電路分析第5章半導(dǎo)體器件

第1章半導(dǎo)體器件1.2半導(dǎo)體二極管1.3硅穩(wěn)壓二極管1.4半導(dǎo)體三極管

*1.5絕緣柵場效應(yīng)管1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識*1.6電力半導(dǎo)體器件電子技術(shù)緒論導(dǎo)體——阻抗小，施壓后電流很容易流過絕緣體——阻抗大，施壓后電流很難流過半導(dǎo)體——導(dǎo)電能力介于二者之間為什么半導(dǎo)體在現(xiàn)代電子技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用？導(dǎo)電能力的可控性！?。】筛淖兤渥杩?948貝爾實驗室WilliamSchockley WalterBratlen JohnBardeen

晶體管 SolidStatedevice12年后，應(yīng)用于商業(yè)、民用1960開始蓬勃發(fā)展，多種器件面世，如 FET LED光電器件

半導(dǎo)體傳感器1959RobertNoyce集成電路IntegratedCircuit(IC) DiscreteComponents分立器件今天，半導(dǎo)體的應(yīng)用極為廣泛半導(dǎo)體發(fā)展簡史一1963~65，中國半導(dǎo)體發(fā)展簡史二

在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界激發(fā)時,本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。

把純凈的具有共價鍵結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。它是共價鍵結(jié)構(gòu)。本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子價電子1.1.1本征半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴本征激發(fā)復(fù)合在常溫下自由電子和空穴的形成成對出現(xiàn)成對消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場方向

空穴導(dǎo)電的實質(zhì)是共價鍵中的束縛電子依次填補(bǔ)空穴形成電流。故半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子。

空穴移動方向

電子移動方向

在外電場作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電。價電子填補(bǔ)空穴+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的五價元素,如磷,則形成N型半導(dǎo)體。

磷原子+4+5多余價電子自由電子正離子

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子在N型半導(dǎo)中,電子是多數(shù)載流子,

空穴是少數(shù)載流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴2.P型半導(dǎo)體

在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價元素,如硼,則形成P型半導(dǎo)體。

+4+4硼原子填補(bǔ)空位+3負(fù)離子

P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖電子是少數(shù)載流子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子在P型半導(dǎo)中,電子是少數(shù)載流子,

空穴是多數(shù)載流子。P區(qū)N區(qū)1.PN結(jié)的形成

用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個PN結(jié)。N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向1.1.3PN結(jié)多子擴(kuò)散少子漂移內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)P區(qū)N

區(qū)

在一定的條件下，多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來。

空間電荷區(qū)不存在載流子，因而不能導(dǎo)電。內(nèi)電場方向E外電場方向R2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮型半導(dǎo)體外電場驅(qū)使P型半導(dǎo)體的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N型半導(dǎo)體電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷a.外加正向電壓N型半導(dǎo)體內(nèi)電場方向E外電場方向RI空間電荷區(qū)變窄

擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng)，形成較大的正向電流a.外加正向電壓P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場方向IR外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動難于進(jìn)行b.外加反向電壓P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體1、PN結(jié)加正向電壓：PN結(jié)所處的狀態(tài)稱為正向?qū)ǎ涮攸c：PN結(jié)正向電流大，PN結(jié)電阻小。相當(dāng)于開關(guān)閉合SPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?、PN結(jié)加反向電壓：PN結(jié)所處的狀態(tài)稱為反向截止，其特點：PN結(jié)反向電流小，PN結(jié)電阻大。相當(dāng)于開關(guān)打開

正極引線觸絲N型鍺支架外殼負(fù)極引線點接觸型二極管1.2.1二極管的基本結(jié)構(gòu)二極管的符號正極負(fù)極1.2

半導(dǎo)體二極管

正極引線二氧化硅保護(hù)層P型區(qū)負(fù)極引線面接觸型二極管N型硅PN結(jié)PN結(jié)600400200–0.1–0.200.40.8–50–100ID

/mAUD/V正向特性反向擊穿特性硅管的伏安特性1.2.1二極管的伏安特性反向特性死區(qū)電壓ID/mAUD/V0.40.8–40–80246–0.1–0.2鍺管的伏安特性正向特性反向特性0死區(qū)電壓+

UD

–IDID=f（UD）600400200–0.1–0.200.40.8–50–100ID

/mAUD/V正向特性反向擊穿特性硅管的伏安特性反向特性死區(qū)電壓對于理想二極管鍺管正向壓降0.2--0.3V硅管正向壓降0.5--0.7VR-+USIDDUD-+R-+USIDD正向特性：二極管加正向電壓600400200–0.1–0.200.40.8–50–100ID

/mAUD/V正向特性反向擊穿特性硅管的伏安特性反向特性死區(qū)電壓對于理想二極管R-+USDUD-+R-+USIRD反向特性：二極管加反向電壓實際二極管的分析模型ID

/mAUD

/V理想二極管模型正向?qū)▔航?0ID

/mAUD

/V正向?qū)▔航垫N管0.2--0.3V，常取0.2V硅管0.5--0.7V，常取0.6V使用條件：正向壓降不能忽略時正向?qū)▔航?--等效電路1.2.3二極管的主要參數(shù)最大整流電流IOM

最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。反向工作峰值電壓URWM

它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。反向峰值電流IRM

它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。

二極管的應(yīng)用范圍很廣,它可用于整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。DE3VRuiuouRuD

例：下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，ui

=6sintV，

E=3V，試畫出

uo波形。t

ui

/V6330t

uo/V022–6uR？1.二極管限幅1.2.2二極管的主要應(yīng)用t

6302雙向限幅電路t03–3DE3VRDE3VuiuouRuD

ui

/Vuo/V–3uototototo23uou2u2u1uDioioRLT232U22U22U2Im2233uDD第4章4.12.二極管整流將交流電變成直流電稱為整流。（1）單相半波整流電路UouOt0ttt23uOu2u2u1uDuDiOiODRLT232U22U22U2Im2233UO=0.45U2電路計算000u2=2U2sintuO的電壓平均值：UO=0.45U2uO的電壓平均值：負(fù)載

的電流平均值：截止時二極管所承受的最高反向電壓為：（2）單相橋式整流電路

整流電路中最常用的是單相橋式整流電路它由四個二極管D1D4接成電橋的形式構(gòu)成。RLAu2u1uo+D1D2D4D3B++iOt0uot0u20tuDuD2、uD4uD1、uD3ioRLAu2u1uo+D1D2D4D3B++

在u2的正半周，D1和D3導(dǎo)通，D2和D4截止(相當(dāng)于開路)。ioRLAu2u1uo++D1D2D4D3B–+

在u2的負(fù)半周，D2和D4導(dǎo)通,D1和D3截止(相當(dāng)于開路)，

在一個周期內(nèi)，通過電阻的電流方向相同，在負(fù)載上得到的是全波整流電壓uo。工作原理Uototototo2323Im2233uD1uD3uD4uD2uOuuDiO

由于二極管的正向壓降很小，因此可認(rèn)為uO的波形和u的正半波是相同的。輸出電壓的平均值為

式中U2是變壓器副方交流電壓u2的有效值。

截止管所承受的最高反向電壓為UO=0.9U2每個二極管通過的平均電流下圖是單相橋式整流電路的簡化畫法+uoRLio~+u例已知負(fù)載電阻RL=80,負(fù)載電壓UO=110V。今采用單相橋式整流電路，交流電源電壓為380V。（1）如何選用晶體二極管？（2）求整流變壓器的變比及容量。解（1）負(fù)載電流每個二極管通過的平均電流變壓器副邊電壓的有效值為整流橋符號

考慮到變壓器副繞組及管子上的壓降，變壓器副邊的電壓大約要高出10%，即1221.1=134V。于是

因此可選用，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V晶體二極管。（2）變壓器的變比及容量變壓器的變比變壓器副邊電流的有效值為變壓器的容量為可選用BK300（300V?A），380/134V的變壓器。半波整流電容濾波電路的外特性估算公式:

UO=1.0U2

2UDRM=2U2注意:t0232U2u2Io

Uo2U20.45U20濾波后輸出電壓uo的波形變得平緩,平均值提高。uO（1）電容濾波3.濾波電路

二極管導(dǎo)通時給電容充電,二極管截止時電容向負(fù)載放電uou2uDioDRLTu1C半波整流電容濾波電路tuO2U2''UO=1.2U22U2IO

UO0.9U20.45U2全波整流電容濾波電路的外特性00uoRLC+uCu2u1+++io放電時間常數(shù)

=RLC越大,脈動越小,輸出電壓平均值越高,一般要求全波整流電容濾波電路例有一單相橋式電容濾波整流電路，已知交流電源頻率f=50Hz,負(fù)載電阻RL=200,要求直流輸出電壓UO=30V,選擇整流二極管及濾波電容器。解（1）選擇整流二極管流過二極管的電流取UO=1.2U2,所以變壓器副邊電壓的有效值RLC1u2u1++型電容濾波整流電路++C2R（2）選擇濾波電容器選用C=250F，耐壓為50V的極性電容器二極管所承受的最高反向電壓

因此可選用二極管，其最大整流電流為100mA，反向工作峰值電壓為50V。（2）電感濾波電感濾波電路uoRLLu2u1+++iotuo0

由于電感的感抗XL＝L，對直流分量XL＝0，電感視為短路。對于交流分量頻率越高，XL越大，因此直流分量通過電感線圈全部輸出到負(fù)載上，而交流分量在電感線圈上產(chǎn)生較大壓降，而被濾掉，使負(fù)載上得到較平緩的輸出電壓，電感L越大，濾波效果越好。若忽略電感線圈電阻，輸出電壓為Uo＝0.9U21.3硅穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。其表示符號如下圖所示。

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。從反向特性曲線上可以看出，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起到穩(wěn)壓作用。1.3.1硅穩(wěn)壓二極管的伏安特性DZI/mAU/V0UZIZIZmax+正向+反向UZIZUZminIZmin1.穩(wěn)定電壓UZUZ是穩(wěn)壓管反向擊穿后，穩(wěn)壓管兩端的穩(wěn)壓值。不同型號的穩(wěn)壓管具有不同的穩(wěn)壓值，同一型號穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值也略有差別。1.3.2穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)4.動態(tài)電阻RzrZ是穩(wěn)壓管在工作區(qū)電壓變化量UZ與電流變化量IZ的比值，即：

2.最小穩(wěn)定電流IZminIZmin是保證穩(wěn)壓管具有正常穩(wěn)壓性能的最小工作電流，當(dāng)穩(wěn)壓管的反向電流小于IZmin時，穩(wěn)壓管尚未擊穿，穩(wěn)出電壓不穩(wěn)定。3.最大穩(wěn)定電流IZmaxIZmax是穩(wěn)壓管允許流過的最大工作電流。動態(tài)電阻越小，反向伏安特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能越好。1.3.3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路RLCRIRIZDZIo+Uo+Ui~++U2

引起電壓不穩(wěn)定的原因是交流電源電壓的波動和負(fù)載電流的變化,下面分析在這兩種情況下的穩(wěn)壓作用。

（1）當(dāng)交流電源電壓增加而使整流輸出電壓Ui隨著增加時，負(fù)載電壓Uo也要增加。Uo即為穩(wěn)壓管兩端的反向電壓。當(dāng)負(fù)載電壓Uo稍有增加時，穩(wěn)壓管的電流IZ就顯著增加，因此限流電阻R上的壓降增加，以抵償U(kuò)i的增加，從而使Uo保持近似不變。UoRL不變：u2UiUoIZIRUR限流電阻TRLCUiUZIZDZUou2Iou1u2不變：RLIRUOURIZUoURIRIO（2）當(dāng)電源電壓保持不變，而負(fù)載電流增大時，電阻R上的壓降增大，負(fù)載電壓Uo因而下降。只要Uo下降一點，穩(wěn)壓管電流IZ就顯著減小，使通過電阻R的電流和電阻上的壓降保持近似不變，因此負(fù)載電壓Uo也就近似穩(wěn)定不變。RIR

選擇穩(wěn)壓管時一般取：UZ=Uo，Ui=(2~3)Uo，Izmax=(2~3)Iomax穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，但輸出電流較小，輸出電壓不能調(diào)節(jié)，通常適用于小電流，固定輸出電壓，負(fù)載變化不大，穩(wěn)壓精度要求不高的場合（1）在穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓管為反接；（2）使用穩(wěn)壓管時必須串聯(lián)限流電阻。注意：例

穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，負(fù)載電阻由開路變到500，要求輸出電壓Uo＝6V，試求Ui，U2

，UZ、IZmax。IZmax=(2~3)Iomax=(2~3)12=24~36mAUZ=Uo=6V[解]Ui＝（2~3）Uo＝（2~3）6＝12~18V1.4.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)1.4半導(dǎo)體三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極C基極B發(fā)射極ENNPECB符號NPN型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極C發(fā)射極E基極BNNPPNPNP型三極管

CBE符號制造三極管的工藝要求：1.基區(qū)必須很薄，且摻雜濃度最低2.發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)的摻雜濃度3.集電區(qū)比發(fā)射區(qū)體積大且摻雜濃度低ECRCIC

UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路1.4.2

三極管的電流放大狀態(tài)1.三極管的電流放大狀態(tài)（1）發(fā)射結(jié)正向偏置（加正向電壓）；（2）集電結(jié)反向偏置（加反向電壓）。EBRBIBNPN型三極管:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE通常NPN型硅管的發(fā)射結(jié)電壓UBE=0.6V~0.7V，PNP型鍺管的發(fā)射結(jié)電壓UBE=-0.2V~-0.3V。IEECRCIC

UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路三極管具有電流控制作用的外部條件:（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。對于PNP型三極管應(yīng)滿足:EBRBIBIE即

VC

<VB

<

VEUBC

>0UBE<

01.三極管的電流放大狀態(tài)CBE三極管的電流放大示意圖UCCUBBRCRBNNPIEICIB電子發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成IC電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成

發(fā)射極電流IE電源正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IB

由于基區(qū)很薄,摻雜濃度又很小,電子在基區(qū)擴(kuò)散的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合的數(shù)量。所以：IC>>IB同樣有:IC>>

IB所以說三極管具有電流控制作用,也稱之為電流放大作用。電流關(guān)系：IE=IB+ICECRCIC

UCECEBUBEEBRBIBIEIC=IB直流電流放大系數(shù)

=

IC

IB交流電流放大系數(shù)

（1）

UBE

>0，

UBC

<

0（2）IC=IB條件特征（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。ECRCIC

UCECEBUBEEBRBIBIE1.三極管的電流放大狀態(tài)

集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反向偏置，即UBE<0（1）IB增加時，IC基本不變，且IC

UC/RC

（2）UCE0

晶體管C、E之間相當(dāng)于短路即UCE<

UBE

（1）

IB=0、IC

0（2）

UCE

EC晶體管C、E之間相當(dāng)于開路條件特征（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)正向偏置。條件特征2.三極管的飽和狀態(tài)ECRCIC

UCECEBUBEEBRBIBIE3.三極管的截止?fàn)顟B(tài)IBUBE0UCE

≥

1V死區(qū)電壓1.三極管的輸入特性IB

=f(UBE)UCE=常數(shù)1.4.3三極管的特性曲線EC輸出回路輸入回路公共端RCIC

UCECEBUBEEBRBIBIEIB

=40μAIB

=60μAUCE

0IC

IB增加IB

減小IB

=20μAIB=

常數(shù)IC

=f

(UCE)2.三極管的輸出特性IC

/mAUCE

/V0放大區(qū)三極管輸出特性上的三個工作區(qū)IB=

0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μAUCE小IC?。?）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。

VC

>

VB

>

VE且IC=

IB3三極管的三個區(qū)對應(yīng)三極管的三種工作狀態(tài)

集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反向偏置，即UBE<0

UCE=UCC-RCIC，且ICS

UC/RC

UCE0

晶體管C、E之間相當(dāng)于短路，即UCE<

UBE

IB=0、IC

0UCE

EC晶體管C、E之間相當(dāng)于開路發(fā)射結(jié)集電結(jié)均正向偏置；三極管的飽和區(qū)對應(yīng)三極管的飽和狀態(tài)三極管的截止區(qū)對應(yīng)三極管的截止?fàn)顟B(tài)三極管的放大區(qū)對應(yīng)三極管的放大狀態(tài)（NPN型三極管）IB增加時，IC基本不變，1.4.4三極管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)

(1)直流電流放大系數(shù)

(2)交流電流放大系數(shù)

=

IC

IB

2.穿透電流ICEO

3.集電極最大允許電流ICM

4.集--射反向擊穿電壓U(BR)CEO

5.集電極最大允許耗散功率PCM極限參數(shù)使用時不允許超過!

=

IC

IBIC=ICEO+IB溫度對三極管參數(shù)的影響溫度升高，UBE減??；

β增大

ICEO增大60μA0

20μA1.52.3在輸出特性上求

,

=IC

IB

=1.5mA40μA=37.5

=IC

IB

=2.3–1.5(mA)60–40(μA)=40設(shè)UCE=6V,IB由40μA增加為60μA

。IC

/mAUCE

/VIB

=40μA6討論如何根據(jù)三極管的各極電位判斷其好壞？E3.5v4vR1R23v-6vBC3.5v(1)分析：

R1、R2兩端有電位差，則發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，但VB=VE，UEB=0，知發(fā)射結(jié)已擊穿或短路。第1章1.4（2）CEB0v12v3v3vR分析：

因UBE=3v，顯然發(fā)射結(jié)已損壞而斷路第1章1.4（3）BEC-9.2v-3v-1.5v分析：UBE=VB-VE=-9.2-(-1.5)=-7.7v反偏且VC>VB

集電結(jié)也反偏所以三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)第1章1.4

三極管在小信號(微變量)情況下工作時,可以在靜態(tài)工作點附近的小范圍內(nèi)用直線段近似地代替三極管的特性曲線,三極管就可以等效為一個線性元件。這樣就可以將非線性元件三極管所組成的放大電路等效為一個線性電路。線性化思路——泰勒級數(shù)1.4.5三極管的微變等效電路則變化量之間是線性關(guān)系1三極管的微變等效電路OIB

UBE

UCEIB

QIBUBE在晶體管的輸入特性曲線上，將工作點Q附近的工作段近似地看成直線，當(dāng)UCE為常數(shù)時，UBE與IB之比稱為晶體管的輸入電阻，在小信號的條件下，rbe是一常數(shù)，由它確定ube和ib之間的關(guān)系。因此，晶體管的輸入電路可用rbe等效代替。1.4.5三極管的微變等效電路低頻小功率晶體管輸入電阻的常用下式估算rbe是對交流而言的一個動態(tài)電阻。QIC

UCE

IBICICUCE晶體管輸出特性曲線的線性工作區(qū)是一組近似等距離的平行直線，當(dāng)UCE為常數(shù)時，IC與IB之比即為晶體管的電流放大系數(shù)，在小信號的條件下，是一常數(shù)，由它確定ic受ib的控制關(guān)系。因此，晶體管的輸出電路可用一受控電流源ic=ib等效代替。QIC

UCE

IBICICUCEUCE晶體管的輸出特性曲線不完全與橫軸平行，當(dāng)IB為常數(shù)時，UCE與IC之比稱為晶體管的輸出電阻，在小信號的條件下，rce也是一常數(shù)，在等效電路中與

ib并聯(lián)，EBCrceicrbe

ibib+uce+ubeCBE+ube+uceicibT由以上分析可得出晶體管的微變等效電路由于rce的阻值很高，可以將其看成開路。EBCicrbe

ibib+uce+ube––EBCicrbe

ibib+uce+ube––ieSiO2結(jié)構(gòu)示意圖1.5.1

絕緣柵場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)P型硅襯底源極S柵極G漏極D1.5

絕緣柵型場效應(yīng)管襯底引線BN+N+DBSG符號1.

N溝道增強(qiáng)型

場效應(yīng)管分為增強(qiáng)型和耗盡型，導(dǎo)電溝道分為P溝道和N溝道。N溝道載流子為電子，P溝道載流子為空穴。SiO2結(jié)構(gòu)示意圖1.5.1

絕緣柵場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)N型硅襯底源極S柵極G漏極D1.5

絕緣柵型場效應(yīng)管襯底引線BP+P+DBSG符號2.

P溝道增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底源極S漏極D柵極G襯底引線B耗盡層3.N溝道耗盡型N+N+正離子N型溝道SiO2DBSG符號

制造時,在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子，形成原始導(dǎo)電溝道。GDBS符號P溝道耗盡型N溝道耗盡型SiO2結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底耗盡層襯底引線BN+N+SGDUDSID

=0D與S之間是兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，無論D與S之間加什么極性的電壓，總有一個PN結(jié)是反向偏置，漏極電流均接近于零。1.5.2場效應(yīng)管的工作原理(1)UGS=01.增強(qiáng)型NMOS管P型硅襯底N++BSGD。耗盡層ID=0(2)0<UGS

<UGS(th)

由柵極指向襯底方向的電場使空穴向下移動,電子向上移動,在P型硅襯底的上表面形成耗盡層。仍然沒有漏極電流。UGSN+N+UDS1.增強(qiáng)型NMOS管UGS(th)：使

NMOS管導(dǎo)通的開啟電壓。P型硅襯底N++BSGD。UDS耗盡層ID

柵極下P型半導(dǎo)體表面形成N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)D、S加上正向電壓后可產(chǎn)生漏極電流ID。(3)UGS>UGS(th)N型導(dǎo)電溝道N+N+UGS1.增強(qiáng)型NMOS管

通過控制UGS來控制導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制電流ID。N型硅襯底N++BSGD。耗盡層PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖P溝道PMOS管與NMOS管互為對偶關(guān)系，使用時UGS

、UDS的極性也與NMOS管相反。P+P+UGSUDSID2.增強(qiáng)型PMOS管3.耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管夾斷電壓UGS(off)為正值，UGS

<

UGS(off)時導(dǎo)通。

導(dǎo)電溝道在管子制成后就已存在，在漏源極加正向電壓，就會有漏極電流ID，對于耗盡型NMOS管：當(dāng)UGS>0時，導(dǎo)電溝道變寬；UGS<0時導(dǎo)電溝道變窄。為了使UGS能從ID=0開始控制ID的大小，應(yīng)使UGS<0，使ID=0的UGS稱為夾斷電壓UGS(off)。UGS

>

UGS(off)時管子導(dǎo)通，夾斷電壓UGS(off)為負(fù)值。對于耗盡型PMOS管：4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強(qiáng)型

NMOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

V1.5.3場效應(yīng)管的特性曲線UGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA（1）可變電阻區(qū)：UGS不變，ID與UDS成正比，漏源之間相當(dāng)于一個受UGS電壓控制的可變電阻。夾斷區(qū)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強(qiáng)型

NMOS

管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA（2）飽和區(qū)（放大區(qū)）：UDS大于一定值，ID幾乎不隨UDS變化，ID

受UGS的控制。相當(dāng)于電壓控制電流源。夾斷區(qū)4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強(qiáng)型

NMOS管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA（3）擊穿區(qū)：UDS過大，ID急劇增加。夾斷區(qū)（4）夾斷區(qū)：UGS

<UGS(th)

，場效應(yīng)管截止，ID=04321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增強(qiáng)型

NMOS管的特性曲線

0123飽和區(qū)擊穿區(qū)可變電阻區(qū)246UGS

/

VUGs(th)輸出特性轉(zhuǎn)移特性UDS/VID/mA轉(zhuǎn)移特性：

柵極對漏極電流的控制作用，場效應(yīng)管是電壓控制器件。夾斷區(qū)1.5.4場效應(yīng)管的微變等效電路SiO2P型硅襯底源極S柵極G漏極D襯底引線BN+N+DBSG符號

絕緣柵型場效應(yīng)管的柵源之間為一層絕緣物質(zhì)，即使在柵源之間加入電壓，柵源之間也沒有電流，管子的輸入電阻很高，認(rèn)為柵源之間開路。1.5.4場效應(yīng)管的微變等效電路DBSG符號場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)，表現(xiàn)出恒流特性，漏極電流的變化量ID與柵、源極間的電壓變化量UGS成比例變化，即場效應(yīng)管小信號的微變等效電路gmugsidugs++udsDGS

輸出回路可等效為電壓控制的受控電流源。場效應(yīng)管小信號的微變等效電路如圖所示在UDS=0時，柵源電壓與柵極電流的比值，其值很高。1.5.5絕緣柵場效應(yīng)管的主要參數(shù)1.開啟電壓UGS(th)

指在一定的UDS下，開始出現(xiàn)漏極電流所需的柵源電壓。它是增強(qiáng)型MOS管的參數(shù)，NMOS為正，PMOS為負(fù)。2.夾斷電壓UGS(off)

指在一定的UDS下，使漏極電流近似等于零時所需的柵源電壓。是耗盡型MOS管的參數(shù)，NMOS管是負(fù)值，PMOS管是正值。3.直流輸入電阻RGS（DC）4.低頻跨導(dǎo)gm

UDS為常數(shù)時，漏極電流的微變量與引起這個變化的柵源電壓的微變量之比稱為跨導(dǎo),即

另外，漏源極間的擊穿電壓U(BR)DS、柵源極間的擊穿電壓U(BR)GS以及漏極最大耗散功率PDM是管子的極限參數(shù)，使用時不可超過。gm=ID

/UGSUGS=常數(shù)

跨導(dǎo)是衡量場效應(yīng)管柵源電壓對漏極電流控制能力的一個重要參數(shù)。1.6電力半導(dǎo)體器件

電力半導(dǎo)體器件是用來進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，功率控制與處理的核心器件。它與前面介紹的半導(dǎo)體器件不同，一方面它必須要有高電壓，大電流的承受能力，另一方面必須以開關(guān)模式運(yùn)行。電力半導(dǎo)體器件有很多種類和不同的分類方式，按照開通、關(guān)斷控制方式可分為三大類：（1）不控型。這是一類兩個極的器件，一端是正極，另一端是負(fù)極，其開通和關(guān)斷由兩個極所加電壓來決定，常見的有大功率二極管、快速恢復(fù)二極管等。（2）半控型。這類器件是三個極的器件，除了正負(fù)極外，還有一個控制極，它的開通可以通過控制極控制，但不能通過控制極控制關(guān)斷。這類器件主要有晶閘管。

1.6電力半導(dǎo)體器件

（3）全控型。這類器件也是三個極的器件，控制極不僅可以控制其開通，而且也能控制其關(guān)斷，這類器件是電力半導(dǎo)體器件的主導(dǎo)方向，代表這類器件有控制極可關(guān)斷晶閘管GTO，雙極型大功率晶體管BJT，絕緣柵型雙極晶體管IGBT等。晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率半導(dǎo)體器件，主要用于整流、逆變電路中，具有體積小，耐壓高的特點。5.6.1晶閘管1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管結(jié)構(gòu)示意圖及符號P1P2N1N2J1J2J3KAGGAKTIA

晶閘管是一個PNPN四層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，有三個PN結(jié)J1、J2、J3，引出三個極，分別為陽極A，陰極K，控制極G。工作原理：

當(dāng)晶閘管陽極A與陰極K兩端加正向電壓（uAK0），J2結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，器件A、K兩端仍不導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為正向阻斷狀態(tài)。P1P2N1N2J1J2J3KAG

當(dāng)在晶閘管陽極A與陰極K兩端加反向電壓（uAK0），J1、J3結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，器件A、K兩端不導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為反向阻斷狀態(tài)。工作原理：

并且即使電壓uG消失，晶閘管仍可保持導(dǎo)通。因此控制極的作用只是使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，導(dǎo)通后控制極就失去了控制用。晶閘管導(dǎo)通時，陽極與陰極之間的正向壓降一般為0.6~1.2V。

在這種情況下若在晶閘管的控制極G與陰極K間加一個正向電壓uG，又稱觸發(fā)電壓，且uG0，這個觸發(fā)電壓使晶閘管A、K兩端導(dǎo)通，晶閘管一旦導(dǎo)通，就顯示出了與二極管類似的正向特性。P1P2N1N2J1J2J3KAG

若要關(guān)斷晶閘管，可減小陽極電流IA到維持電流IH以下，使它由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)檎蜃钄酄顟B(tài)而關(guān)斷；或在陽極與陰極之間加反向電壓，使其由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榉聪蜃钄酄顟B(tài)而關(guān)斷。

綜上所述，晶閘管的導(dǎo)通條件為：在陽極和陰極間加正向電壓，并在控制極和陰極之間加正向觸發(fā)電壓。晶閘管的關(guān)斷條件：使IAIH或在陽極與陰極間加反向電壓。因此可將晶閘管看成是一個可控的單向?qū)щ婇_關(guān)。

雙向晶閘管。它是可以兩個方向控制導(dǎo)通的晶閘管，其符號如圖所示。用T1和T2分別表示兩個極，G仍為控制極。GT1T2

實際上它相當(dāng)于兩個反向并聯(lián)晶閘管的組合，只是共用一個控制極，通過在控制極施加正負(fù)電壓來控制晶閘管的雙向?qū)?。雙向晶閘管GT1T2T2T1G通常uT2T10時，控制極與T1極間加正向電壓，即uGT10，雙向晶閘管為正向?qū)?；uT2T10時，在控制極與T1極間加反向控制電壓，即uGT10，雙向晶閘管為反向?qū)ā?/p>

晶閘管有兩個工作區(qū)域。當(dāng)晶閘管承受反向電壓，且大小低于反向擊穿電壓UBR時，僅有極小的反向漏電電流，與二極管的反向特性類似。這時無論控制極是否有正向電壓，晶閘管均不會導(dǎo)通，處于反向阻斷狀態(tài)。晶閘管的特性曲線IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH02.晶閘管的特性曲線

當(dāng)反向電壓超過一定值并達(dá)到反向擊穿電壓時，會使反向漏電電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管損壞。IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0

當(dāng)晶閘管兩端加入正向電壓、而控制極未加電壓時，IG＝0，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電電流IA。若晶閘管兩端正向電壓增加到某一數(shù)值時（UDSM），電流IA突然急劇增加，晶閘管在沒有控制極電壓作用下，由正向阻斷變?yōu)閷?dǎo)通，這個電壓UDSM稱為晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓。

在正常工作時，一般不允許晶閘管上的正向電壓值達(dá)到UDSM，因為這將失去晶閘管控制極的作用，同時這種導(dǎo)通方法容易造成晶閘管的損壞。IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0

若在控制極上加觸發(fā)電壓，則產(chǎn)生控制極電流，即IG0，這會降低轉(zhuǎn)折電壓，電流IG越大，轉(zhuǎn)折電壓越低。電流IG從控制極流入晶閘管、從陰極流出晶閘管。雙向晶閘管的特性曲線在第1和第3象限有對稱的伏安特性。雙向晶閘管特性曲線IUIG=00（1）

正向重復(fù)峰值電壓UDRMUDRM是指控制極開路時，允許重復(fù)加在晶閘管上的最大正向電壓，通常UDRM＝0.8UDSM3.晶閘管的主要參數(shù)(2)反向重復(fù)峰值電壓URRMURRM是指控制極開路時，允許重復(fù)加在晶閘管上的最大反向電壓，通常URRM＝0.8UBR。普通晶閘管的UDRM和URRM的值為100~3000V。(3)額定正向平均電流IF

IF是指在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱及晶閘管全導(dǎo)通條件下，允許晶閘管連續(xù)通過的工頻正弦半波在一個周期內(nèi)的平均值即（4）維持電流IHIH是指在控制極開路和規(guī)定環(huán)境溫度下，維持晶間管導(dǎo)通的最小電流。當(dāng)晶閘管正向電流小于IH時，晶閘管將自行關(guān)閉。（5）控制極觸發(fā)電流IGIG是指在室溫和陽、陰極之間直流電壓為6V條件下，使晶閘管完全導(dǎo)通所需的最小控制極直流電流，從幾毫安至幾百毫安。（6）控制極觸發(fā)電壓UGUG是指使晶閘管正向?qū)〞r，控制極所加電壓，一般為1~5V。1.6.2晶閘管的應(yīng)用1.單相半波可控整流電路(1)電阻性負(fù)載

當(dāng)電源電壓為正半周時，晶閘管T承受正向電壓，在t1時刻，控制極加入觸發(fā)電壓uG，晶閘管從t1時刻開始導(dǎo)通，導(dǎo)通后負(fù)載上輸出電壓uo。當(dāng)電壓u下降接近零時，晶閘管因正向電流小于維持電流而關(guān)斷。設(shè)電壓uoRLT+uTu~++iou0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiouo

在u的負(fù)半周，晶閘管T承受反向電壓而阻斷。在下一個周期的同一時刻再次加入觸發(fā)電壓，重復(fù)前一個周期的過程。u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiououoRLT+uTu~++io稱為控制角，控制晶閘管的導(dǎo)通時刻，稱為導(dǎo)通角。在單相半波整流電路中與的關(guān)系為＝180－導(dǎo)通角越大，輸出電壓越高。整流電路輸出電壓平均值為輸出電流平均值為整流元件中流過的電流平均值

（2）電感性負(fù)載

由于電感的存在，使電流io不能發(fā)生躍變。當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時，電流io將由0逐漸增加（因為電感元件中的感應(yīng)電動勢阻礙電流變化）電流達(dá)到最大值的時間滯后于電壓uo達(dá)到最大值的時間。當(dāng)電壓下降到零后，電流io并不為零，在u變?yōu)樨?fù)值以后仍能使晶閘管導(dǎo)通，這時感應(yīng)電動勢大于電壓u，且極性仍使晶閘管導(dǎo)通，只有當(dāng)io降低到維持電流以下時，晶閘管才關(guān)斷。感性負(fù)載半波可控整流電路uoRLT+uTu~++io（a）L（b）u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiouo

在交流電壓u進(jìn)入負(fù)半周以后，出現(xiàn)了一段晶閘管導(dǎo)通的時間，使輸出電壓uo出現(xiàn)了負(fù)值。電感越大，uo出現(xiàn)負(fù)值的時間越長，這樣會使輸出電壓uo的平均值下降。

為了避免這種情況出現(xiàn)，通常是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個二極管（稱續(xù)流二極管）。當(dāng)u為正半周時，二極管D截止。當(dāng)u為負(fù)半周時，二極管D兩端承受正向偏壓而導(dǎo)通，這時負(fù)載電流io（由感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的）經(jīng)二極管形成回路，則輸出電壓近似為零，晶閘管因承受反向電壓而關(guān)斷，（b）u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiououoRLT+uTu~++io（a）LD有續(xù)流二極管的感性負(fù)載半波可控整流電路2.單相半控橋式整流電路

（1）電阻性負(fù)載將單相橋式整流電路的兩個二極管用晶閘管替代，即構(gòu)成了單相半控橋式整流電路。單相半控橋電阻性負(fù)載整流電路

當(dāng)電壓u為正半周時，T1、D2承受正向偏壓，若在t1時刻對晶閘管T1的控制極加入觸發(fā)電壓，則T1和D2導(dǎo)通，形成輸出電壓uo（上“＋”下“－”），此時T2和D1承受反向偏壓而截止。uoioRLau~++T1T2D1D2buuG0t0tuo0tuT1uuGt1t2ioiouo

當(dāng)u為負(fù)半周時。T2和D1承受正向偏壓。在t2時刻對晶閘管T2加入觸發(fā)電壓，則T2和D1導(dǎo)通，形成輸出電壓uo（仍為上“＋”下“－”）。此時T1和D2承受反向偏壓而截止。RLau~++T1T2D1D2buoio2.單相半控橋式整流電路整流電路接電阻性負(fù)載時的輸出電壓平均值為輸出電流平均值為整流元件中流過電流的平均值為

晶閘管和二極管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為

（2）電感性負(fù)載單相半控橋電感性負(fù)載整流電路uoioRLu~++T1T2D1D2LDu0t0tuouuGt1t2ioiououuG

晶閘管和二極管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為uo平均值負(fù)載電流Io的平均值仍為

由以上分析可以看出控制角增大，輸出電壓平均值減小，控制角減小，輸出電壓平均值增加。改變控制角，就改變了輸出電壓的大小。[例]單相半控橋電阻性負(fù)載整流電路，若RL＝10，U＝90V，試求＝30時，整流電壓平均值Uo和整流電流平均值Io及整流元件所承受的最大反向電壓。最大反向電壓[解]晶閘管是工作在開關(guān)狀態(tài)，存在著產(chǎn)生高電壓，大電流沖擊的可能，因此要在電路中加入保護(hù)環(huán)節(jié)，避免造成晶閘管的損壞。對晶閘管的保護(hù)主要有過電流和過電壓保護(hù)。

（1）過電流保護(hù)

快速熔斷器?？焖偃蹟嗥鞑捎勉y質(zhì)熔絲以保證在電流發(fā)生過載或短路時在短時間內(nèi)及時切斷電路，保護(hù)晶閘管不被損壞?？焖偃蹟嗥骺膳c被保護(hù)元件串聯(lián)連接。過電流繼電器。過流繼電器只對電路過載時起保護(hù)作用，過流繼電器通常串聯(lián)接在輸入端或輸出端。3.晶閘管的保護(hù)過電壓保護(hù)。引起過電壓的原因是在具有電感元件的電路中，當(dāng)切斷電路時，電路中電感元件會產(chǎn)生高電壓，極易引起晶閘管的損壞。阻容保護(hù)是經(jīng)常采用的一種過壓保護(hù)措施，它是由電阻與電容的串聯(lián)來吸收過電壓，使元件上電壓上升速度減慢。RLRCLCCRRCRCR晶閘管過壓保護(hù)電路D1D2T1T2

除了在晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓外，還必須在控制極與陰極之間加觸發(fā)電壓，才能使晶閘管導(dǎo)通。提供觸發(fā)電壓的電路稱為觸發(fā)電路，所需觸發(fā)電壓是一系列的觸發(fā)脈沖信號。對觸發(fā)電路的要求如下：1.6.3晶閘管的觸發(fā)電路（1）有足夠的觸發(fā)功率。一般觸發(fā)電壓為4~10V，觸發(fā)電流為數(shù)十至數(shù)百毫安。（2）有足夠的觸發(fā)脈沖寬度，通常大于10s。并且觸發(fā)電壓波形的前沿要陡直。（3）觸發(fā)時間要準(zhǔn)確，并與整流電路的交流電源同步。（4）觸發(fā)電壓能在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)平穩(wěn)移動。1.單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)及工作原理單結(jié)晶體管符號B2PNB1EDRB2RB1B2B1EB2B1E

在一塊N型半導(dǎo)體上制成一個PN結(jié)，從P區(qū)引出發(fā)射極E，從N型半導(dǎo)體兩端引出兩個電極，分別稱為第一基極B1和第二基極B2

B1和B2兩個基極與N型半導(dǎo)體間有幾千歐的電阻，發(fā)射極對B1B2均形成PN結(jié)，PN結(jié)可等效為二極管D?；鶚OB1與N型半導(dǎo)體間的電阻為RB1，RB1是一個可變電阻，基極B2與N型半導(dǎo)體間的電阻為RB2。單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管等效電路0IEUEP截止區(qū)導(dǎo)通區(qū)UPVUVIPIVUEEDRB2RB1B2B1E+--+UBBUERAIE工作原理稱為單結(jié)體晶管的分壓比，一般在0.3~0.9之間。若UEVA＋UD，PN結(jié)處于反向偏置，單結(jié)晶體管的發(fā)射極電流IE0，單結(jié)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)升高UE使UE＝UP＝VA＋UD，PN結(jié)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，UP為單結(jié)晶體管的峰點電壓，對應(yīng)的發(fā)射極電流IP為峰點電流。A點電位為：0IEUEP截止區(qū)導(dǎo)通區(qū)UPVUVIPIVUEEDRB2RB1B2B1E+--+UBBUERAIE工作原理

當(dāng)UEUP后，PN結(jié)正向?qū)?，IE顯著增加，但由于RB1隨著PN結(jié)的導(dǎo)通而急劇下降，使VA下降，從而導(dǎo)致UE下降，這種UE下降而IE增加的現(xiàn)象稱為負(fù)阻現(xiàn)象。當(dāng)UE下降到某一值（UV）時，PN結(jié)將自動關(guān)斷，UV稱為谷點電