電工電子課件 十一講

電工電子課件十一講11常用半導(dǎo)體器件11.1二極管11.2三極管11.3三極管的三種工作狀態(tài)*

11.4晶閘管1234211.1二極管觀察與思考3

二極管的結(jié)構(gòu)、外形與符號(hào)二極管：將PN結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，并從P區(qū)和N區(qū)分別焊出兩根金屬引線做正、負(fù)極。外形：符號(hào)：二極管是由半導(dǎo)體材料制成，常用的半導(dǎo)體有鍺和硅。VD陽極（正極）陰極（負(fù)極）4二極管的電流、電壓關(guān)系1．正向偏置與導(dǎo)通狀態(tài)當(dāng)二極管兩端所加的正向電壓比較小時(shí)，正向電流很小，二極管呈現(xiàn)很大的電阻，如圖中OA段。這個(gè)范圍稱為死區(qū)，相應(yīng)的電壓叫死區(qū)電壓。硅二極管的死區(qū)電壓為0.5V左右，鍺二極管的死區(qū)電壓約為0.1~0.2V。外加電壓超過死區(qū)電壓以后，正向電流迅速增加，這時(shí)二極管處于正向?qū)顟B(tài)，如圖中AB

段所示。導(dǎo)通后管子兩端電壓幾乎恒定，硅管約為0.6~0.7V，鍺管約為0.2~0.3V。正偏導(dǎo)通5當(dāng)給二極管加反向電壓時(shí)，所形成的反向電流是很小的，而且在很大范圍內(nèi)基本不隨反向電壓的變化而變化，即保持恒定。當(dāng)反向電壓大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增大，如圖中CD段，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿，相應(yīng)的電壓叫反向擊穿電壓。正常使用二極管時(shí)，是不允許出現(xiàn)這種現(xiàn)象的。CD正偏導(dǎo)通2．反向偏置與截止?fàn)顟B(tài)二極管的電流、電壓關(guān)系6結(jié)論：二極管具有單向?qū)щ娦?。加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時(shí)截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。二極管的電流、電壓關(guān)系7

二極管的主要參數(shù)1．最大整流電流IFM二極管長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)允許通過的最大正向電流的平均值。二極管正常使用時(shí)所允許加的最高反向電壓。2．最高反向工作電壓URM

3．反向電流IR二極管加反向電壓而未擊穿時(shí)的反向電流。IR愈小，單向?qū)щ娦杂谩?11.1.4

發(fā)光二極管發(fā)光二極管是一種把電能直接轉(zhuǎn)化成光能的固體發(fā)光元件，下圖所示為幾種發(fā)光二極管外形及其電路圖形符號(hào)。發(fā)光二極管是由PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦?。?dāng)發(fā)光二極管加上正向電壓時(shí)能發(fā)出一定波長(zhǎng)的光。發(fā)光波長(zhǎng)除與制作使用材料有關(guān)外，還與PN結(jié)所摻“雜質(zhì)”有關(guān)。一般用磷砷化鎵材料制作的發(fā)光二極管發(fā)紅光，磷化鎵材料制作的發(fā)光二極管發(fā)綠光或黃光。發(fā)光二極管的作用：用作電子設(shè)備的通斷指示燈，數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示，也可作為快速光源，以及光電耦合器中的發(fā)光元件。911.1.5

光電二極管

光電二極管由PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦裕怆姸O管管殼上有一個(gè)能射入光的窗口，這個(gè)窗口用有機(jī)玻璃透鏡封閉，入射光通過透鏡正好射在管芯上。如圖11.5所示為光電二極管外形結(jié)構(gòu)及其電路圖形符號(hào)。

光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)。當(dāng)在PN結(jié)上加反向電壓，再用光照射PN結(jié)時(shí)，能形成反向光電流，光電流的大小與光照射強(qiáng)度成正比。光電二極管用途很廣，一般常用作傳感器的光敏電元件，在光電輸入機(jī)上用作光電讀出器件。

10在一塊半導(dǎo)體上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，就成為一個(gè)新的器件，即半導(dǎo)體三極管，又稱為晶體三極管，簡(jiǎn)稱三極管。三極管按材料分有硅管和鍺管；按PN結(jié)的組成方式分有NPN型和PNP型。我國(guó)生產(chǎn)的硅管大多是NPN型；鍺管大多是PNP型。NPN型的硅管是目前應(yīng)用較多的一種。11.2三極管11三極管的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)PNP型符號(hào)NPN型符號(hào)12三極管的放大作用三極管有三個(gè)電極，必須有兩個(gè)外加電壓，才能決定兩個(gè)PN結(jié)的工作狀態(tài)。因此有一個(gè)電極是共用的。據(jù)此，三極管有共發(fā)射極、共基極、共集電極三種接法。以NPN型三極管的共發(fā)射極接法為例，分析三極管的放大作用。13

UBB為基極電源，通過電位器RB將正向電壓加到基極和發(fā)射極之間(發(fā)射結(jié))，集電極電源UCC電壓應(yīng)高于UBB電壓，使發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。調(diào)節(jié)電位器RB的阻值，可以改變發(fā)射結(jié)的偏壓，從而調(diào)節(jié)基極電流IB的大??；相應(yīng)得到集電極電流IC和發(fā)射極電流IE的值?？梢姡篒E=IC+IB；IC=

IB.三極管各極之間電流分配關(guān)系為：IE=IC+IB

基極IB

與集電極IC

數(shù)量關(guān)系在一定范圍內(nèi)是比例關(guān)系即：或三極管的放大作用14

基極電流IB的變化，會(huì)引起集電極電流IC發(fā)生更大的變化。即基極電流對(duì)集電極電流有控制作用，或集電極電流對(duì)基極電流有放大作用。這就是三極管的電流放大原理。注意：(1)三極管的電流放大作用，實(shí)質(zhì)上是用較小的基極電流信號(hào)去控制集電極的大電流信號(hào)，是

“以小控大”的作用，而不是能量的放大。

(2)使三極管起放大作用的外部條件是發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，集電結(jié)加反向偏置電壓。結(jié)論:

(3)若增大RB使發(fā)射結(jié)電壓下降到一定值(硅管0.5V以下，鍺管0.1V以下)IC與IE基本為零，該工作狀態(tài)稱為截止。

(4)若減小RB使IB增加到一定數(shù)值，IC即隨IB增大而增大，該工作狀態(tài)稱為飽和。三極管的放大作用151．共射極電流放大系數(shù)

是表征管子電流放大能力的參數(shù)。常用小功率管的

值約為20~150。

值太小，電流放大作用差；太大工作穩(wěn)定性差。通常取50～80左右為宜。三極管的主要參數(shù)162．集電極最大允許電流ICM當(dāng)IC過大時(shí)，

將下降。使

下降到正常值的2/3時(shí)的集電極電流稱為集電極最大允許電流。3．集電極電極、發(fā)射極之間反向擊穿電壓U(BR)CEO當(dāng)基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間所能承受的最高反向電壓。4．集電極最大允許耗散功率PCM保證集電結(jié)溫升不超過允許值而允許集電極所消耗的最大功率稱集電極最大允許耗散功率。三極管的主要參數(shù)17條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。IC=

IBIE=IC+IB=(1+

)IB特點(diǎn)：集電極電流受基極電流控制。放大狀態(tài)(a)三極管因兩個(gè)PN結(jié)的偏置情況不同，其工作狀態(tài)可分為三種：放大狀態(tài)、飽和狀態(tài)、截止?fàn)顟B(tài)。11.3三極管的三種工作狀態(tài)18UCE=UCC

-RCIC集電極C和發(fā)射極E之間相當(dāng)于通路，用一可控電阻表示其間電壓降。處于放大狀態(tài)的NPN型三極管，集電極電位最高，基極電位次之，發(fā)射極電位最低(圖b所示)。(b)(c)11.3三極管的三種工作狀態(tài)19飽和條件：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置。特點(diǎn)：UCE

0.3V(硅管)、0.1V(鍺管)集電極C和發(fā)射極E之間相當(dāng)于一閉合開關(guān)。在放大狀態(tài)，IC

隨IB

增大，當(dāng)IC增大到(IC

最大值)時(shí)，IC

不再隨IB

增大，即三極管處于飽和狀態(tài)。此時(shí)，三極管的集電極電位UCE

0，低于基極電位，即集電結(jié)正向偏置。基極電位最高，集電極次之，發(fā)射極最低。（b）（c）11.3三極管的三種工作狀態(tài)11.3.2飽和狀態(tài)20條件：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置。IB≈0;IC≈0UCE=UCC-RCIC≈UCC集電極電阻RC無電壓，所以特點(diǎn)：由于兩PN結(jié)均反向偏置，各極電流都極??；在模擬電子電路中，三極管是作為放大元件，主要工作在放大狀態(tài)；在數(shù)字電路中，三極管是作為電子開關(guān)，工作在飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)。處于截止?fàn)顟B(tài)的三極管，集電極電位最高(≈UCC

)，發(fā)射極電位次之，基極電位最低。11.3三極管的三種工作狀態(tài)11.3.3截止?fàn)顟B(tài)21

*11.4晶閘管觀察與思考晶閘管又稱為可控硅，是目前半導(dǎo)體器件從弱電進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域，制造技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的器件之一。晶閘管分普通晶閘管和特種晶閘管，特種晶閘管有快速晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等，人們所說的晶閘管是指普通型晶閘管。22晶閘管由三個(gè)PN結(jié)，四層半導(dǎo)體材料組成。晶閘管的三個(gè)電極分別為陽極(A)、陰極(K)、控制極(也稱為門極)(G)。三個(gè)PN結(jié)分別為J1、J2和J3。晶閘管的符號(hào)與二極管相似，在其陰極處有一個(gè)控制極，表明其導(dǎo)通的條件除了和二極管一樣需要正向偏置的電壓外，還需另外增加一個(gè)控制信號(hào)。符號(hào)結(jié)構(gòu)外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)23晶閘管反向偏置時(shí)，無論是否給控制極加電壓，晶閘管均不導(dǎo)通。晶閘管加正向偏置電壓，陽極A接高電位，陰極K接低電位，但控制極G沒有接任何電壓，J2

結(jié)反偏，晶閘管仍然不導(dǎo)通。晶閘管不導(dǎo)通的狀態(tài)稱為阻斷狀態(tài)。反向阻斷正向阻斷晶閘管的工作原理24晶閘管加正向偏置電壓，給控制極

G加一個(gè)幅度和一個(gè)寬度都足夠大的正電壓(稱為觸發(fā)電壓)，此時(shí)三個(gè)PN結(jié)都正偏，晶閘管導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，若去掉控制極的電壓，晶閘管仍然能保持導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)：正向觸發(fā)導(dǎo)通撤除觸發(fā)信號(hào)仍導(dǎo)通RARG晶閘管的工作原理25晶閘管為一個(gè)受控制的二極管，也具有單向?qū)щ娦?。要使晶閘管由阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，必須在晶閘管上加正向電壓的同時(shí)，在控制極上加正向觸發(fā)電壓；一旦晶閘管導(dǎo)通，控制極就失去控制作用。控制電壓即使取消，晶閘管仍能保持通的狀態(tài)。另外，晶閘管導(dǎo)通后若陽極電流小于某一個(gè)很小的電流

IH(稱為維持電流)時(shí)，晶閘管也會(huì)由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗坏┚чl管截止，必須重新觸發(fā)才能再次導(dǎo)通。結(jié)論：晶閘管的工作原理26晶閘管的主要參數(shù)

(1)額