电路分析第5章半导体器件

第1章半导体器件1.2半导体二极管1.3硅稳压二极管1.4半导体三极管

*1.5绝缘栅场效应管1.1半导体的基础知识*1.6电力半导体器件电子技术绪论导体——阻抗小，施压后电流很容易流过绝缘体——阻抗大，施压后电流很难流过半导体——导电能力介于二者之间为什么半导体在现代电子技术中得到广泛应用？导电能力的可控性！！！可改变其阻抗1948贝尔实验室WilliamSchockley WalterBratlen JohnBardeen

晶体管 SolidStatedevice12年后，应用于商业、民用1960开始蓬勃发展，多种器件面世，如 FET LED光电器件

半导体传感器1959RobertNoyce集成电路IntegratedCircuit(IC) DiscreteComponents分立器件今天，半导体的应用极为广泛半导体发展简史一1963~65，中国半导体发展简史二

在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。

把纯净的具有共价键结构的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。本征半导体的共价键结构硅原子价电子1.1.1本征半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1半导体的基础知识+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向

空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。

空穴移动方向

电子移动方向

在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。价电子填补空穴+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2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元素,如磷,则形成N型半导体。

磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子,

空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴2.P型半导体

在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。

+4+4硼原子填补空位+3负离子

P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子在P型半导中,电子是少数载流子,

空穴是多数载流子。P区N区1.PN结的形成

用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向1.1.3PN结多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N

区

在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。

空间电荷区不存在载流子，因而不能导电。内电场方向E外电场方向R2.PN结的单向导电性P型半导体外电场驱使P型半导体的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N型半导体电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷a.外加正向电压N型半导体内电场方向E外电场方向RI空间电荷区变窄

扩散运动增强，形成较大的正向电流a.外加正向电压P型半导体N型半导体内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行b.外加反向电压P型半导体N型半导体1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。相当于开关闭合SPN结的单向导电性：2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。相当于开关打开

正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管1.2.1二极管的基本结构二极管的符号正极负极1.2

半导体二极管

正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线面接触型二极管N型硅PN结PN结600400200–0.1–0.200.40.8–50–100ID

/mAUD/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性1.2.1二极管的伏安特性反向特性死区电压ID/mAUD/V0.40.8–40–80246–0.1–0.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0死区电压+

UD

–IDID=f（UD）600400200–0.1–0.200.40.8–50–100ID

/mAUD/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性反向特性死区电压对于理想二极管锗管正向压降0.2--0.3V硅管正向压降0.5--0.7VR-+USIDDUD-+R-+USIDD正向特性：二极管加正向电压600400200–0.1–0.200.40.8–50–100ID

/mAUD/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性反向特性死区电压对于理想二极管R-+USDUD-+R-+USIRD反向特性：二极管加反向电压实际二极管的分析模型ID

/mAUD

/V理想二极管模型正向导通压降=0ID

/mAUD

/V正向导通压降锗管0.2--0.3V，常取0.2V硅管0.5--0.7V，常取0.6V使用条件：正向压降不能忽略时正向导通压降+--等效电路1.2.3二极管的主要参数最大整流电流IOM

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。反向工作峰值电压URWM

它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。反向峰值电流IRM

它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。

二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。DE3VRuiuouRuD

例：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui

=6sintV，

E=3V，试画出

uo波形。t

ui

/V6330t

uo/V022–6uR？1.二极管限幅1.2.2二极管的主要应用t

6302双向限幅电路t03–3DE3VRDE3VuiuouRuD

ui

/Vuo/V–3uototototo23uou2u2u1uDioioRLT232U22U22U2Im2233uDD第4章4.12.二极管整流将交流电变成直流电称为整流。（1）单相半波整流电路UouOt0ttt23uOu2u2u1uDuDiOiODRLT232U22U22U2Im2233UO=0.45U2电路计算000u2=2U2sintuO的电压平均值：UO=0.45U2uO的电压平均值：负载

的电流平均值：截止时二极管所承受的最高反向电压为：（2）单相桥式整流电路

整流电路中最常用的是单相桥式整流电路它由四个二极管D1D4接成电桥的形式构成。RLAu2u1uo+D1D2D4D3B++iOt0uot0u20tuDuD2、uD4uD1、uD3ioRLAu2u1uo+D1D2D4D3B++

在u2的正半周，D1和D3导通，D2和D4截止(相当于开路)。ioRLAu2u1uo++D1D2D4D3B–+

在u2的负半周，D2和D4导通,D1和D3截止(相当于开路)，

在一个周期内，通过电阻的电流方向相同，在负载上得到的是全波整流电压uo。工作原理Uototototo2323Im2233uD1uD3uD4uD2uOuuDiO

由于二极管的正向压降很小，因此可认为uO的波形和u的正半波是相同的。输出电压的平均值为

式中U2是变压器副方交流电压u2的有效值。

截止管所承受的最高反向电压为UO=0.9U2每个二极管通过的平均电流下图是单相桥式整流电路的简化画法+uoRLio~+u例已知负载电阻RL=80,负载电压UO=110V。今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为380V。（1）如何选用晶体二极管？（2）求整流变压器的变比及容量。解（1）负载电流每个二极管通过的平均电流变压器副边电压的有效值为整流桥符号

考虑到变压器副绕组及管子上的压降，变压器副边的电压大约要高出10%，即1221.1=134V。于是

因此可选用，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V晶体二极管。（2）变压器的变比及容量变压器的变比变压器副边电流的有效值为变压器的容量为可选用BK300（300V•A），380/134V的变压器。半波整流电容滤波电路的外特性估算公式:

UO=1.0U2

2UDRM=2U2注意:t0232U2u2Io

Uo2U20.45U20滤波后输出电压uo的波形变得平缓,平均值提高。uO（1）电容滤波3.滤波电路

二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电uou2uDioDRLTu1C半波整流电容滤波电路tuO2U2''UO=1.2U22U2IO

UO0.9U20.45U2全波整流电容滤波电路的外特性00uoRLC+uCu2u1+++io放电时间常数

=RLC越大,脉动越小,输出电压平均值越高,一般要求全波整流电容滤波电路例有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率f=50Hz,负载电阻RL=200,要求直流输出电压UO=30V,选择整流二极管及滤波电容器。解（1）选择整流二极管流过二极管的电流取UO=1.2U2,所以变压器副边电压的有效值RLC1u2u1++型电容滤波整流电路++C2R（2）选择滤波电容器选用C=250F，耐压为50V的极性电容器二极管所承受的最高反向电压

因此可选用二极管，其最大整流电流为100mA，反向工作峰值电压为50V。（2）电感滤波电感滤波电路uoRLLu2u1+++iotuo0

由于电感的感抗XL＝L，对直流分量XL＝0，电感视为短路。对于交流分量频率越高，XL越大，因此直流分量通过电感线圈全部输出到负载上，而交流分量在电感线圈上产生较大压降，而被滤掉，使负载上得到较平缓的输出电压，电感L越大，滤波效果越好。若忽略电感线圈电阻，输出电压为Uo＝0.9U21.3硅稳压二极管

稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。

稳压管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起到稳压作用。1.3.1硅稳压二极管的伏安特性DZI/mAU/V0UZIZIZmax+正向+反向UZIZUZminIZmin1.稳定电压UZUZ是稳压管反向击穿后，稳压管两端的稳压值。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。1.3.2稳压二极管的主要参数4.动态电阻RzrZ是稳压管在工作区电压变化量UZ与电流变化量IZ的比值，即：

2.最小稳定电流IZminIZmin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IZmin时，稳压管尚未击穿，稳出电压不稳定。3.最大稳定电流IZmaxIZmax是稳压管允许流过的最大工作电流。动态电阻越小，反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好。1.3.3稳压二极管稳压电路RLCRIRIZDZIo+Uo+Ui~++U2

引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化,下面分析在这两种情况下的稳压作用。

（1）当交流电源电压增加而使整流输出电压Ui随着增加时，负载电压Uo也要增加。Uo即为稳压管两端的反向电压。当负载电压Uo稍有增加时，稳压管的电流IZ就显著增加，因此限流电阻R上的压降增加，以抵偿Ui的增加，从而使Uo保持近似不变。UoRL不变：u2UiUoIZIRUR限流电阻TRLCUiUZIZDZUou2Iou1u2不变：RLIRUOURIZUoURIRIO（2）当电源电压保持不变，而负载电流增大时，电阻R上的压降增大，负载电压Uo因而下降。只要Uo下降一点，稳压管电流IZ就显著减小，使通过电阻R的电流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压Uo也就近似稳定不变。RIR

选择稳压管时一般取：UZ=Uo，Ui=(2~3)Uo，Izmax=(2~3)Iomax稳压管稳压电路结构简单，但输出电流较小，输出电压不能调节，通常适用于小电流，固定输出电压，负载变化不大，稳压精度要求不高的场合（1）在稳压电路中，稳压管为反接；（2）使用稳压管时必须串联限流电阻。注意：例

稳压管稳压电路，负载电阻由开路变到500，要求输出电压Uo＝6V，试求Ui，U2

，UZ、IZmax。IZmax=(2~3)Iomax=(2~3)12=24~36mAUZ=Uo=6V[解]Ui＝（2~3）Uo＝（2~3）6＝12~18V1.4.1半导体三极管的结构1.4半导体三极管集电区集电结基区发射结发射区集电极C基极B发射极ENNPECB符号NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区集电极C发射极E基极BNNPPNPNP型三极管

CBE符号制造三极管的工艺要求：1.基区必须很薄，且掺杂浓度最低2.发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度3.集电区比发射区体积大且掺杂浓度低ECRCIC

UCECEBUBE共发射极接法放大电路1.4.2

三极管的电流放大状态1.三极管的电流放大状态（1）发射结正向偏置（加正向电压）；（2）集电结反向偏置（加反向电压）。EBRBIBNPN型三极管:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE通常NPN型硅管的发射结电压UBE=0.6V~0.7V，PNP型锗管的发射结电压UBE=-0.2V~-0.3V。IEECRCIC

UCECEBUBE共发射极接法放大电路三极管具有电流控制作用的外部条件:（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于PNP型三极管应满足:EBRBIBIE即

VC

<VB

<

VEUBC

>0UBE<

01.三极管的电流放大状态CBE三极管的电流放大示意图UCCUBBRCRBNNPIEICIB电子发射区向基区扩散电子电子在基区扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成IC电源负极向发射区补充电子形成

发射极电流IE电源正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB

由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：IC>>IB同样有:IC>>

IB所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。电流关系：IE=IB+ICECRCIC

UCECEBUBEEBRBIBIEIC=IB直流电流放大系数

=

IC

IB交流电流放大系数

（1）

UBE

>0，

UBC

<

0（2）IC=IB条件特征（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。ECRCIC

UCECEBUBEEBRBIBIE1.三极管的电流放大状态

集电结、发射结均反向偏置，即UBE<0（1）IB增加时，IC基本不变，且IC

UC/RC

（2）UCE0

晶体管C、E之间相当于短路即UCE<

UBE

（1）

IB=0、IC

0（2）

UCE

EC晶体管C、E之间相当于开路条件特征（1）发射结正向偏置；（2）集电结正向偏置。条件特征2.三极管的饱和状态ECRCIC

UCECEBUBEEBRBIBIE3.三极管的截止状态IBUBE0UCE

≥

1V死区电压1.三极管的输入特性IB

=f(UBE)UCE=常数1.4.3三极管的特性曲线EC输出回路输入回路公共端RCIC

UCECEBUBEEBRBIBIEIB

=40µAIB

=60µAUCE

0IC

IB增加IB

减小IB

=20µAIB=

常数IC

=f

(UCE)2.三极管的输出特性IC

/mAUCE

/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区IB=

0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µAUCE小IC小（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。

VC

>

VB

>

VE且IC=

IB3三极管的三个区对应三极管的三种工作状态

集电结、发射结均反向偏置，即UBE<0

UCE=UCC-RCIC，且ICS

UC/RC

UCE0

晶体管C、E之间相当于短路，即UCE<

UBE

IB=0、IC

0UCE

EC晶体管C、E之间相当于开路发射结集电结均正向偏置；三极管的饱和区对应三极管的饱和状态三极管的截止区对应三极管的截止状态三极管的放大区对应三极管的放大状态（NPN型三极管）IB增加时，IC基本不变，1.4.4三极管的主要参数1.电流放大系数

(1)直流电流放大系数

(2)交流电流放大系数

=

IC

IB

2.穿透电流ICEO

3.集电极最大允许电流ICM

4.集--射反向击穿电压U(BR)CEO

5.集电极最大允许耗散功率PCM极限参数使用时不允许超过!

=

IC

IBIC=ICEO+IB温度对三极管参数的影响温度升高，UBE减小；

β增大

ICEO增大60µA0

20µA1.52.3在输出特性上求

,

=IC

IB

=1.5mA40µA=37.5

=IC

IB

=2.3–1.5(mA)60–40(µA)=40设UCE=6V,IB由40µA增加为60µA

。IC

/mAUCE

/VIB

=40µA6讨论如何根据三极管的各极电位判断其好坏？E3.5v4vR1R23v-6vBC3.5v(1)分析：

R1、R2两端有电位差，则发射结导通，但VB=VE，UEB=0，知发射结已击穿或短路。第1章1.4（2）CEB0v12v3v3vR分析：

因UBE=3v，显然发射结已损坏而断路第1章1.4（3）BEC-9.2v-3v-1.5v分析：UBE=VB-VE=-9.2-(-1.5)=-7.7v反偏且VC>VB

集电结也反偏所以三极管工作在截止状态第1章1.4

三极管在小信号(微变量)情况下工作时,可以在静态工作点附近的小范围内用直线段近似地代替三极管的特性曲线,三极管就可以等效为一个线性元件。这样就可以将非线性元件三极管所组成的放大电路等效为一个线性电路。线性化思路——泰勒级数1.4.5三极管的微变等效电路则变化量之间是线性关系1三极管的微变等效电路OIB

UBE

UCEIB

QIBUBE在晶体管的输入特性曲线上，将工作点Q附近的工作段近似地看成直线，当UCE为常数时，UBE与IB之比称为晶体管的输入电阻，在小信号的条件下，rbe是一常数，由它确定ube和ib之间的关系。因此，晶体管的输入电路可用rbe等效代替。1.4.5三极管的微变等效电路低频小功率晶体管输入电阻的常用下式估算rbe是对交流而言的一个动态电阻。QIC

UCE

IBICICUCE晶体管输出特性曲线的线性工作区是一组近似等距离的平行直线，当UCE为常数时，IC与IB之比即为晶体管的电流放大系数，在小信号的条件下，是一常数，由它确定ic受ib的控制关系。因此，晶体管的输出电路可用一受控电流源ic=ib等效代替。QIC

UCE

IBICICUCEUCE晶体管的输出特性曲线不完全与横轴平行，当IB为常数时，UCE与IC之比称为晶体管的输出电阻，在小信号的条件下，rce也是一常数，在等效电路中与

ib并联，EBCrceicrbe

ibib+uce+ubeCBE+ube+uceicibT由以上分析可得出晶体管的微变等效电路由于rce的阻值很高，可以将其看成开路。EBCicrbe

ibib+uce+ube––EBCicrbe

ibib+uce+ube––ieSiO2结构示意图1.5.1

绝缘栅场效应管的基本结构P型硅衬底源极S栅极G漏极D1.5

绝缘栅型场效应管衬底引线BN+N+DBSG符号1.

N沟道增强型

场效应管分为增强型和耗尽型，导电沟道分为P沟道和N沟道。N沟道载流子为电子，P沟道载流子为空穴。SiO2结构示意图1.5.1

绝缘栅场效应管的基本结构N型硅衬底源极S栅极G漏极D1.5

绝缘栅型场效应管衬底引线BP+P+DBSG符号2.

P沟道增强型结构示意图P型硅衬底源极S漏极D栅极G衬底引线B耗尽层3.N沟道耗尽型N+N+正离子N型沟道SiO2DBSG符号

制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，形成原始导电沟道。GDBS符号P沟道耗尽型N沟道耗尽型SiO2结构示意图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID

=0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，总有一个PN结是反向偏置，漏极电流均接近于零。1.5.2场效应管的工作原理(1)UGS=01.增强型NMOS管P型硅衬底N++BSGD。耗尽层ID=0(2)0<UGS

<UGS(th)

由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移动,电子向上移动,在P型硅衬底的上表面形成耗尽层。仍然没有漏极电流。UGSN+N+UDS1.增强型NMOS管UGS(th)：使

NMOS管导通的开启电压。P型硅衬底N++BSGD。UDS耗尽层ID

栅极下P型半导体表面形成N型导电沟道，当D、S加上正向电压后可产生漏极电流ID。(3)UGS>UGS(th)N型导电沟道N+N+UGS1.增强型NMOS管

通过控制UGS来控制导电沟道的宽度，从而控制电流ID。N型硅衬底N++BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS

、UDS的极性也与NMOS管相反。P+P+UGSUDSID2.增强型PMOS管3.耗尽型绝缘栅场效应管夹断电压UGS(off)为正值，UGS

<

UGS(off)时导通。

导电沟道在管子制成后就已存在，在漏源极加正向电压，就会有漏极电流ID，对于耗尽型NMOS管：当UGS>0时，导电沟道变宽；UGS<0时导电沟道变窄。为了使UGS能从ID=0开始控制ID的大小，应使UGS<0，使ID=0的UGS称为夹断电压UGS(off)。UGS

>

UGS(off)时管子导通，夹断电压UGS(off)为负值。对于耗尽型PMOS管：4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型

NMOS

管的特性曲线

0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS

/

V1.5.3场效应管的特性曲线UGs(th)输出特性转移特性UDS/VID/mA（1）可变电阻区：UGS不变，ID与UDS成正比，漏源之间相当于一个受UGS电压控制的可变电阻。夹断区4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型

NMOS

管的特性曲线

0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS

/

VUGs(th)输出特性转移特性UDS/VID/mA（2）饱和区（放大区）：UDS大于一定值，ID几乎不随UDS变化，ID

受UGS的控制。相当于电压控制电流源。夹断区4321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型

NMOS管的特性曲线

0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS

/

VUGs(th)输出特性转移特性UDS/VID/mA（3）击穿区：UDS过大，ID急剧增加。夹断区（4）夹断区：UGS

<UGS(th)

，场效应管截止，ID=04321051015UGS

=5V6V4V3V2VID/mAUDS=10V增强型

NMOS管的特性曲线

0123饱和区击穿区可变电阻区246UGS

/

VUGs(th)输出特性转移特性UDS/VID/mA转移特性：

栅极对漏极电流的控制作用，场效应管是电压控制器件。夹断区1.5.4场效应管的微变等效电路SiO2P型硅衬底源极S栅极G漏极D衬底引线BN+N+DBSG符号

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，栅源之间也没有电流，管子的输入电阻很高，认为栅源之间开路。1.5.4场效应管的微变等效电路DBSG符号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ID与栅、源极间的电压变化量UGS成比例变化，即场效应管小信号的微变等效电路gmugsidugs++udsDGS

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所示在UDS=0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。1.5.5绝缘栅场效应管的主要参数1.开启电压UGS(th)

指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。2.夹断电压UGS(off)

指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正值。3.直流输入电阻RGS（DC）4.低频跨导gm

UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导,即

另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限参数，使用时不可超过。gm=ID

/UGSUGS=常数

跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。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。这是一类两个极的器件，一端是正极，另一端是负极，其开通和关断由两个极所加电压来决定，常见的有大功率二极管、快速恢复二极管等。（2）半控型。这类器件是三个极的器件，除了正负极外，还有一个控制极，它的开通可以通过控制极控制，但不能通过控制极控制关断。这类器件主要有晶闸管。

1.6电力半导体器件

（3）全控型。这类器件也是三个极的器件，控制极不仅可以控制其开通，而且也能控制其关断，这类器件是电力半导体器件的主导方向，代表这类器件有控制极可关断晶闸管GTO，双极型大功率晶体管BJT，绝缘栅型双极晶体管IGBT等。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。5.6.1晶闸管1.晶闸管的基本结构及工作原理晶闸管结构示意图及符号P1P2N1N2J1J2J3KAGGAKTIA

晶闸管是一个PNPN四层结构的半导体器件，有三个PN结J1、J2、J3，引出三个极，分别为阳极A，阴极K，控制极G。工作原理：

当晶闸管阳极A与阴极K两端加正向电压（uAK0），J2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。P1P2N1N2J1J2J3KAG

当在晶闸管阳极A与阴极K两端加反向电压（uAK0），J1、J3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。工作原理：

并且即使电压uG消失，晶闸管仍可保持导通。因此控制极的作用只是使晶闸管触发导通，导通后控制极就失去了控制用。晶闸管导通时，阳极与阴极之间的正向压降一般为0.6~1.2V。

在这种情况下若在晶闸管的控制极G与阴极K间加一个正向电压uG，又称触发电压，且uG0，这个触发电压使晶闸管A、K两端导通，晶闸管一旦导通，就显示出了与二极管类似的正向特性。P1P2N1N2J1J2J3KAG

若要关断晶闸管，可减小阳极电流IA到维持电流IH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IAIH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。

双向晶闸管。它是可以两个方向控制导通的晶闸管，其符号如图所示。用T1和T2分别表示两个极，G仍为控制极。GT1T2

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，通过在控制极施加正负电压来控制晶闸管的双向导通。双向晶闸管GT1T2T2T1G通常uT2T10时，控制极与T1极间加正向电压，即uGT10，双向晶闸管为正向导通；uT2T10时，在控制极与T1极间加反向控制电压，即uGT10，双向晶闸管为反向导通。

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UBR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。晶闸管的特性曲线IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH02.晶闸管的特性曲线

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。IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0

当晶闸管两端加入正向电压、而控制极未加电压时，IG＝0，晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电电流IA。若晶闸管两端正向电压增加到某一数值时（UDSM），电流IA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UDSM称为晶闸管的正向转折电压。

在正常工作时，一般不允许晶闸管上的正向电压值达到UDSM，因为这将失去晶闸管控制极的作用，同时这种导通方法容易造成晶闸管的损坏。IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0

若在控制极上加触发电压，则产生控制极电流，即IG0，这会降低转折电压，电流IG越大，转折电压越低。电流IG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在第1和第3象限有对称的伏安特性。双向晶闸管特性曲线IUIG=00（1）

正向重复峰值电压UDRMUDRM是指控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的最大正向电压，通常UDRM＝0.8UDSM3.晶闸管的主要参数(2)反向重复峰值电压URRMURRM是指控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的最大反向电压，通常URRM＝0.8UBR。普通晶闸管的UDRM和URRM的值为100~3000V。(3)额定正向平均电流IF

IF是指在规定环境温度和标准散热及晶闸管全导通条件下，允许晶闸管连续通过的工频正弦半波在一个周期内的平均值即（4）维持电流IHIH是指在控制极开路和规定环境温度下，维持晶间管导通的最小电流。当晶闸管正向电流小于IH时，晶闸管将自行关闭。（5）控制极触发电流IGIG是指在室温和阳、阴极之间直流电压为6V条件下，使晶闸管完全导通所需的最小控制极直流电流，从几毫安至几百毫安。（6）控制极触发电压UGUG是指使晶闸管正向导通时，控制极所加电压，一般为1~5V。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

当电源电压为正半周时，晶闸管T承受正向电压，在t1时刻，控制极加入触发电压uG，晶闸管从t1时刻开始导通，导通后负载上输出电压uo。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。设电压uoRLT+uTu~++iou0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiouo

在u的负半周，晶闸管T承受反向电压而阻断。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。u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiououoRLT+uTu~++io称为控制角，控制晶闸管的导通时刻，称为导通角。在单相半波整流电路中与的关系为＝180－导通角越大，输出电压越高。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

（2）电感性负载

由于电感的存在，使电流io不能发生跃变。当晶闸管刚触发导通时，电流io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uo达到最大值的时间。当电压下降到零后，电流io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u，且极性仍使晶闸管导通，只有当io降低到维持电流以下时，晶闸管才关断。感性负载半波可控整流电路uoRLT+uTu~++io（a）L（b）u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiouo

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uo出现了负值。电感越大，uo出现负值的时间越长，这样会使输出电压uo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）。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io（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，（b）u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiououoRLT+uTu~++io（a）LD有续流二极管的感性负载半波可控整流电路2.单相半控桥式整流电路

（1）电阻性负载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。单相半控桥电阻性负载整流电路

当电压u为正半周时，T1、D2承受正向偏压，若在t1时刻对晶闸管T1的控制极加入触发电压，则T1和D2导通，形成输出电压uo（上“＋”下“－”），此时T2和D1承受反向偏压而截止。uoioRLau~++T1T2D1D2buuG0t0tuo0tuT1uuGt1t2ioiouo

当u为负半周时。T2和D1承受正向偏压。在t2时刻对晶闸管T2加入触发电压，则T2和D1导通，形成输出电压uo（仍为上“＋”下“－”）。此时T1和D2承受反向偏压而截止。RLau~++T1T2D1D2buoio2.单相半控桥式整流电路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

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）电感性负载单相半控桥电感性负载整流电路uoioRLu~++T1T2D1D2LDu0t0tuouuGt1t2ioiououuG

晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压均为uo平均值负载电流Io的平均值仍为

由以上分析可以看出控制角增大，输出电压平均值减小，控制角减小，输出电压平均值增加。改变控制角，就改变了输出电压的大小。[例]单相半控桥电阻性负载整流电路，若RL＝10，U＝90V，试求＝30时，整流电压平均值Uo和整流电流平均值Io及整流元件所承受的最大反向电压。最大反向电压[解]晶闸管是工作在开关状态，存在着产生高电压，大电流冲击的可能，因此要在电路中加入保护环节，避免造成晶闸管的损坏。对晶闸管的保护主要有过电流和过电压保护。

（1）过电流保护

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。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。3.晶闸管的保护过电压保护。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，使元件上电压上升速度减慢。RLRCLCCRRCRCR晶闸管过压保护电路D1D2T1T2

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：1.6.3晶闸管的触发电路（1）有足够的触发功率。一般触发电压为4~10V，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10s。并且触发电压波形的前沿要陡直。（3）触发时间要准确，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。1.单结晶体管的结构及工作原理单结晶体管符号B2PNB1EDRB2RB1B2B1EB2B1E

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B1和第二基极B2

B1和B2两个基极与N型半导体间有几千欧的电阻，发射极对B1B2均形成PN结，PN结可等效为二极管D。基极B1与N型半导体间的电阻为RB1，RB1是一个可变电阻，基极B2与N型半导体间的电阻为RB2。单结晶体管单结晶体管等效电路0IEUEP截止区导通区UPVUVIPIVUEEDRB2RB1B2B1E+--+UBBUERAIE工作原理称为单结体晶管的分压比，一般在0.3~0.9之间。若UEVA＋UD，PN结处于反向偏置，单结晶体管的发射极电流IE0，单结晶体管处于截止状态。当升高UE使UE＝UP＝VA＋UD，PN结进入导通状态，UP为单结晶体管的峰点电压，对应的发射极电流IP为峰点电流。A点电位为：0IEUEP截止区导通区UPVUVIPIVUEEDRB2RB1B2B1E+--+UBBUERAIE工作原理

当UEUP后，PN结正向导通，IE显著增加，但由于RB1随着PN结的导通而急剧下降，使VA下降，从而导致UE下降，这种UE下降而IE增加的现象称为负阻现象。当UE下降到某一值（UV）时，PN结将自动关断，UV称为谷点电