分立器特性PPT课件.ppt

第2章分立器件的特性 2 1特殊用途的二极管2 2双结型晶体管2 3场效应管的特性2 4可控硅及双向可控硅 1 2 1特殊用途的二极管2 1 1半导体分立器件的分类2 1 2普通二极管2 1 3特殊二极管 2 2 1 1半导体分立器件的分类 1 分类 通常二极管以应用分类 三极管以功率 频率分类 晶闸管以特性分类 而场效应管则以结构特点分类 具体分类如下 1 半导体二极管普通二极管 整流 检波 稳压 恒流 开关二极管等 特殊二极管 微波 变容 雪崩 PIN二极管等 敏感二极管 光敏 温敏 湿敏 压敏 磁敏等 发光二极管 3 2 双极型晶体管锗管 高频小功率管 低频大功率管 硅管 低频大功率管 大功率高压管 高频小功率管 超高频小功率管 高速开关管 低噪声管 微波低噪声管 超 管 高频大功率管 微波功率管 专用器件 单结晶体管 可编程序单结晶体管 3 晶闸管 单向晶闸管 双向晶闸管 可关断晶闸管 特殊晶闸管 4 场效应晶体管结型 硅管 砷化镓管 MOS 硅 耗尽型 增强型 4 2 集成电路 1 按制造工艺和结构分 有半导体集成电路 膜 厚 薄 集成电路 混合集成电路 2 按集成度分 集成度指一个硅片上含有元件数目 有小 中 大 超大规模 3 按应用领域分 同一功能的集成电路按应用领域规定不同的技术指标 而分为军用品 工业用品和民用品 商用 三大类 4 按使用功能分 有音频 视频电路 数字电路 线性电路 微处理器 存储器 接口电路 光电电路等 5 按半导体工艺分 双极型电路 MOS电路 双极型 MOS电路 6 专用集成电路 ASIC 5 2 1 2普通二极管1 半导体二极管 a 硅管的伏安特性 b 锗管的伏安特性 6 2 主要参数 1 最大整流电流IF 二极管长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 2 反向电流IR 承受反向工作电压而未被反向击穿时反向电流值 它的值越小 表明管子的单向导电特性越好 3 最高反向工作电压URM 工作时两端所允许加的最大反向电压 通常为反向击穿电压的一半 以保证管子安全工作 防止击穿 4 最高工作频率fM PN结具有电容效应 它的存在限制了二极管工作频率 如果通过管子的信号频率超过管子的fM 则结电容的容抗变小 高频电流将直接从结电容通过 管子的单向导电性变差 5 方向恢复时间trr 指二极管由导通突然反向时 反向电流由很大衰减到接近反向饱和电流时所需要的时间 一般为纳秒级 大功率开关管工作在高频时 此项指标至为重要 7 3 应用利用二极管的单向导电性 可以组成整流 限幅 钳位 检波及续流等应用电路 1 整流作用 8 单相半波整流电路 副边电压为u2 输出电压的平均值为 输出电流的平均值 二极管承受的最大反向电压就是变压器副边的降值电压 9 桥式整流电路 10 2 限幅作用 设D为理想二极管 即忽略二极管正向压降和反向电流 当ui E 二极管导通 其正向压降为零 所以uo E 当ui E 二极管截止 电路中电流为零 uR 0 所以o ui 3 钳位作用 只要二极管D处于导通状态 不论负载RL改变多少 电路的输出端电压uo始终等于UG UD 其中UD为二极管的导通电压 11 4 检波电路 为防止电感元件换路出现高电压而并接一个二极管的电路称之为续流二极管电路 如图所示 正常工作时 续流二极管不导通 当电感与电压断开瞬时 电感电流仍维持原大小并按原方向继续流动 此时续流二极管为电感提供了放电通路 放电时电感两端电压始终等于续流二极管的正向电压 避免了电感上出现高电压 5 续流二极管电路 12 2 1 3特殊二极管 1 稳压管 1 主要参数 稳定电压UZ 指稳压管在正常工作时管子的端电压 过去由于制造工艺的分散性 同一型号稳压管的稳定电压有差别 手册给出的是一个范围 例如ICW59型稳压管UZ 10 11 8V 但现在因制造工艺技术的进步 稳压管可做得较准确 UZ的值已按E24 稳定电流IZ 保证稳压管正常稳压性能的最小工作电流 当工作电流低于IZ时 稳压效果变差 动态电阻rZ 指稳压管在正常反向击穿区内 电压变化量与电流变化量的比值 rZ是衡量稳压性能好坏的指标 击穿区特性愈陡 则rZ愈小 稳压性能愈好 额定功耗PZ 指稳定电压UZ与最大稳定电流的乘机 是由稳压管允许温升所决定的参数 工作时的功率若超过此值 稳压管将出现热击穿烧坏 13 2 应用如图所示 当负载电阻RL不变时 设输入电压uI由于电网电压波动而升高 这将引起DZ两端电压 也就是输出电压Uo升高 根据稳压管特性可知 DZ电压少许增加将导致流经DZ电流I2剧烈增加 使总电流I1大大增加 这样R上的压降UR也有较大的增加 即uI的升高大部分降在R上 使Uo uI UR增加的很少 基本保持不变 同样 当输入电压uI由于波动下降 Uo下降的也很少 也能基本保持不变 14 2 变容二极管 压变电容器 压变电容器实际上是工作于反向偏压区的二极管 其应用主要在高频场合下 包括振荡器的自动调谐和调频 如作为电视机调谐回路的压控可变电容器 以实现用电压来改变频道 3 光电二极管 光敏二极管 当光线照射在PN结时 半导体共价键中电子获得了能量 产生的电子空穴对增多 在外加反向电压作用下 内电场增强 反向电流增加 其大小与光的照度成正比 利用这个特性制成光电二极管 15 4 发光二极管 LED 采用镓 Ga 磷 P 砷 As 合成的二极管 内部基本单元仍是一个PN结 当外加正向电压时 电子与空穴复合过程中 以光子的形式释放能量 其亮度随注入电流的增大而提高 5 光电耦合器件它以光为媒介实现电信号的传递 常用在数字和模拟或计算机控制系统中做接口电路 它具有抗干扰性强 噪声低 速度快 耗电少 寿命长等优点 16 例题分析 17 a 二极管D阳极电位高于阴极电位 处于正偏 D导通b 二极管D2因受正向电压而导通 设导通压降为0 7V 则二极管D2的阳极对地电位为2 7V 此电位低于D1的阴极电位5V D1处于反偏 所以D1截止 c 考虑12V电源和D1支路 D1正偏 则D1工作在导通状态 D1阳极对地电位为 UD 3V 2 3V 此电位加R2 D2支路 D2因正偏而导通 d 3V恒压源加在加R2 D支路中 由于D阳极接正 D导通 18 a Uo1 UD UZ2 0 7V 11 3V 12Vb Uo2 UZ1 UZ2 5 3V 11 3V 16 6Vc Uo3 UZ1 UD 5 3V 0 7V 6Vd Uo4 UZ1 5 3V DZ1 DZ2同向并联 均处于反偏 由于UZ1 UZ2 则DZ1处于正常工作状态 此时 DZ2所加电压为DZ1 小于工作电压UZ2 所以DZ2处于反向电压未击穿状态 19 2 2双结型晶体管 2 2 1原理 符号 特性 20 三极管直流偏置状态 21 三极管各级电位关系 22 2019 12 27 23 2 2 2主要参数 1 共射电流放大系数 有的手册中用hFE表示 值一般在20到200之间 它是表征晶体管电流放大作用的最主要的参数 2 反向击穿电压值U BR CEO 指基极开路时加在ce两端电压的最大允许值 一般为几十伏 高反压管可达千伏以上 若基极 射极之间有电阻 则击穿电压值将会提高 3 最大集电极电流ICM 由以下两方面的因素决定 1 当UCE 1V时 使管耗PC达到最大时的IC值 2 使 值下降到正常值的2 3时的IC值 IC超过ICM时 管子不一定损坏 大功率晶体管的ICM可达几百安 4 最大管耗PCM 即IC与UCE的乘积不能超过此限度 要注意手册中规定的散热条件 大功率管的PCM值可达千瓦 24 5 穿透电流ICEO 即IB 0时的IC值 表明基极对集电极电流失控的程度 它大约是反向饱和电流的 倍 小功率硅管的ICEO约为0 1 A 锗管可能要比它大1000倍 大功率硅管的ICEO约为mA级 6 特征频率fT 它表明晶体管起放大作用的极限 此时 值为1 高频晶体管的fT值可达1000MHz以上 7 噪声系数NF 通常定义为输入信号的信噪比与经过晶体管放大后输出信号的信噪比的比值 一般取其对数并乘以10 功率之比 或20 电压之比 单位为dB 注意 由于半导体三极管具有两种载流子导电 温度对其特性十分敏感 温度升高 ICBO 值增加 UBE减小 集中体现在使三极管的集电极电流IC增大 工作点不稳定 需要采取稳定措施加以限制 25 2 3场效应管的特性 2 3 1原理 符号 特性 半导体三极管是通过改变基极电流来实现对集电极电流的控制 是一种电流控制器件 输入电阻较小 场效应管是通过改变输入电压的大小来实现对输入电流的控制 是一种电压控制器件 输入电阻极高 半导体三极管既有多数载流子又有少数载流子参与导电 半导体三极管又称双极型晶体管 而少数载流子极易受温度影响 因此半导体三极管稳定性较差 场效应管中由于输入电阻极高 基本不需要电流 且受温度 外界辐射影响小 便于大规模集成等优点 因而得到了广泛的应用 26 按结构不同 场效应管分结型场效应管和绝缘栅场场效应管两类 前者是利用PN结形成的耗尽区来控制导电沟道 后者是利用覆盖在P型或N型半导体上面的金属栅极 二者之间用氧化物绝缘 来控制导电沟道 后者当栅极和源极之间的电压为零时 漏极和源极之间基本上没有电流通过 前者则有电流通过 注意到符号中垂直线代表沟道 中间有两处断开的代表UGS 0时沟道未形成 因此属增强型 未断开的为耗尽型 箭头指向沟道的 按PN结符号的规律 沟道应为N型 由沟道向外的则为P型 27 28 2 3 2主要参数 1 开启电压UT 这是增强型MOS管参数 当UDS为某一固定值 开始有漏极电流ID时的栅源电压UGS为开启电压UT 2 夹断电压UP 这是耗尽型MOS管参数 当UDS为某一固定值 使ID接近于零的栅源电压UGS为夹断电压UP 3 饱和漏极电流IDSS 这是结型场效应管参数 当UGS 0 场效应管发生预夹断时的漏极电流为饱和漏极电流IDSS 4 低频跨导gm 这是反映场效应管栅源电压对漏极电流控制作用大小的数 当UDS为某一固定值 ID的微小变化量与引起它变化的栅源电压UGS的微小变化量之比 即gm dID dUGS UDS 常数 关于场效应管其他参数 可参阅有关技术手册 29 2 3 3场效应管与半导体三极管特点比较及使用注意事项 1 场效应管和晶体管的性能比较和选择 30 31 2 使用注意事项 1 当控制电压可正可负时 应选择耗尽型MOS管 2 当信号内阻很高时 为得到较好的放大作用和较低的噪声系数 应选场效应管 当信号内阻很低时 为得到较好的放大作用 应选晶体管 3 在大电流下 晶体管的ce极之间压降较小 4 晶体管在正常安装调试过程中 比较不容易损坏 场效应管须防静电击穿 5 一般的晶体管数字集成电路 其速度要比MOS集成电路快 6 在低电流运行条件下 应选CMOS管 7 在超高频 低噪声 弱信号的条件下 应选场效应 32 8 在作为双向导电的开关时应选场效应管 9 场效应管的参数分散度较大 因此在对管特性匹配上比晶体管差 表现在作为集成运放前置级时所产生的失调电压较高 10 在大电流 几十安 运行情况下 应选用VMOS管 还可以多管并联 以通过更大的电流 晶体管在并联时每管应串接平衡电阻 以防止电流分配差异太大 从而增加了损耗 11 MOS管由于输入电阻很高 栅极感应电荷不易泄放 可形成很高电压 将绝缘层击穿而损坏 因此 使用时栅极不能开路 保存时各级需短路 12 结型场效应管漏极与源极可以互换使用 MOS管若管子内部已将衬底与源极短接 则不能互换 否则漏极与源极是可以互换的 13 低频跨导与工作电流有关 越大 也越大 33 2 4可控硅及双向可控硅 2 4 1原理 符号 特性 可控硅整流器 SCR 是一种二极管 通常 只有在栅极上加一个电流脉冲时才能正向导通 在任何情况下 未被击穿以前 都没有反向电流 实际上 SCR是一种有四层半导体 PNPN 的器件 但只有三根引出线 因为大多数SCR用作电源开关 电流容量很大 可达1 100A或更大 把它装在机壳上 以便散热 断开SCR的方法是将阳极电压反向 对阴极为负值 或者把阳极电压 或电流 降低到低于称为维持电压 或电流 的阈值 以使其电流达到最小 栅极电流只能开启正常的SCR 一旦导通 有失去控制 就不再能用栅极来使其断开 34 35 当接入Ea后 两只管子均承受正向电压 处于放大工作状态 若在G K间加一个正的触发信号 则对于BG1来说 相当于在它的基极 发射级回路中有一个控制电流Ig流过 也就是BG1基极电流Ib1 经放大后 Ic1 B1Ib1 Ic2 B1B2Ib1 此电流又流入BG1基极 再次得到放大 这样 依次循环下去 一瞬间就可使BG1和BG2两管全部导通并达到饱和 所以 可控硅加上正向电压后 一输入触发信号 可控硅立即导通 可控硅一经导通后 由于导致BG1基极上总是流过比控制级电流Ig大的多的电流 即使触发信号消失 可控硅仍然导通 只有降低电源电压Ea 使BG1和BG2中集电极电流小于某一维持导通的最小值时 可控硅方能转关断状态 如果把电源电压Ea反接 BG1和BG2均不具备放大条件 即使有触发信号 可控硅也无法工作 处于关断状态 同样在没有输入触发信号或信号极性相反时 即使可控硅加上正向电压 BG1得不到正信号触发 可控硅也无法导通 36 普通的SCR要求相当大的栅极控制电流 典型数据为20 100A 对于更大功率的器件来说还要大 加在栅极上的电流只需很短的时间 约10 所以其栅极驱动器往往设计成一个电流脉冲发生电路 为了适应在交流电的正 负半周都能起控制作用 设计了由两个可控硅并联而且共用一个门极的双向可控硅 三端双向可控硅开关器件 TRIACS 与SCR相似 只是能双向导通 它们都适用于交流应用的场合 例如开关电灯或将电机接在110V 60 的电源线上 尽管三端双向可控硅器件的结构要比SCR复杂得多 但由于其控制电压加在栅极和唯一的阳极 T 之间 所以把它想象为两个背靠背的SCR是合适的 37 2 4 2主要参数 1 正向转折电压UBO 指Ig 0时 若UAK超过此值 可控硅将导通 2 正向阻断峰值电压UDRM 是实际应用时为避免出现Ig 0时管子导通而对所加正向电压峰值的限制 UDRM UBO 100V 即裕度为100V 可控硅的UDRM可高达数千伏 3 方向转折电压U BR UAK的反向电压绝对值超过此值时 管子将导通 与此相应的反向阻断电压URRM亦为UBR 100V 可控硅的URRM和UDRM为同一个数量级 亦可高达数千伏 在用作可控整流时 其工作电压应选此两者中的最低者 并考虑再有一定的裕量 4 额定正向平均电流IF 和二极管的额定整流电流相同 要注意的是若可控硅的导通时间远小于正弦波的半个周期 即使IF值未超过额定值 但峰值电流将非常大 以致超过管子所能提供的限度 可控硅的IF值可超过1000A 38 5 触发电流Ig 指使可控硅能导通所需的门极电流 一般为mA级 6 正向平均管压降UF 指在可控硅导通的正弦波半个周期内UAK的平均值 一般在0 4至1 2V之间 7 维持电流IH 指电流低于此值后 可控硅将关断 IH值从几十毫安到几百毫安 视可控硅电流容量大小而定 8 正向电压上升率dU dt 当正向电压上升速率超过此数值时 在Ig 0的情况下可控硅也要导通 一般为每微秒几十伏 39 2 4 3可控硅的特点 1 只有导通和截止两种状态 因此属于开关器件 而且一旦触发导通后 具有自锁功能 2 能承受的反向电压较高 能导通的电流较大 导通后管压降较低 因此适用于大功率变流装置 3 工作频率较低 为千赫级 快速可控硅也在100kHz以下 故不适用于高频 4 可控硅的类型还在发展 如可关断可控硅能在正向导通时在控制极加反向脉冲将其关断 使控制更为灵活 又如光控可控硅 利用光电效应来控制导通 在电路方面完全隔离 适用于高压输电系统等 5 可控硅最主要的用途是在交流或直流供电系统中 作为控制电流导通或关断的器件 40 例4 声光控开关电路原理 41 220V50Hz的交流电经D1 D4整流 R1限流 DW稳压和