u2的正半周时：D1导通，D2截止，理想情况下，电容 C1的电压充到：u2的负半周时：D2导通，D1截止，理想情况下，电容 C2的电压充到： 负载上的电压：特殊二极管1. 稳压二极管的特性2. 发光二极管的特性3. 光电二极管的特性4. 变容二极管的特性稳压二极管伏安特性稳压管正常工作时加反向电压；稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。稳压二极管工作原理：ui 保障其处于反向击穿状态；R：限流电阻，保证 DZ 中电流不超过最大稳定电流 IZM；RL：负载
9、电阻 工作原理：当输入电压 ui 变化时，如当负载变化时，如：主要参数稳定电压 UZ:稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压电压温度系数:环境温度每变化1度引起稳压值变化的百分数。低于6V 的稳压管，电压温度系数为负；高于6V 的稳压管，电压温度系数为 正；而6V 左右的管子稳压值受温度变化影响的比较小。对于温度变化范围比较大，又要求稳压值的温度稳定性好，可选用具有温度补偿的稳压管。也可以将两个同型号稳压管反向串接起来使用，方可达到目的。动态电阻:稳压管电压的变化量与电流变化量的比值。rZ 愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM；最大允许耗散功率 PZM = U
10、Z*IZM光电二极管（光敏二极管）原理：与 PN 结二极管相似，但在它的 PN 结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。 特点工作于反偏状态下，它的反向电流与光照成正比。三、三极管及其应用放大原理：把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化。三极管放大的外部条件：发射结
11、正偏、集电结反偏从电位的角度看：NPN发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVBPNP发射结正偏 VB0，UBCUBE。(2) 截止区IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。对 NPN 型硅管，当 UBE 0)，晶体管工作于饱和状态。 在饱和区，IC 和 IB 不成正比。当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示三种组态双极型三极管有三个电极，其中两个可以
12、作为输入, 两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极。三种接法也称三种组态，见下图共发射极接法，发射极作为公共电极，用 CE 表示；共基极接法，基极作为公共电极，用 CB 表示； 共集电极接法，集电极作为公共电极，用 CC 表示。晶体管结电压的典型值主要参数1.电流放大系数当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为IB ，它引起集电极电流的变化量为IC 。IC 与IB 的比值称为动态电流(交流)放大系数在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下,可近似认为 ，但二
13、者含义不同。2.集基极反向截止电流 ICBOICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3.集射极反向截止电流 ICEOICEO 是当基极开路(IB = 0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。4.集电极最大允许电流 ICM当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM。5.集射反相击穿电压 U(BR)CEO基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射反相击穿电压 U(BR)CEO。6. 集电极最大允许耗散功率 PCM当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。 由
14、 ICM、U(BR)CEO、PCM 三者共同确定晶体管的安全工作区。四、功率二极管及其应用功率器件概述：常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外特性、主要参数、开关特性、安全工作区。这些器件的驱动电路和缓冲电路。按照器件能够被控制的程度，分三类：不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。半控型器件（普通晶闸管 SCR ）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（ GTO、BJT(GTR) ，IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。按照驱动电路信号的性质，分两类：电流驱动型通过从控制端注入或者
15、抽出电流来实现导通或者关断的控制。特点：驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。该类器件有 SCR、GTO、BJT(GTR)电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。特点：驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。该类器件有功率 MOSEET、IGBT。根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。(1) 单极型器件功率 MOSFET。(2) 双极型器件二极管、SCR、GTO、BJT(GTR)。(3) 复合型器件IGBT，是电力电子器件发展方向。功率二极管的工作原理：功率二极管是以 PN 结为基础的，实际上就是由一个面积
16、较大的 PN 结和两端引线封装组成的。功率二极管的结构和图形符号如下图所示。功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形。(a) 螺栓型； (b) 平板型功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压 Uth(又称死区电压)，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于 Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流 IS 是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压 URO 后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。功率二极管的基本特性关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。开通过程：正向压降先出现一个
