晶體管的特性與應用

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

正向特性

當所加的正向電壓達到某一數(shù)值（稱為“門檻電壓”，鍺管約為0.2V，硅管約為0.6V）后，二極管才能真正導通。導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，二極管處于截止狀態(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導電特性，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；特殊二極管包括變容二極管、發(fā)光二極管、隧道二極管、觸發(fā)二極管等。按照管芯結構，又可分為點接觸型二極管、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，管子的單方向導電性能越好。但反向電流受溫度的影響較大，一般硅管比鍺管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。開關速度Trr和最高工作頻率

fm

當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，一般要延遲一點點時間。決定電流截止延時的量，就是反向恢復時間。開關速度和最高工作頻率取決于二極管的反向恢復時間，一般高頻開關管的反向回復時間為幾十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狀態(tài)下的反向恢復時間較長，約5us以上，不能適應高頻開關電路的要求。快速二極管主要應用于高頻整流電路、高頻開關電源、高頻阻容吸收電路、逆變電路等，其反向恢復時間可達10ns?？焖俣O管主要包括快恢復二極管和肖特基二極管。四、二極管的應用

第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1）、快恢復二極管(PIN型二極管

)

（簡稱FRD）是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、PWM脈寬調制器、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、單純的擴散等工藝，可獲得較高的開關速度，同時也能得到較高的耐壓?？旎謴投O管的內部結構與普通PN結二極管不同，它屬于PIN結型二極管，即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I，構成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復電荷很小，所以快恢復二極管的反向恢復時間較短，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）。目前快恢復二極管主要應用在開關電源中作整流元件，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，箝位二極管應選擇反向擊穿電壓高于開關管的漏源擊穿電壓且反向恢復時間盡可能短的超快恢復二極管。如圖，D2選用UF4007(1A1KV).從性能，可分為快恢復和超快恢復兩個等級。前者反向回復時間為數(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體接觸形成的勢壘層為基礎制成的二極管，是一種低功耗、超高速半導體器件，廣泛應用于開關電源、變頻器、驅動器等電路，作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護二極管使用肖特基二極管在結構原理上與PN結二極管有很大區(qū)別，它的內部是由陽極金屬（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成。在N型基片和陽極金屬之間形成肖特基勢壘。當在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓（陽極金屬接電源正極，N型基片接電源負極）時，肖特基勢壘層變窄，其內阻變??；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是正向導通壓降?。s0.45V），反向恢復時間短和開關損耗小，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，反向恢復時間在10～40ns。肖特基二極管應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

利用二極管單向導電性，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行整流，廠內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現(xiàn)有物料以及通用性。廠內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??；選用超快恢復二極管。

負載功率大的，還須通過測量溫升，再調整晶體管參數(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電源的電感中和繼電器等感性負載中起繼流作用。左圖，通過BST.DRV來驅動RELAY，電流的跳變時，使RELAY中線圈產(chǎn)生反向感應電動勢，通過二極管IN4148(0.15A75V)來繼流，泄放能量，保護驅動管。也可不加二極管，但須保證驅動管耐壓足夠高，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。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，所以在送入單片機檢測端時須限幅，廠內一般使用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，其驅動電流，會影響發(fā)光強度，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。同樣結構也有多種，具體選用何種，須結合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時為負溫度系數(shù)值；當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、負不同的溫度系數(shù)，可得到很好的溫度補償。（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時間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高主要應用在開關電源中作高頻整流、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，反向恢復時間較短，開關損耗小主要應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結電容比較大

廣泛應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導電特性，又可工作于反向擊穿狀態(tài)。缺點是存在噪聲

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用后，在設計電路過程中，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。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導電性，而晶體三極管的主要特性則與其工作模式有關。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)射結加正偏、集電結加反偏。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、集電結均加正偏。截止模式三極管工作在截止模式的條件：發(fā)射結、集電結均加反偏。飽和與截止模式呈現(xiàn)受控開關特性，是實現(xiàn)開關電路的基礎

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

BE結在由正向電壓轉為反向時，內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)射結逐漸由反偏變?yōu)檎?，BJT由截止狀態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，集電結為零偏甚至正偏，集電極于發(fā)射極之間壓降UCE≈0,BJT工作在飽和狀態(tài)，BJT相當于閉合開關。如圖（b）當基極輸入脈沖為負或零時，BJT的發(fā)射結和集電結都處于反偏，集電極電流逐漸下降到IC=ICEO≈0,因此負載電阻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工作在截止狀態(tài),BJT相當于一斷開的開關。

第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體管開關損耗△P＝ic*uc

圖可明顯看出晶體管開關損耗取決與開通時間ton和關斷時間toff。ton和toff越小，即開關波形越趨于方波，開關損耗越小，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，加在集電結的反偏電壓VCB相應增大。當VCE增大到一定值時，集電結發(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。兩個結上的消耗的功率分別等于通過結的電流與加在結上的電壓的相乘積。由于VCE中絕大部分降在集電結上，因此，加到集－射極間的功率PC=VCE*IC主要消耗在集電結上，這個功率降導致集電結發(fā)熱而使其結溫度升高。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