《新能源汽车电力电子技术》课件-任务1 电子元器件

项目三电子基础PART031.了解PN结、二极管、晶体管的定义。2.掌握PN结的结构、符号。3.掌握二极管、晶体管的结构、符号。4.理解二极管、晶体管的工作特性。5.了解二极管、晶体管的应用电路。任务目标一、PN结（一）半导体的基础知识1.物质导电性在自然界的各种物质，根据其导电能力的差别，可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将电阻率小于10-4Ω·cm的物质称为导体，例如铜、银和铝等金属材料都是良好的导体。电阻率大于109Ω·cm的物质称为绝缘体，例如塑胶、塑料等。导电性能介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。常用的半导体有硅（Si）、锗（Ge）和大多数金属氧化物等。任务1电子元器件2.本征半导体纯净的半导体叫作本征半导体。锗和硅是两种常用的半导体材料，它们最外层都有四个价电子，称为四价元素，它们的原子结构如图所示。任务1电子元器件3.杂质半导体（1）N型半导体。在四价元素硅和锗中掺入微量磷，磷原子最外层有五个价电子，即五价元素。当硅晶体中某些位置上的硅原子被磷原子代替后，只需要四个价电子参与共价键结构，多余的一个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。任务1电子元器件（2）P型半导体。在四价元素硅和锗中掺入微量磷，磷原子最外层有五个价电子，即五价元素。当硅晶体中某些位置上的硅原子被磷原子代替后，只需要四个价电子参与共价键结构，多余的一个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。任务1电子元器件（二）PN结及其单向导电性1.PN结的形成在一整块单晶体中，采取一定的工艺措施，使其两边掺入不同的杂质，一边形成P区，另一边形成N区。在交接面必然要发生于载流子浓度不均匀而引起的电子和空穴的扩散运动，即P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。扩散的结果是，在交接面附近的P区留下一些带负电的杂质离子，而N区则留下一些带正电的杂质离子。因此在交接面形成了一个空间电荷区，也就是PN结。任务1电子元器件任务1电子元器件2.PN结的单向导电性在PN结上加正向电压，也称为正向偏置，即P区接电源正极，N区接电源负极。此时，由于外电场与内电场反向，PN结的动态平衡被破坏，使空间电荷区的宽度变窄，多数载流子的扩散运动增强，并从电源中不断得到补充，形成较大的扩散电流——正向电流。此时PN结处于低阻状态，称为正向导通状态。任务1电子元器件在PN结上加反向电压，也称为反向偏置，即N区接电源正极，P区接电源负极。此时，由于外电场与内电场同向，PN结的动态平衡也被破坏，使空间电荷区的宽度变宽，多数载流子的扩散运动无法进行，而少数载流子的漂移运动得以加强，形成较小的漂移电流——反向电流。此时PN结处于高阻状态，称为反向截止状态。任务1电子元器件二、二极管（一）二极管1.二极管的结构二极管的核心结构是一个PN结，它实际上是将一个PN结封装在管壳内，并从两端各引出一个电极而构成的，即二极管是由一个PN结、管壳和两个引出电极组成，二极管的P区引出端为正极，N区引出端为负极，文字符号常用VD表示，箭头指向表示PN结正向电流的方向。任务1电子元器件2.二极管的类型（1）按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。（2）按PN结结构分：有点接触型、面接触型和平面型二极管。（3）按用途分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。任务1电子元器件3.二极管的伏安特性所谓晶体二极管的伏安特性是指加在二极管两端的电压U与流过二极管的电流I之间的关系。二极管具有正向导通性、反向截止特性、反向击穿特性。任务1电子元器件4.二极管的主要参数（1）最大整流电流IF

。（2）最高反向工作电压UDRM

。（3）反向击穿电压UB

。（4）反向电流IR

。任务1电子元器件5.二极管的简单判别（1）好坏的判别。用万用表测量小功率二极管时，需把万用表的旋钮拨到欧姆R×100或R×1k挡，然后用两根表笔测量二极管的正反向电阻值。二极管的正反向电阻相差越大，就表明二极管的单向导电特性越好。任务1电子元器件（2）极性的判别。在已确定二极管正常后，若使用指针式万用表测量二极管正、反向电阻值，当测得的电阻值较小时，与红表笔相连的那个电极就是二极管的负极，与黑表笔相接的那个电极为二极管的正极。反之，当测得的电阻值较大时，与红表笔相接的那个电极就是二极管的正极，与黑表笔相接的那个电极为二极管的负极。任务1电子元器件（二）特殊二极管1.光敏二极管光敏二极管也叫光电二极管，是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。光敏二极管有光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性、频率响应特性。任务1电子元器件2.发光二极管发光二极管（简称LED）是一种光发射元件，由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。任务1电子元器件3.稳压二极管稳压二极管是一种用特殊工艺制造的硅材料二极管，利用PN结反向击穿状态，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。任务1电子元器件（三）二极管的应用电路1.组成任务1电子元器件2.工作原理当u2为正半周时，V1和V3正向导通，V2和V4反向截止；当u2为负半周时，V1和V3反向截止，V2和V4正向导通。而流过负载的电流方向始终一致，其波形如图所示。由此可见，桥式整流电路中V1、V3和V2、V4轮流导通，流过负载的是两个半波电流，而电路方向相同，故称为全波整流。任务1电子元器件3.二极管在桥式整流电路中的应用特点任务1电子元器件三、晶体管（一）晶体管概述1.晶体管的结构根据PN结的排列顺序的不同，晶体管分为PNP型和NPN型两类，如果两个P区中间夹着N区，就称为PNP型晶体管；如果两个N区中间夹着P区，就称为NPN型晶体管。任务1电子元器件2.晶体管的类型（1）按材质分：硅管、锗管。（2）按结构分：NPN、PNP。（3）按功能分：开关管、功率管、达林顿管、光敏管。（4）按功率分：小功率管、中功率管、大功率管。（5）按工作频率分：低频管、高频管、超频管。（6）按结构工艺分：合金管、平面管。（7）按安装方式：插件晶体管、贴片晶体管。任务1电子元器件3.晶体管的电流放大作用（1）晶体管放大条件。晶体管的电流放大作用是指当晶体管处于放大状态时，可以用比较小的基极电流去控制集电极上的大电流的特殊效应，与晶体管内部PN结的特殊结构有关。任务1电子元器件①为了便于发射结发射电子，发射区半导体的掺杂浓度远高于基区半导体的掺杂浓度，且发射结的面积较小。②发射区和集电区虽为同一性质的掺杂半导体，但发射区的掺杂浓度要高于集电区的掺杂浓度，且集电结的面积要比发射结的面积大，便于收集电子。③连接发射结和集电结两个PN结的基区非常薄，且掺杂浓度也很低。任务1电子元器件（2）晶体管内部载流子的运动情况及电流放大作用。E的载流子主要是电子，电流的方向与电子流的方向相反。B不断地向基区提供空穴，形成基极电流IB。由于基区掺杂的浓度很低，且很薄，在基区与空穴复合的电子很少，所以，基极电流IB也很小。扩散到基区的电子除了被基区复合掉的一小部分外，大量的电子将在惯性的作用下继续向集电结扩散。C吸收，形成集电极电流IC。①晶体管内电流分配关系。根据基尔霍夫定律，有：IE=IB+IC

一般IB比IC小得多，因此又有：IE

≈

IC②晶体管的电流放大作用。任务1电子元器件4.晶体管的偏置电路晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就必须保证晶体管的发射结正偏、集电结反偏。即应该设置它的工作点。所谓工作点就是通过外部电路的设置使晶体管的基极、发射极和集电极处于所要求的电位(可根据计算获得)。这些外部电路就称为偏置电路。任务1电子元器件5.晶体管的工作状态（1）放大状态。（2）截止状态。（3）饱和状态。任务1电子元器件（二）晶体管的特性曲线（1）输入特性曲线。输入特性曲线是指集电极和发射极间的电压UCE为常数时，输入回路中基极电流IB与加在基电极和发射极间的电压UBE之间的关系曲线，如图所示，即任务1电子元器件（2）输出特性曲线。输出特性曲线是指基极电流IB为常数时，输出电路中集电极电流IC与集电板—发射极间电压UCE之间的关系曲线，即任务1电子元器件（三）晶体管的主要参数1.电流放大系数（1）共发射极电流放大系数β。在共发射极电路中，在一定的集电极电压UCE

下，集电极电流变化量ΔIc

与基极电流变化量ΔIB

的比值称为电流放大系数

β，即任务1电子元器件（2）共基极电流放大系数α。在共基极电路中，在一定的集电极与基极电压UCB

下，集电极电流的变化量ΔIc与发射极电流变化量ΔIE

的比值称为电流放大系数α，即任务1电子元器件2.频率特性参数（1）共基极截止频率fα

。（2）共发射极截止频率fβ

。（3）特征频率fT

。（4）最高振荡频率fM

。任务1电子元器件3.极间反向饱和电流ICBO和ICEO（1）集电结反向饱和电流ICBO是指发射极开路，集电结加反向电压时测得的集电极电流。常温下，硅管的ICBO在nA（10-9A）的量级，通常可忽略。（2）集电极-发射极反向电流ICEO是指基极开路时，集电极与发射极之间的反向电流，即穿透电流，穿透电流的大小受温度的影响较大，穿透电流小的管子热稳定性好。任务1电子元器件4.极限参数（1）集电极最大允许电流ICM

。晶体管的集电极电流IC在相当大的范围内β

值基本保持不变，但当IC

的数值大到一定程度时，电流放大系数β

值将下降。使β

明显减小的IC即为ICM。任务1电子元器件（2）集电极最大允许功耗PCM

。晶体管工作时、集电极电流在集电结上将产生热量，产生热量所消耗的功率就是集电极的功耗PCM，即：PCM=ICUCE（3）反向击穿电压UBR(CEO)。反向击穿电压UBR(CEO)是指基极开路时，加在集电极与发射极之间的最大允许电压。任务1电子元器件（4）温度对晶体管参数的影响。①对

β

的影响晶体管的

β

随温度的升高将增大，温度每上升1℃，β

值约增大0.5%～1％。②对反