电路和电子技术（下册）-1

1.1 半导体的基础知识1.1.1 本征半导体

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。自然界中属于半导体的物质很多，用来制造半导体器件的材料主要有硅和锗。硅和锗都是四价元素，将硅或锗提纯，形成单晶体后，晶体内部的原子基本上整齐排列，即其最外层的四个价电子都与邻近的原子形成共价键结构，具有这种结构的晶体称为本征半导体，如图1.1所示。

常温下，在本征半导体内，共价键中大多数价电子不能摆脱共价键的束缚，只有极少数的价电子从外界获得足够的能量，摆脱共价键的束缚而成为自由电子。这样该电子就会在它原来的位置上留下一个空位，称为空穴，如图1.2所示。失去电子的原子显正电，空穴是由原子失去了带负电的价电子后形成的，所以可认为空穴带正电，且所带电量与电子相等。

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在一定的外界条件下，有空穴的原子能吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴，从而使相邻原子的共价键中也出现了一个空穴。如此下去，好像空穴在移动，但空穴运动方向与价电子运动方向相反。 显然，本征半导体有两种粒子参与导电(金属导体只有电子)，即自由电子和空穴。它们都是运载电荷的粒子，称它们为载流子。载流子—空穴与电子是成对出现的。如果半导体的自由电子填补了空穴，这样电子和空穴就成对消失，这个过程称为复合。 本征半导体的载流子数目很少，其导电能力很低，通常用掺入杂质的方法提高导电性。上一页下一页返回1.1 半导体的基础知识1.1.2 杂质半导体1.N型半导体 在硅(或锗)的晶体中掺入少量的五价磷(或砷)元素，这使某些位置上的硅原子被磷原子所取代，但整个晶体的结构不变。磷原子有五个价电子，在它以四个价电子与周围相邻的硅原子组成共价键后，还多余一个价电子，如图1.3所示。这个价电子不受共价键的束缚，很容易成为自由电子，失去一个价电子的磷原子成为带正电的离子。 掺入五价磷元素的半导体，其自由电子数目远大于空穴的数目。使得载流子中自由电子占多数，空穴占少数，这种杂质半导体称为N型半导体，如图1.4所示。上一页下一页返回1.1 半导体的基础知识2.P型半导体

在硅(或锗)的晶体中掺入少量的3价硼(或锢)元素，这使某些位置上的硅原子被3价硼原子所取代，但整个晶体的结构不变。硼原子只有3个价电子，在它以3个价电子与周围相邻的硅原子组成共价键后，而留下一个空位，如图1.5所示。若相邻的价电子填补了这个空位，硼原子会因为接受一个电子而成为负离子，而相邻原子中就出现了一个空穴。 掺入三价硼元素的半导体中，每个硼原子都能提供一个空穴，其空穴数目远大于自由电子数目。使得载流子中空穴占多数，自由电子占少数，这种杂质半导体称为P型半导体，如图1.6所示。上一页下一页返回1.1 半导体的基础知识1.1.3 PN结1.PN结的形成 用特殊的制造工艺在一块本征半导体中分别掺入五价元素和三价元素，形成P型半导体和N型半导体，如图1.7所示。 由于在两种半导体内的自由电子浓度和空穴浓度不同，根据扩散原理，N型半导体内的多数载流子—自由电子向P型半导体内扩散,P型半导体中的多数载流子—空穴也要向N型半导体内扩散。扩散到P型半导体的自由电子与空穴复合，扩散到N型半导体的空穴与自由电子复合。这样在它们的交界面及附近，由于N型半导体内自由电子的减少，而出现带正电的正离子。自由电子进入P型半导体后与空穴复合，而出现了带负电的负离子，从而形成了空间电荷区。随着扩散及复合的不断进行，正负离子数量不断增加，在P型半导体与N型半导体交界面处的电荷逐渐增多，加宽了空间电荷区，如图1.8所示，将空间电荷区又称为PN结。上一页下一页返回1.1 半导体的基础知识

空间电荷区的出现在两种半导体交界面处形成了内电场，内电场的方向是从正离子指向负离子，如图1.8所示。内电场阻碍N型半导体内自由电子向P型半导体内扩散，但会使P型半导体内的少数载流子—自由电子更加容易地漂移到N型半导体。随着内电场的增强，漂移与扩散的自由电子相等，达到了动态平衡，这时半导体内空间电荷区的宽度不再增加。空间电荷区虽然带有正负电荷，但在这个区域内几乎不存在自由电子和空穴，因而不能导电。下一页上一页返回1.1 半导体的基础知识2.

PN结的单向导电性 空间电荷区即PN结在没有外界电场作用时，通过PN结的净载流子数为零，因此PN结不具有导电性。若在P型半导体与N型半导体两端施加不同极性的电压，PN结所表现出的特性完全不同。（1）对PN结外加正向电压将电源正极接P型半导体，电源负极接N型半导体，由此产生一个与内电场方向相反的外电场，如图1.9所示，图中的R为限流电阻。这个外电场使空间电荷区变窄，削弱了内电场，从而使多数载流子的打一散大于少数载流子的漂移，且多数载流子不断通过PN结，形成了较大的正向电流IF，并由电源来补允P型半导体内的空穴和N型半导体中的自由电子，形成了连续电流。使PN结变窄，形成较大正向电流的外加电压称为正向电压。上一页下一页返回1.1 半导体的基础知识（2）对PN结外加反向电压 若在PN结两端加上与正向电压极性相反的反向电压，如图1.10所示。外加反向电压所形成的外电场方向与内电场方向一致，使空间电荷区变宽，从而加强了内电场。加强的内电场使多数载流子的扩散不能进行，只有少数载流子在电场的作用下形成很小的漂移电流，称为反向电流。这个反向电流的大小与环境温度密切相关，在一定温度范围内反向电流不会变化，因此又称为反向饱和电流。（3）PN结的单向导电性 综上可知，PN结的单向导电性表现在:外加正向电压时，PN结变窄，表现出PN结的电阻小，通过的正向电流大，PN结处于导通状态;外加反向电压时，PN结变宽，表现出PN结的电阻很大，通过的反向电流很小，PN结处于截止状态。上一页返回1.2 半导体二极管1.2.1二极管的基本结构

半导体二极管(Diode)是在一个PN结两端加上引线，然后外加外壳封装制成的。与P型半导体相连的引线为二极管的阳极，也称正极，与N型半导体相连的引线为二极管的阴极，也称为负极。二极管的外形和电路符号分别如图1.11(a),(b)所示。 由于制造工艺不同，二极管又分为点接触型和面接触型两类。点接触型二极管PN结面积小，不能通过较大电流，适用于数字电路、高频检波等电路。面接触型二极管PN结面积大，可以通过较大电流，适用于整流等电路。返回下一页1.2 半导体二极管

1.2.2二极管的伏安特性

二极管两端电压和通过二极管的电流之间的关系，即，称为二极管的伏安特性。根据半导体理论，它们之间的关系为：式中，为二极管反向饱和电流;为与温度有关，在室温下

(27℃),。由这个关系式做出二极管的伏安特性曲线如图1.12所示。返回上一页下一页1.2 半导体二极管1.二极管的正向特性 在图1.12中的第一象限是二极管的正向特性曲线，即在二极管两端加正向电压，如图1.13（a）所示，R为限流电阻。当二极管两端正向电压，因为，所以，则，二极管的正向电流与正向电压按指数规律变化，变化曲线在图1.12中的第一象限AB段。当外加正向电压时，正向电流很小，几乎为零。这是因为当外加电压较小时，外加电压产生的外电场较弱，不足以克服PN结的内电场，只有当正向电压大于,PN结才能正向导通，我们把电压称为死区电压(又称为阀值电压)。硅材料制成的二极管(常称硅二极管)，死区电压约为0.5V。锗材料制成的二极管(常称为锗二极管），死区电压约为0.1V。返回上一页下一页1.2 半导体二极管

可见当二极管正向导通后，正向电流随外加电压增加而明显增加，而它的正向压降却比较小，硅管正向导通压降为0.6一0.8V，锗管约为0.1.2.2二极管的伏安特性2一0.3V。若将二极管视为理想二极管，则可认为正向压降为零，此时二极管的等效电路如图1.13(b)所示。

2.二极管的反向特性 二极管的反向特性曲线在图1.12中的第三象限。当二极管加上反向电压时，如图1.14(a)所示，为负值。当，形成很小的近似为定值的反向电流，此时二极管处于截止状态，若将二极管视为理想二极管，则

=0，这时的二极管等效电路如图1.14(b)所示。返回上一页下一页1.2 半导体二极管3.二极管的反向击穿 当二极管两端所加反向电压增大到一定数值后，过强的外电场把价电子从共价键中拉出来，产生了大量的载流子，使得反向电流迅速增大，称为电击穿(又称齐纳击穿)，这种击穿是可逆的。如不采取措施加以限制，会造成PN结过热，并由电击穿转向热击穿(也称为雪崩击穿)，将会导致PN结烧坏。烧坏的结果会使二极管变为短路或开路，这都使二极管失去了单向导电性。 通常将二极管被击穿的电压称为反向击穿电压。所以在使用时，一般不要使二极管两端的反向电压超过反向击穿电压返回上一页下一页1.2 半导体二极管1.2.3 二极管的主要参数

二极管的参数是选择二极管的依据，以保证其正常、可靠地工作。主要有以下参数。

1.最大整流电流 是二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。若长时间使二极管电流，二极管会由于过热而损坏。

2.最高反向工作电压 为二极管正常工作时允许加在二极管两端的最大反向电压。超过此值，二极管可能被击穿，通常选择为二极管反向击穿电压

的一半或三分之二。

3.反向电流 是在给定反向偏压下，流过二极管的反向电流值。越小，二极管的单向导电性越好。

上一页下一页返回1.2 半导体二极管1.2.4 二极管的主要应用1.二极管的限幅作用 限幅的作用是限制电路中输出电压的幅度。在图1.15(a)所示电路中，设D为理想二极管，输入，且。当时，二极管D截止，无电流流过R,R上的压降为零，即，输出电压;当时，二极管D导通，它的正向压降为零，输出电压。在一个周期内输出电压正半周的幅度被限制为E，大于E的电压降落在电阻R上，输入、输出电压等波形如图1.15(b)所示。返回上一页下一页1.2 半导体二极管2.二极管的续流作用 图1.16所示电路是电感平滑电路，二极管D有续流的作用。当开关S闭合时，二极管D截止，电感L储存磁场能量，此时电流方向和L两端的感应电动势方向如图1.16(a)所示。当开关S断开时，L两端的感应电动势方向如图1.16(b)所示。 此时二极管D导通，电感释放所储存的能量，即通过二极管给负载提供持续的电流，以免负载电流发生突变，起到平滑电流的作用。由于二极管为电感能量的释放提供了通路，常将此二极管称为续流二极管。返回上一页下一页1.2 半导体二极管3.二极管的整流作用

用二极管构成的整流电路是利用其单向导电性，将交流电变成直流电。二极管整流电路可分为单相整流、三相整流电路等。一般单相整流用于小功率负载，三相整流用于大功率负载。单相整流电路又分为单相半波整流电路和单相桥式整流电路，这里仅介绍单相整流电路。返回上一页下一页1.2 半导体二极管(1)单相半波整流电路

图1.17(a)所示电路为单相半波整流电路其工作原理为:设，当为正半周期时，二极管D(设D为理想器件)两端因加正向电压而导通，输出电压。当为负半周期时，二极管两端因加反向电压而截止，电流，这时电压全部加在二极管两端。电路中各电压波形如图1.17(b)所示，显然，将交流电变为单向脉动直流电，常用一个周期的平均值来计算这种单向脉动电压的大小。单相半波整流输出电压的平均值为:返回上一页下一页1.2 半导体二极管

式中，为变压器副方交流电压有效值。对于单相半波整流电路，二极管上所承受的最大反向电压。负载电流平均值为由于与相同，所以二极管的平均电流为单相半波整流电路，输出电压平均值低，波形脉动大，现已较少采用。返回上一页下一页1.2 半导体二极管(2)单相桥式整流电路 目前应用较多的是单相桥式整流电路，如图1.18(a)所示，它由4个二极管组成。 在的正半周，二极管因承受正向电压而导通，二极管因承受反向电压而截止，交流电流的路径为:，使输出电压。在的负半周，导通，截止，电流的路径为:，使输出电压。

返回上一页下一页1.2 半导体二极管

可见在一个周期内，无论输入电压是正半周还是负半周，输出电压的极性保持不变，即，但仍是单向脉动的。桥式整流电路的输出电压及二极管承受反向电压波形如图1.18(b)所示。其整流输出电压的平均值为式中，为变压器副方交流电压有效值。负载电流平均值为返回上一页下一页1.2 半导体二极管

由于每个二极管在的一个周期内只有半周期导通，所以流过各二极管电流的平均值为二极管截止时，每个二极管所承受的最高反向电压为 单相桥式整流电路输出电压较高，为单相半波整流输出电压的2倍，输出脉动较小，获得广泛应用。目前已将四只二极管集成为一个桥式整流器(简称整流桥)，其电路符号如图1.19所示。 选择桥式整流器主要由整流电流及反向工作电压这两个主要参数所决定。返回上一页下一页1.2 半导体二极管

例1.1已知，采用桥式整流电路，试求输出电流的平均值和整流二极管所承受的最高反向电压。解：输出电流的平均值 的有效值二极管所承受的最高反向电压为可根据来选择桥式整流器，注意应留有一定的余量。返回上一页下一页1.2 半导体二极管4.滤波电路 由图1.18波形图可以看出，整流后的单向电压仍有较大的脉动成分，与稳定的直流电压还相差甚远。因此，通常在整流电路后接入滤波电路，来降低整流输出电压中的脉动成分。常用的滤波电路有电容滤波和电感滤波电路。

(1)电容滤波 在整流电路输出端即负载两端并联一个容量较大的电容C,即构成了电容滤波电路，如图1.20(a)所示。根据电容端电压不能跃变的原理，来分析滤波电路的工作情况。 在图1.20(a)所示的半波整流电容滤波电路中，当二极管D导通时，电流通过负载的同时也对滤波电容C进行充电，且充电电压与输入电压变化一致。当输入电压达到峰值时，电容电压也达到峰值。然后输入电压

开始下降，当时，二极管D因承受反向电压而截止，电容开始通过负载进行放电，放电时间常数为。返回上一页下一页1.2 半导体二极管

放电时电容上的电压按照指数规律衰减，通常放电的时间常数要比输入电压的周期长。因此，在电容放电过程结束前，下一个周期又会到来。当时，二极管再次导通，电容又重新开始充电，并不断地进行这样的工作循环，最终结果是在输出端负载上获得较平滑的输出电压，如图1.20(b)所示。可以看出，电容滤波既减小了输出电压的脉动，又提高了输出电压的平均值。 另一方面，也可以从容抗的角度来解释滤波原理:根据电容器的容抗，电容对直流成分相当于开路。而对于交流成分， 只要电容器的容量足够大，就很小，近似于短路。因此使直流分量输出到负载，而交流分量大部分被电容C滤掉，使输出电压波形脉动减小。返回上一页下一页1.2 半导体二极管

输出电压的大小和脉动程度与的数值有直接的关系，电容越大，输出电压越平稳；越大，输出电压也越平稳。若（即负载电阻断开），输出电压保持最大值；减小，输出电流增加，输出电压会降低很多，这说明电容滤波电路带负载能力较差。另外加入电容滤波后，二极管导通时间变短，故电流对二极管的冲击比较大。所以这种电路适用于输出电压较高，输出电流较小的场合。 桥式整流电容滤波电路及波形如图1.21所示。其原理与半波整流电容滤波电路相同。经电容滤波后的输出电压平均值在0.9一1.4之间，在工程上一般采用下面估算公式。返回上一页下一页1.2 半导体二极管

二极管截止时所承受的最高反向电压可按以下公式计算。

式中T是输入交流电压的周期。 为了使滤波效果更好，还可以采用图1.22所示电路，此电路称为π型滤波电路。返回上一页下一页1.2 半导体二极管例1.2在图1.21电路中，，负载，电源的频率f=50Hz，求输出电压平均值，并选择滤波电容器。解：

选择电容器除了要考虑它的容量外，还要考虑它的耐压值。通常选择耐压值应大于它两端的最大电压值，即大于。所以电容的耐压应为 根据计算出的参数，用Multisim软件进行仿真，桥式整流电容滤波仿真电路及仿真波形如图1.23所示，测量输出端的电压为27.819V，接近理论计算值。返回上一页下一页1.2 半导体二极管(2)电感滤波 若在整流电路与负载之间串入一个电感线圈L，则构成电感滤波电路，如图1.24所示。 由于电感的感抗，对于直流分量，，可将电感视为短路。对于交流分量，频率越高，越大，因此直流分量通过电感线圈时，全部输出到负载上;但交流分量在电感线圈上产生较大压降，而被滤掉，从而使负载上得到较平缓的输出电压，其波形如图1.24(b)所示。 电感L越大，滤波效果越好。若忽略电感线圈的电阻，输出电压平均值为。 电感滤波电路适用于输出电压较低，负载电流变化较大的场合。但由于电感线圈体积较大，不容易集成化，且价格又高于电容，使其应用场合受到一定限制。返回上一页下一页1.2 半导体二极管1.2.5特殊二极管1.发光二极管 发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)结构与普通二极管相似，其PN结是封装在透明的塑料壳内，发光二极管的外形和电路符号分别如图1.25(a),(b)所示。当正向电压加在发光二极管两端时，大量的电子与空穴直接复合时释放能量，并以光的形式释放出来。发光二极管常用来作为显示器件。不同半导体材料制造的发光二极管会发.I,不同颜色的光，如磷砷化稼材料发出红光或黄光。发光二极管的掺杂浓度比较高，且PN结又很宽。它的死区电压为0.9-1V，正向工作电压为1.5-2.5V，工作电流为5-15mA。发光二极管使用时，通常要串联适当的电阻，以限制流过LED电流的大小。返回上一页下一页1.2 半导体二极管

2.光敏二极管 光敏二极管PN结处的管壳上有一个玻璃窗，能接收外部的光照。光敏二极管在使用时，PN结工作在反向偏置状态。在一定的反向电压作用下，它的反向电流与光照成正比。当无光照时，与普通二极管的反向伏安特性一样，仅有很小的反向电流。光敏二极管的电路符号如图1.26所示。 如果将发光二极管和光敏二极管结合起来，还可以制成光电隔离器。如图1.27所示。发光二极管将输入的电信号转换为光信号，而光敏二极管将接收到的光信号还原为电信号。光电隔离器的作用是将电路的输入与输出部分的电信号隔离开，以避免电噪声信号的干扰。返回上一页1.3 硅稳压二极管1.3.1硅稳压二极管

硅稳压二极管(简称稳压管)是一种面接触型硅半导体二极管，其内部也是一个PN结。硅稳压管的符号与伏安特性如图1.28所示。 它的正向特性和普通硅二极管无差别，主要差异是它的反向特性曲线比较陡直，硅稳压管工作在反向击穿区(伏安特性的BC

段)。这是因为稳压二极管是由杂质浓度较高的PN结构成，且空间电荷区很薄，但杂质密度大，空间电荷区的正负离子密度也大。这样，只要加上一定的反向电压，就可以使内电场达到足够的强度。这个内电场将会直接把价电子从共价键中拉出来，产生电子空穴对，从而形成较大的反向电流，产生可逆的电击穿。返回下一页1.3 硅稳压二极管

从特性曲线上可以看出，反向击穿前，反向电流很小，当稳压管两端的反向电压达到反向击穿电压时，内部的PN结被击穿，稳压管的反向电流突然急剧增加，虽然反向电流在很大范围内变化，但反向电压即稳压管两端电压变化很小。利用稳压管的这一特性，它在电路中能起到稳压的作用。 稳压管的反向击穿是可逆的。当反向电压撤除之后，稳压管能恢复正常状态。但如果不限制反向击穿电流，管子的功率损耗超过了允许值，会发生不可逆的热击穿，而将稳压管彻底烧坏。所以在稳压管电路中，必须接入一个合适的限流电阻来限制它的反向电流。返回上一页下一页1.3 硅稳压二极管1.3.2硅稳压二极管的主要参数1.稳定电压 是稳压管反向击穿后，稳压管两端的稳压值。它是由稳压管的电阻系数所决定，而电阻系数是由制造过程中掺入杂质的工艺来控制的。不同型号的稳压管具有不同的稳压值，同一型号稳压管的稳压值也略有差别。

2.最小稳定电流 是保证稳压管具有正常稳压性能的最小工作电流，当稳压管的反向电流小于时，稳压管尚未击穿，其两端电压不稳定。

3.最大稳定电流 是稳压管允许流过的最大工作电流。

4.动态电阻是稳压管在工作区电压变化量，与电流变化量的比值返回上一页下一页1.3 硅稳压二极管即： 动态电阻越小，反向伏安特性曲线越陡直，稳压性能越好。稳压管的动态电阻随着反向电压的增大而减小。

5.电压温度系数 是在一定的稳压电流下，环境温度每变化1℃时，稳定电压相对变化的百分数。稳压管的稳压值受温度影响很大，通常的稳压管具有正温度系数，的稳压管具有负温度系数，而在6V左右的稳压管有较好的温度稳定性。

6.最大允许耗散功率 是稳压管不发生热击穿的最大功率损耗，。稳压管的耗散功率与温度有关，且随着温度上升而减小。返回上一页下一页1.3 硅稳压二极管1.3.3 硅稳压二极管稳压电路

经整流、滤波电路输出的直流电压会因为电源电压的波动和负载的变化等因素而引起不稳定。为了得到基本稳定的输出电压，常在整流滤波电路之后接入稳压电路。由稳压二极管构成的稳压电路是最简单的一种稳压电路，如图1.29所示的虚线框内。稳压电路是由限流电阻R和稳压二极管组成，由于稳压管与负载电阻并联，故称为并联稳压电路。 由前述分析可知，稳压管起稳压作用时是工作在反向击穿区，稳压管两端的稳压值为。稳压电路的输出电压等于稳压值，它与输入电压的关系为：

图1.29中A点的电流关系为。下面分别讨论由于电源电压波动和负载电阻变化时并联稳压电路的稳压过程。返回上一页下一页1.3 硅稳压二极管1.稳压原理 当负载保持不变，交流电压升高后，整流、滤波后的电压随之升高，输出电压也要升高，从而使稳压管电流大大增加，随之增加，电阻R上的压降增加。由KVL关系式可知，增加的压降，降落在电阻R上，从而使输出电压近似保持不变。 相反若电源电压降低而使减小，输出电压也要减小，从而使稳压管的电流减小，电阻R上压降也减小，保持输出电压近似不变。 当电源电压不变，负载电阻减小时，引起输出电流增加，使电阻R上的电流和压降均增加，导致下降。这时稳压管电流显著减小，又使电阻R上的电流和压降减小，因此输出电压。 近似不变。当负载电阻增大时，引起输出电流减小，使电阻R上的电流和压降均减小，导致上升。这时稳压管电流显著增加，又使电阻R的电流和压降增加，因此输出电压近似不变。返回上一页下一页1.3 硅稳压二极管2.元件选择 如何选择稳压管和限流电阻R呢?选择稳压管时，一般取

式中，为流过负载的最大电流;为稳压管的参数。限流电阻一般取

式中，为的最大值;为的最小值;为的最小值;P为电阻R的额定功率。返回上一页下一页1.3 硅稳压二极管例1.3稳压管稳压电路如图1.29所示，负载电阻由开路变到500Ω，要求输出电压，试求。返回上一页1.4 半导体三极管1.4.1 三极管的结构、分类和符号

三极管是由两个PN结，引出三个极封装而成的，其外形如图1.30(a)所示。根据三极管内PN结组合方式的不同，分为两种型:NPN型和PNP型。它们的结构示意图和电路符号如图1.30(b)(NPN型)和(c)(PNP型)所示。 三极管内有三个区，分别为基区、发射区和集电区。并引出三个极，分别称为基极B、发射极E和集电极C。三极管内有两个PN结，基区与发射区之间的PN结称为发射结，基区与集电区之间的PN结称为集电结。 晶体三极管是电流控制器件，在制造三极管时必须满足以下工艺要求:①基区要很薄，掺杂浓度要低。②发射区掺杂浓度要高。③集电区体积要大，掺杂浓度要低。返回下一页1.4 半导体三极管1.4.2 三极管的工作状态1.三极管的电流放大状态 使三极管处于放大工作状态，必须要满足一定的外部条件:发射结加正向电压(又称为正向偏置)，集电结加反向电压(或称为反向偏置)。对于NPN型管(图1.31(a))，应满足，对于PNP型管(图1.31(b))，应满足,

当三极管处于放大状态时，NPN型硅管发射结电压通常为, PNP型锗管的发射结电压。 下面以NPN型硅三极管为例说明三极管的放大原理。返回上一页下一页1.4 半导体三极管

三极管的发射结处于正向偏置时，由于发射区掺杂浓度高，具有大量的多数载流子—电子向基区扩散，形成发射极电流(图1.32)。基区做得很薄，多数载流子—空穴较少，使来自发射区扩散到基区的电子仅有很少一部分与基区的空穴复合。基极电源不断补充复合掉的空穴，从而形成基极电流。进入基区内的大部分电子在基区内继续扩散，由于集电结是反向偏置，从发射区扩散过来的电子成为基区的少子，在集电结反向电压作用下，漂移过集电结进入集电区，并在电源电压作用下形成集电极电流。三极管三个电流之间的关系为：返回上一页下一页1.4 半导体三极管

当加在发射结上的正向电压变化时，由发射区扩散到基区的电子数要发生变化，电子在基区复合的数量也要发生变化，即基极电流发生变化，会引起集电极电流随之按固定比例变化，将受的控制称为三极管的电流控制作用。又由于大于，因此称三极管具有电流放大作用。将三极管集电极电流与基极电流之比称为三极管的直流(又称静态)电流放大系数，即 若三极管发射结的正向偏置电压发生变化，则基极电流与集电极电流也会发生变化，将它们的变化量之比称为交流(又称动态)电流放大系数，即返回上一页下一页1.4 半导体三极管2.三极管的饱和状态 当时，集电结与发射结一样也处于正向偏置，这时集电区失去了收集从发射区扩散过来的电子的能力，不再随成比例变化，即，三极管处于饱和状态，失去了电流放大作用。

3.三极管的截止状态 当时，发射结与集电结一样处于反向偏置。这时发射区不能向基区扩散电子，则，三极管处于截止状态，同样失去了电流放大作用。 利用三极管的电流放大作用，可以构成三极管放大电路，主要用于模拟电路;利用三极管的截止和饱和作用，可以构成三极管开关电路，主要用于数字电路。返回上一页下一页1.4 半导体三极管

三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线。它包括输入特性曲线和输出特性曲线，它反映了三极管的性能，是分析三极管电路的重要依据。三极管的特性曲线可以通过实验的方法来测得(或利用晶体管特性图示仪)，共发射极接法的特性曲线测试实验电路如图1.33所示。图中电源和三极管的发射结构成输入回路，和三极管的C,E构成了输出回路，发射极是输入、输出回路的公共端，故称为共发射极接法。返回上一页下一页1.4 半导体三极管1.4.3 三极管的特性曲线1.输入特性曲线 三极管的输入特性曲线是指基极电流与电压之间的关系曲线，即 在保持为某一常数，通过改变电阻来改变的大小，从而引起发生变化，得到了曲线，如图1.34所示。它与二极管的正向伏安特性相似，当以后，数值的改变对输入特性影响不大。返回上一页下一页1.4 半导体三极管2.输出特性曲线 三极管的输出特性是指集电极电流与电压之间的关系曲线。即： 当取不同数值时，可得到不同的输出特性曲线。增加时也相应的增加，所以三极管的输出特性是一组曲线，如图1.35所示。不同时，各条输出特性曲线的形状基本相同，每条曲线开始都是陡斜上升，然后弯曲变平。返回上一页下一页1.4 半导体三极管(1)截止区截止区是三极管工作在截止状态的区域，以下的区域为截止区。对于NPN型硅管，当时开始截止，为了可靠截止，通常使，这时，集电极与发射极间存在一个很小穿透电流，它是由半导体内的少数载流子所形成。这个电流受环境温度影响很大，且与集电极、基极之间反向饱和电流(由基区少数载流子的漂移运动所形成的电流)的关系为：

一般情况下可忽略不计，因此三极管工作在截止区时，C,E间相当于开路，等效于开关的断开状态。返回上一页下一页1.4 半导体三极管(2)饱和区 饱和区是三极管工作在饱和状态的区域，如前所述，这时，集电结不再反向偏置，，从图1.33可以得出： 若很小，忽略不计，则由上式得： 为集电极电流的最大可能值，这时返回上一页下一页1.4 半导体三极管

如果基极电流大于，则表明三极管进入了饱和状态。三极管CE间的饱和压降的范围为0.1一0.3V，若忽略不计，三极管的CE间相当于短路，等效于开关的接通状态。 作为开关管使用的三极管是工作在它的截止区与饱和区。当三极管处于饱和状态时相当于工作在开关接通状态，当三极管工作在截止状态时相当于工作在开关断开状态。(3)放大区 放大区是三极管工作在放大状态所对应的区域，发射结处于 正向偏置，集电结处于反向偏置，这时。与几乎无关，仅满足。 三极管在放大状态下构成的电路可实现电压放大或功率放 大的功能。返回上一页下一页1.4 半导体三极管例1.4在图1.36所示电路中， 已知:，试判断三极管的工作状态。 解：由图可以看出，该电路的，不会处于截止状态，可 能处于放大或饱和状态。如果三极管饱和，则应有，所以先求电流和。由于T饱和时，，则有 显然，三极管工作在饱和状态。返回上一页下一页1.4 半导体三极管1.4.4三极管的主要参数

1.电流放大系数β

在三极管制成后，电流放大系数也就确定了。不同型号的三极管其值不同，通常小功率三极管的β值为30一100，大功率三极管的β值为20一30。同一型号的三极管，其β值也有相当大的分散性。β值过大或过小都不好。β值过小，电流放大作用小，β

值过大，加大了三极管受温度影响的程度。2.穿透电流 是指,即基极开路时的集电极电流，它受环境温度影响大，三极管工作不稳定，因此越小越好。考虑穿透电流时，集电极电流为：

返回上一页下一页1.4 半导体三极管3.集电极最大允许电流

是指三极管集电极最大直流电流值。当工作电流超过时，会使三极管的β值大大降低，严重时会烧毁三极管。

4.集一射极反向击穿电压 是指基极开路时，允许加在集电极和发射极之间的最大电压值，当时，三极管的PN结会被击穿，这时会突然大增。

5.集电极最大允许耗散功率当集电极电流流经集电结时将产生热量，而使结温升高。升高的结温会引起三极管参数的变化，其变化不超过允许值时，三极管集电极所消耗的最大功率称为集电极最大允许耗散功率，集电极耗散功率为：返回上一页下一页1.4 半导体三极管1.4.5温度对三极管参数的影响1.温度对的影响 温度升高，减小，温度每升高1℃，减小。2.温度对β的影响 三极管的电流放大系数β随着温度的增加而增大，通常温度每增加1℃，β值增大0.5%一1%。3.温度对的影响 温度升高，穿透电流增大。通常温度每升高10℃，增加一倍。返回上一页下一页1.4 半导体三极管1.4.6三极管的微变等效电路

放大电路的分析是对放大电路的静态和动态两种情况所做的分析。静态是输入信号为零时，放大电路中仅含有直流量的工作状态;动态是有输入信号时，放大电路中的工作状态。静态分析是对电路中直流量进行分析，常采用估算法。动态分析是对电路中交流量的分析，常采用微变等效电路法进行分析。 三极管是非线性元件，如果将其线性化，就能将含有三极管的放大电路转化为线性电路，可以简化电路的分析和计算。线性化三极管的微变等效电路是对变量而言。当放大电路的输入信号较小时，三极管的电压、电流在直流量基础上有一个小范围内的化。在这个小范围内，可用直线段近似地代替三极管的特性曲线，也就是把三极管线性化，用线性元件来等效替代非线性元件，由此得到三极管的微变等效电路。下面通过对三极管的输入、输出特性分析来得到三极管的微变等效电路。返回上一页下一页1.4 半导体三极管三极管的输入特性曲线是非线性的。静态时，假设在Q点(又称静态工作点)对应于的电流为。当输入信号很小时，Q点附近电流、电压的变化可认为是线性的，即Q点附近的线段是直线，如图1.37(a)所示，因此可以用一个线性电阻来表示这种关系，即

在三极管输出特性的线性放大区域内，如图1.37(b)所示，当为常数时，之比为三极管的电流放大系数返回上一页下一页1.4 半导体三极管另外，三极管的输出特性曲线并不完全与横轴平行，当增加，稍有增加，在为常数时，用来表示它们之间的关系，即 将称为三极管的输出电阻。若把三极管的输出回路看成是一个电流源，则是这个电源的内阻，由此得三极管(图1.38(a))的微变等效电路如图1.38(b)所示。通常的阻值很高，一般在几十千欧到几百千欧，这个阻值远大于外接的负载电阻，因而可以忽略不计，由此得到简化的微变等效电路如图1.38(c)所示。的关系为：返回上一页1.5 绝缘栅型场效应管1.5.1绝缘栅型场效应管的基本结构

1.N沟道增强型

N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构如图1.39(a)所示，它是用一块杂质浓度较低的P型硅片作衬底(衬底引线用B表示)，在上面扩散出两个杂质浓度很高的N型区，然后在硅片表面生成一层很薄的二氧化硅绝缘层，在上面放一个电极，称为栅极G。在N型区表面放置两个电极，分别称为源极S和漏极D。因为栅极和其他电极及硅片之间是绝缘的，故称为绝缘栅型场效应管。N沟道增强型MOS管简称增强型NMOS管，电路符号如图1.39(b)所示(通常衬底与源极S相连)。

2.P沟道增强型

P沟道增强型场效应管的结构如图1.40(a

)所示，它是用一块N型硅片作衬底，在上面制造出两个P型区，然后也在硅片上生成二氧化硅绝缘层。与NMOS管类面，在绝缘层引出栅极G，在两个P区各引出源极S和漏极D。电路符号如图1.40(b)所示，这种类型的管子简称为增强型PMOS管。返回下一页1.5 绝缘栅型场效应管3.N沟道耗尽型

N沟道耗尽型绝缘栅场效应管(简称耗尽型NMOS管)与增强型

NMOS管不同之处是制造管子时，在栅极下面的二氧化硅绝缘层中掺入了大量碱金属正离子，形成了原始导电沟道，其结构图及电路符号如图1.41(a),(b)所示。P沟道耗尽型绝缘栅场效应管(简称耗尽型PMOS管）的结构与耗尽型NMOS管是相同的，只是导电沟道不同，其电路符号表示如图1.41(C)所示。返回上一页下一页1.5 绝缘栅型场效应管1.5.2场效应管的工作原理1.增强型NMOS管 增强型NMOS管在栅(G)源(S)极间不外加电压，即时，在每个P型区和N型区的交界处形成了一个PN结。从源极(S)到漏极(D)之间，这两个PN结是反向串联，不论在漏极与源极之间所加电压的极性如何，总有一个PN结是反向偏置，漏、源之间没有导电沟道，即时，NMOS管不能导电。当栅、源之间加上正向电压后(图1.42)，在栅极经绝缘层到衬底P区之间形成由栅极指向衬底的电场，该电场使P区中的少数载流子(电子)向上移动，移至栅极下面P型半导体表层。返回上一页下一页1.5 绝缘栅型场效应管2.增强型PMOS管对于增强型PMOS管，在工作时则应在栅、源之间加入负电压，即，当时，在两个P区之间形成导电沟道。并在漏、源极间亦应加入负电压，如图1.43所示。

3.耗尽型绝缘栅场效应管 对于耗尽型绝缘栅场效应管，它的导电沟道在管子制成后就已存在，如果在漏源极之间加上正向电压，就会有漏极电流。对耗尽型NMOS管，当时，导电沟道变宽，随增大而增大;当时，导电沟道变窄，随的负值增大而减小。当为一定负值时，导电沟道被夹断，，将此电压称为夹断电压，并用表示。为了使能从开始控制的大小，通常在耗尽型NMOS管栅极加负电压，即。对于耗尽型PMOS管，应在栅极加正电压，即。返回上一页下一页1.5 绝缘栅型场效应管1.5.3 场效应管的特性曲线N沟道特性曲线包括输出特性和转移特性，如图1.44所示。

1.输出特性 输出特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系，即

当为不同数值时就可得到一组曲线如图1.44(a)所示。当为某一数值时，改变可得一条输出特性，如图1.44（b）所示。2.转移特性 转移特性是指在一定时，漏极电流与栅源电压之间的关系，即：

由转移特性(图1.44(b))可以看出，栅极电压对漏极电流的控制作用，说明场效应管是电压控制器件。 返回上一页下一页1.5 绝缘栅型场效应管1.5.4 场效应管的微变等效电路

绝缘栅型场效应管的栅源之间为一层绝缘物质，即使在栅源之间加入电压，栅、源间也没有电流，因而管子的输入电阻很高，可以认为其栅、源极间开路。 当场效应管工作在饱和区，表现出恒流特性，漏极电流的变化量与栅、源极间的电压变化量成比例变化，即 因此输出回路可等效为电压控制的受控电流源。场效应管小信号的微变等效电路如图1.45(b)所示。返回上一页下一页1.5 绝缘栅型场效应管1.5.5场效应管的主要参数1.开启电压 开启电压是增强型场效应管的参数，是指在为某一数值下，开始出现漏极电流所需要的栅、源电压。增强型NMOS管的为正值，增强型PMOS管的为负值。2.夹断电压 夹断电压是耗尽型场效应管的参数，是指在为某一数值下，使近似等于零时的栅源极间电压。耗尽型NMOS管的为负值，耗尽型PMOS管的为正值。3.跨导 是表示栅源电压对漏极电流的控制能力，定义为返回上一页下一页1.5 绝缘栅型场效应管4.输入电阻 是栅、源电压和栅极电流的比值。因为栅极与导电沟道是绝缘的，因此很高，一般大于。5.最大漏极电流 是指管子在工作时允许的最大漏极电流。

6.最大耗散功率是决定管子温升的参数，在使用时不要超过这一极限值。

7.漏源击穿电压和栅源击穿电压 击穿电压和均为极限参数，使用时不允许超过。返回上一页下一页1.5 绝缘栅型场效应管1.5.6场效应管的主要特点①场效应管是一种电压控制器件，它通过来控制。而三极管是电流控制器件，通过来控制。②场效应管输入端几乎没有电流，所以输入电阻很高。由于这个原因，由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏。因此，在存放时应将各电极短接。③场效应管的互导较小，当组成电路且相同负载电阻时，电压放大倍数比三极管低。返回上一页1.6电力半导体器件

电力半导体器件是用来进行电能转换、功率控制与处理的核心器件。它与前面介绍的半导体器件不同，一方面它必须要有高电压、大电流的承受能力，另一方面必须以开关模式运行。电力半导体器件有很多种类和不同的分类方式，按照开通、关断控制方式可分为三大类:(1)不控型(2)半控型(3)全控型返回下一页1.6电力半导体器件1.6.1晶闸管的结构、工作原理及参数

晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率半导体器件，主要用于整流、逆变电路中，具有体积小，耐压高的特点。晶闸管的基本结构及工作原理 晶闸管是一个PNPN四层结构的半导体器件，有三个PN结，即。引出的三个极，分别为阳极A，阴极K,控制极G。其结构示意图及电路符号如图1.46所示。

当在晶闸管阳极A与阴极K两端加反向电压,结处于反向偏置状态，器件A,K两端不导通，这种状态称为反向阻断状态。当晶闸管阳极A与阴极K两端加正向电压，结处于反向偏置状态，器件A,K两端仍不导通，这种状态称为正向阻断状态。返回上一页下一页1.6电力半导体器件

若要关断晶闸管，可减小阳极电流到维持电流以下，使它由导通状态变为正向阻断状态而关断;或在阳极与阴极之间加反向电压，使其由导通状态变为反向阻断状态而关断。 综上所述，晶闸管的导通条件为:在阳极和阴极间加正向电压，并在控制极和阴极之间加正向触发电压。晶闸管的关断条件:使或在阳极与阴极间加反向电压。因此可将晶闸管看成是一个可控的单向导电开关。返回上一页下一页1.6电力半导体器件

除了这种普通晶闸管外，还有双向晶闸管。它是可以两个方向控制导通的晶闸管，其电路符号如图1.47(a)所示。分别表示两个极，G仍为控制极。实际上它相当于两个反向并联晶闸管的组合，只是共用一个控制极，如图1.47(b)所示，通过在控制极施加正负电压来控制晶闸管的双向导通。通常时，控制极与极间加正向电压，即，双向晶闸管为正向导通;时，在控制极与极间加反向控制电压，即，双向晶闸管为反向导通。双向晶闸管与一对反向并联晶闸管相比是经济的，而且控制电路比较简单，所以在交流调压电路和交流电动机调速等领域应用较多。返回上一页下一页1.6电力半导体器件2.晶闸管得特性曲线

晶闸管得特性曲线如图1.48所示。 由特性曲线可以看出，晶闸管有两个工作区域。 当晶闸管承受反向电压，且大小低于反向击穿电压时，仅有极小的反向漏电电流，与二极管的反向特性类似。这时无论控制极是否有正向电压，晶闸管均不会导通，处于反向阻断状态。当反向电压超过一定值并达到反向击穿电压时，会使反向漏电电流急剧增大，导致晶闸管损坏。返回上一页下一页1.6电力半导体器件

当晶闸管两端加入正向电压、而控制极未加电压时，，晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电电流。若晶闸管两端正向电压增加到某一数值时，电流突然急剧增加，晶闸管在没有控制极电压作用下，由正向阻断变为导通，这个电压称为晶闸管的正向转折电压。 若在控制极上加触发电压，则产生控制极电流，即，这会降低转折电压，电流越大，转折电压越低。电流从控制极流入晶闸管、从阴极流出晶闸管。 双向晶闸管的特性曲线如图1.49所示。它在第一和第三象限，有对称的伏安特性。返回上一页下一页1.6电力半导体器件3.晶闸管的主要参数

(1)正向重复峰值电压

(2)反向重复峰值电压

(3)额定正向平均电流

(4)维持电流

(5)控制极触发电流

(6)控制极触发电压队返回上一页下一页1.6电力半导体器件1.6.2 晶闸管的应用1.单相半波可控整流电路

(1)电阻性负载

图1.50(a)为电阻性负载、半波可控整流电路。设电压，当电源电压为正半周时，晶闸管T承受正向电压。在时刻，控制极加入触发电压,晶闸管从时刻开始导通，导通后负载上输出电压。当电压u下降接近零时，晶闸管因正向电流小于维持电流而关断。在u的负半周，晶闸管T承受反向电压而阻断。输出电压及晶闸管两端电压波形如图1.50(b)所示。在下一个周期的同一时刻再次加入触发电压，重复前一个周期的过程。返回上一页下一页1.6电力半导体器件

图中α称为控制角，控制晶闸管的导通时刻;θ称为导通角。在单相半波整流电路中，θ与α的关系为:

导通角θ越大，即控制角α越小，输出电压越高。显然，输出电压的大小是可灵活调整的。整流电路输出电压平均值为：输出电流平均值为整流元件中流过的电流平均值返回上一页下一页1.6电力半导体器件(2)电感性负载 实际上很多负载是感性的，如电机的励磁绕组，电感线圈等。感性负载的半波可控整流电路如图1.51(a)所示。 由于电感的存在，使电流不能发生跃变。当晶闸管刚触发导通时，电流将由0逐渐增加(因为电感元件中的感应电动势阻碍电流变化)，电流达到最大值的时间滞后于电压达到最大值的时间。当电压下降到零后，电流并不为零，在u变为负值以后仍能使晶闸管导通，这时感应电动势大于电压，且极性仍使晶闸管导通。只有当降低到维持电流以下时，晶闸管才关断。输出电压电流变化的波形如图1.51（b）所示。返回上一页下一页1.6电力半导体器件

可以看出，在交流电压u进入负半周以后，出现了一段晶闸管导通的时间，使输出电压出现了负值。电感越大，出现负值的时间越长，这样会使输出电压的平均值下降为了避免这种情况出现，通常是在感性负载两端并联一个二极管(称续流二极管)，如图1.52(a)所示。 当u为正半周时，二极管D截止。当u为负半周时，二极管D两端承受正向偏压而导通，这时负载电流（由感应电动势产生的）经二极管形成回路，则输出电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断，输出电压和输出电流等波形如图1.52(b)所示。返回上一页下一页1.6电力半导体器件2.单相半控桥式整流电路 将单相桥式整流电路的两个二极管用晶闸管替代，即构成了单相半控桥式整流电路，如图1.53(a)所示，负载为纯电阻。 当电压u为正半周时，承受正向偏压。若在时刻对晶闸管的控制极加入触发电压，则导通，电流经路为:，形成输出电压（上“+”下“—”），此时承受反向偏压而截止。当u为负半周时，承受正向偏压。在时刻对晶闸管加入触发电压，则导通，电流径路:,形成输出电压从仍为上“+”下“一”)。此时承受反向偏压而截止。波形如图1.53(b)所示。返回上一页下一页1.6电力半导体器件设，可控整流电路接电阻性负载时的输出电压平均值为输出电流平均值为整流元件中流过电流的平均值为返回上一页下一页1.6电力半导体器件晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压均为。(2)电感性负载 电感性负载的单相桥式可控整流电路如图1.54(a)所示。电路中接有续流二极管D，电路中电压、电流波形如图1.54(b)所示。输出电压的波形与电阻负载时的波形相同，因此输出电压平均值仍由(1.21)式计算得出。 当电感量较大时，电流的波形是连续的，可近似为直线，负载电流平均值仍为 晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压均为。返回上一页下一页1.6电力半导体器件

例1.5在图1.53所示电路中，若。试求时，整流电压平均值、整流电流平均值和整流元件所承受的最大反向电压。 解：将数据代入式(1.21)和式(1.22)，得输出电压和输出电流平均值为整流元件所承受的最大反向电压返回上一页下一页1.6电力半导体器件3.晶闸管的保护

(1)过电流保护 ①快速熔断器 快速熔断器采用银质熔丝，以保证在电流发生过载或短路时，在短时间内及时切断电路，保护晶闸管不被损坏。快速熔断器可与被保护元件串联连接。 ②过电流继电器 过流继电器只对电路过载时起保护作用，过流继电器通常串联接在输入端或输出端。

(2)过电压保护

引起过电压的原因是在具有电感元件的电路中，当切断电路时，电路中电感元件会产生高电压，极易引起晶闸管的损坏。阻容保护是经常采用的一种过压保护措施，它是由电阻与电容的串联来吸收过电压(图1.55)，使元件上电压上升速度减慢。返回上一页下一页1.6电力半导体器件1.6.3 晶闸管的触发电路除了在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压外，还必须在控制极与阴极之间加触发电压，才能使晶闸管导通。提供触发电压的电路称为触发电路，所需触发电压是一系列的触发脉冲信号。对触发电路的要求如下: ①有足够的触发功率。一般触发电压为,触发电流为数十至数百毫安。 ②有足够的触发脉冲宽度，通常大于10。并且触发电压波形的前沿要陡直。 ③角虫发时间要准确，并与整流电路的交流电源同步。 ④触发电压能在足够宽的范围内平稳移动。 触发电路种类很多，在此仅介绍常用的单结晶体管触发电路。返回上一页下一页1.6电力半导体器件1.单结晶体管的结构及工作原理在一块N型半导体上制成一个PN结，从P区引出发射极E，从N型半导体两端引出两个电极，分别称为第一基极，和第二基极，从而构成了单结晶体管，如图1.56(a)所示。单结晶体管的符号如图1.56（c）所示。和

两个基极与N型半导体间有几千欧的电阻，发射极对均形成PN结，PN结可等效为二极管D。基极

与N型半导体间的电阻为，是一个可变电阻，基极与N型半导体间的电阻为由此得单结晶体管的等效电路，如图1.56(b)所示单结晶体管工作时在

与

之间加电压，在E与

之间加电压

等效电路如图1.57（a）所示。A点电位为上一页下一页返回1.6电力半导体器件令则若,，PN结处于反向偏置，单结晶体管的发射极电流

，单结晶体管处于截止状态。当升高

，使

，PN结进入导通状态，为单结晶体管的峰点电压，对应的发射极电流

为峰点电流。

当

后，PN结正向导通，显著增加，但由于

随着PN结的导通而急剧下降，使下降，从而导致

下降，这种

下降而

增加的现象称为负阻现象。当

下降到某一值()时，PN结将自动关断，

称为谷点电压，对应的

电流称为谷点电流