晶體管的特性與應(yīng)用

關(guān)于晶體管的特性與應(yīng)用第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月一、二極管的導(dǎo)電特性

正向特性

當(dāng)所加的正向電壓達(dá)到某一數(shù)值（稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）后，二極管才能真正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V），稱為二極管的“正向壓降”。

反向特性

二極管兩端加反向電壓時，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，但仍然會有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦?，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。

第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、二極管的分類按半導(dǎo)體材料可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。根據(jù)其不同用途又可分為:普通二極管和特殊二極管。普通二極管包括快速二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、檢波二極管等；特殊二極管包括變?nèi)荻O管、發(fā)光二極管、隧道二極管、觸發(fā)二極管等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月三、二極管的主要參數(shù)

正向電壓降

VF

導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.7V）

正向工作電流Iav－平均電流,

是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值。因為電流通過管子時會使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為140左右，鍺管為90左右）時，就會使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。最大浪涌電流IFSM

允許流過的過量的正向電流。它不是正常電流，而是瞬間電流，這個值相當(dāng)大。

第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月反向峰值電壓

(VRRM－最大周期性反向電壓

)

二極管正向工作時所能承受的周期浪涌電流的最大值。

反向飽和漏電流IR

指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶谩５聪螂娏魇軠囟鹊挠绊戄^大，一般硅管比鍺管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。開關(guān)速度Trr和最高工作頻率

fm

當(dāng)工作電壓從正向電壓變成反向電壓時，二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實際上，一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時間。決定電流截止延時的量，就是反向恢復(fù)時間。開關(guān)速度和最高工作頻率取決于二極管的反向恢復(fù)時間，一般高頻開關(guān)管的反向回復(fù)時間為幾十nS,甚至幾個nS。第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月快速二極管

快速二極管的工作原理與普通二極管是相同的,普通二極管工作在開關(guān)狀態(tài)下的反向恢復(fù)時間較長，約5us以上，不能適應(yīng)高頻開關(guān)電路的要求?？焖俣O管主要應(yīng)用于高頻整流電路、高頻開關(guān)電源、高頻阻容吸收電路、逆變電路等，其反向恢復(fù)時間可達(dá)10ns。快速二極管主要包括快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。四、二極管的應(yīng)用

第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1）、快恢復(fù)二極管(PIN型二極管

)

（簡稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。在制造上采用摻金、單純的擴(kuò)散等工藝，可獲得較高的開關(guān)速度，同時也能得到較高的耐壓?？旎謴?fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間較短，正向壓降高于普通二極管（1～2V)，反向擊穿電壓（耐壓值）較高(多在1500V以下）。目前快恢復(fù)二極管主要應(yīng)用在開關(guān)電源中作整流元件，高頻電路中的限幅、嵌位等。第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月CHARGER電路中的Snubber，主要作用是吸收變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，箝位二極管應(yīng)選擇反向擊穿電壓高于開關(guān)管的漏源擊穿電壓且反向恢復(fù)時間盡可能短的超快恢復(fù)二極管。如圖，D2選用UF4007(1A1KV).從性能，可分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個等級。前者反向回復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下。第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2）、肖特基（Schottky）二極管由金屬與半導(dǎo)體接觸形成的勢壘層為基礎(chǔ)制成的二極管，是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻器、驅(qū)動器等電路，作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管使用肖特基二極管在結(jié)構(gòu)原理上與PN結(jié)二極管有很大區(qū)別，它的內(nèi)部是由陽極金屬（用鉬或鋁等材料制成的阻擋層）、二氧化硅（SiO2）電場消除材料、N-外延層（砷材料）、N型硅基片、N+陰極層及陰極金屬等構(gòu)成。在N型基片和陽極金屬之間形成肖特基勢壘。當(dāng)在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓（陽極金屬接電源正極，N型基片接電源負(fù)極）時，肖特基勢壘層變窄，其內(nèi)阻變??；反之，若在肖特基勢壘兩端加上反向偏壓時，肖特基勢壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

肖特基二極管其主要特點(diǎn)是正向?qū)▔航敌。s0.45V），反向恢復(fù)時間短和開關(guān)損耗小，存在的問題是耐壓比較低，反向漏電流比較大。目前應(yīng)用在功率變換電路中的肖特基二極管的大體水平是耐壓在150V以下，平均電流在100A以下，反向恢復(fù)時間在10～40ns。肖特基二極管應(yīng)用在高頻低壓電路中，是比較理想的。

第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月整流二極管

利用二極管單向?qū)щ娦?，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動直流電。廣泛應(yīng)用于處理頻率不高的電路中。

整流的方式也分為多種：主要有半波、全波、橋式。

整流分為工頻和高頻整流，表現(xiàn)為頻率的不同。D1為工頻整流二極管

，D2為高頻整流二極管。

第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

工頻整流一般用在對市電進(jìn)行整流，廠內(nèi)UPS電路中以CHARGER電路為例，輸入一般為橋式整流，須考慮的主要參數(shù)有：

Iav=Pomax

/VOη；

Vpeak=2Uin;--VRRMMAXrepetitivereversevoltage

在選取整流二極管會加一定的裕量，以防出現(xiàn)特殊情況。此外還必須考慮到廠內(nèi)現(xiàn)有物料以及通用性。廠內(nèi)常用的工頻整流橋有：2W10G（2A1KV）；GBU6M（6A1KV）

第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

高頻整流管一般用于高頻輸出整流，須考慮的主要參數(shù)有：

Iav=Po/Vo;

IMAX=2PO/VO(1-DMAX)（電流臨界）;

Vrmax=Vo+N*VinmaxN—變壓器匝比；

正向壓降VF－－二極管功率越大，VF相對較?。贿x用超快恢復(fù)二極管。

負(fù)載功率大的，還須通過測量溫升，再調(diào)整晶體管參數(shù)。

第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月左圖為CHARGER電路中輸出部分，其中高頻整流管為D3，所用晶體管為ER8020(8A200V)。

D4，D6起反向隔離作用。第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月繼流二極管在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起繼流作用。左圖，通過BST.DRV來驅(qū)動RELAY，電流的跳變時，使RELAY中線圈產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢，通過二極管IN4148(0.15A75V)來繼流，泄放能量，保護(hù)驅(qū)動管。也可不加二極管，但須保證驅(qū)動管耐壓足夠高，不被擊穿。第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月限幅元件

正向壓降基本保持不變（硅管為0.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內(nèi)。用于電壓波動較大的地方。

UPS中電壓波動較大的地方有市電偵測，電池電壓偵測，溫度偵測等，所以在送入單片機(jī)檢測端時須限幅，廠內(nèi)一般使用IN4148(0.15A75V)、作為限幅元件。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光二極管

廠內(nèi)所使用的LED主要分綠色，紅色，黃色，橙色的單色和雙色發(fā)光二極管，其驅(qū)動電流，會影響發(fā)光強(qiáng)度，所以在選擇限流電阻時須注意LED的正向電壓（typ.:2V)及正向電流約20mA。同樣結(jié)構(gòu)也有多種，具體選用何種，須結(jié)合PCB，外殼的要求來選擇。

第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓二極管利用二極管反向擊穿后的伏安特性十分陡峭，也就是說，二極管兩端的電壓隨通過的電流變化而變化很小，通過電阻來限流，以至于二極管不被燒毀。穩(wěn)壓管的誤差較大（5％、10％，也有2％）。一般不用于精密穩(wěn)壓電路。

第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有：（1）穩(wěn)壓值VZ

。指當(dāng)流過穩(wěn)壓管的電流為某一規(guī)定值時，穩(wěn)壓管兩端的壓降。（2）電壓溫度系數(shù)

。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值VZ的溫度系數(shù)在VZ低于4V時為負(fù)溫度系數(shù)值；當(dāng)VZ的值大于7V時，其溫度系數(shù)為正值；而VZ的值在6V左右時，其溫度系數(shù)近似為零。目前低溫度系數(shù)的穩(wěn)壓管是由兩只穩(wěn)壓管反向串聯(lián)而成，利用兩只穩(wěn)壓管處于正反向工作狀態(tài)時具有正、負(fù)不同的溫度系數(shù)，可得到很好的溫度補(bǔ)償。（3）動態(tài)電阻rZ。表示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣，一般工作電流越大，rZ越小。（4）允許功耗PZ。由穩(wěn)壓管允許達(dá)到的溫升決定，小功率穩(wěn)壓管的PZ值為100～1000mW,大功率的可達(dá)50W。（5）穩(wěn)定電流IZ。測試穩(wěn)壓管參數(shù)時所加的電流。實際流過穩(wěn)壓管的電流低于IZ時仍能穩(wěn)壓，但rZ較大。第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

特性

適用范圍超快速二極管反向恢復(fù)時間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高主要應(yīng)用在開關(guān)電源中作高頻整流、續(xù)流元件，高頻電路中的限幅、嵌位等蕭特基二極管耐壓比較低，反向漏電流比較大，反向恢復(fù)時間較短，開關(guān)損耗小主要應(yīng)用在高頻低壓電路中

整流二極管允許通過的電流比較大，反向擊穿電壓比較高，但PN結(jié)電容比較大

廣泛應(yīng)用于處理頻率不高的電路中

穩(wěn)壓二極管既具有普通二極管的單向?qū)щ娞匦?，又可工作于反向擊穿狀態(tài)。缺點(diǎn)是存在噪聲

在要求精度不高、電流變化范圍不大的情況下，起穩(wěn)壓作用發(fā)光二極管工作電壓低，工作電流小，發(fā)光均勻、壽命長。主要用于狀態(tài)指示第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月五、二極管使用注意事項

在了解二極管的特性與應(yīng)用后，在設(shè)計電路過程中，根據(jù)二極管在電路中的功用選取合適的元件，需注意：選擇合適的參數(shù)選擇常用的二極管價格的考量

第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月三極管的特性與應(yīng)用

晶體三極管又稱雙極器件（BipolarJunctionTransistor,用BJT表示），它的基本組成部分是兩個靠得很近且背對背排列的PN結(jié)。根據(jù)排列的方式不同，晶體三極管分為NPN和PNP兩種類型。晶體三極管和晶體二極管一樣都是非線性器件，但它們的主要特性卻截然不同。晶體二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?，而晶體三極管的主要特性則與其工作模式有關(guān)。第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月一、三極管的三種工作模式放大模式

三極管工作在放大模式的條件：發(fā)射結(jié)加正偏、集電結(jié)加反偏。呈現(xiàn)的主要特性時正向受控作用，飽和模式三極管工作在飽和模式的條件：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均加正偏。截止模式三極管工作在截止模式的條件：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均加反偏。飽和與截止模式呈現(xiàn)受控開關(guān)特性，是實現(xiàn)開關(guān)電路的基礎(chǔ)

第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體三極管的開關(guān)特性

BE結(jié)在由正向電壓轉(zhuǎn)為反向時，內(nèi)建電場建立的時間與電流第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖（a）所示，當(dāng)基極回路輸入一幅值為UP（UP>>UBB）的正脈沖信號，基極電流立即上升IB=(UP-UBB-UBE)/RB,在IB的作用下，發(fā)射結(jié)逐漸由反偏變?yōu)檎?，BJT由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，集電結(jié)為零偏甚至正偏，集電極于發(fā)射極之間壓降UCE≈0,BJT工作在飽和狀態(tài)，BJT相當(dāng)于閉合開關(guān)。如圖（b）當(dāng)基極輸入脈沖為負(fù)或零時，BJT的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反偏，集電極電流逐漸下降到IC=ICEO≈0,因此負(fù)載電阻RL上的壓降可以忽略不計，集電極與發(fā)射極之間的壓降UCE≈UCC,即BJT工作在截止?fàn)顟B(tài),BJT相當(dāng)于一斷開的開關(guān)。

第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體管開關(guān)損耗△P＝ic*uc

圖可明顯看出晶體管開關(guān)損耗取決與開通時間ton和關(guān)斷時間toff。ton和toff越小，即開關(guān)波形越趨于方波，開關(guān)損耗越小，溫度越低。

第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月三、晶體三極管的參數(shù)

共發(fā)射極電流增益?，反映了三極管的放大能力。

集電極最大工作電流IC

集電極最大直流峰值電流ICM，由集電極允許承受的最大電流決定。

集電極允許最高電壓UCEO

隨著VCE的增大，加在集電結(jié)的反偏電壓VCB相應(yīng)增大。當(dāng)VCE增大到一定值時，集電結(jié)發(fā)生反向擊穿，造成電流IC劇增。產(chǎn)生反向擊穿的主要時雪崩擊穿。

第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月集電極最大允許耗散功率PCM

在晶體三極管中。兩個結(jié)上的消耗的功率分別等于通過結(jié)的電流與加在結(jié)上的電壓的相乘積。由于VCE中絕大部分降在集電結(jié)上，因此，加到集－射極間的功率PC=VCE*IC主要消耗在集電結(jié)上，這個功率降導(dǎo)致集電結(jié)發(fā)熱而使其結(jié)溫度升高。為保證管子安全工作，PC必須小于或等于PCM。

飽和導(dǎo)通時集電極－發(fā)射極電壓VCE(SAT).

由于存在著體電阻合引線電阻