项目5-3场效应晶体管和晶闸管课件讲解

项目五：常用半导体元器件

任务3-1场效应管任务3-2晶闸管返回主目录任务3-1场效应管场效应晶体管，简称场效应管。场效应管和晶体管的特点：场效应管是一种电压控制型器件。而晶体管是一种电流控制型器件。优点：具有很高的输入电阻、热稳定性好、低噪声、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等。分类：场效应管可分为结型和绝缘栅型两类，其中绝缘栅型（简称MOS管）应用更广泛。一、绝缘栅场效应管的结构及符号MOS管：绝缘栅型场效应管是由金属、氧化物和半导体组成，因此又称为金属氧化物半导体场效应管，简称MOS管。MOS管的分类：可分为增强型与耗尽型两种类型，每一种又分为N沟道和P沟道，即NMOS管和PMOS管。增强型MOS管：图5-17为N沟道增强型MOS管结构示意图和图形符号，箭头向内表示N沟道。导电沟道的特点是原先没有导电沟道，在外电场的作用下才形成了导电沟道。耗尽型MOS管：

图5-18为N沟道耗尽型MOS的结构示意图和图形符号。导电沟道的特点是在制造时就有一个原始导电沟道。若是P沟道，则箭头朝外。图5-17N沟道增强型绝缘栅场效应管a)结构b)图形符号结构图形符号图5-18N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构图形符号二、绝缘栅场效应管的特性1．N沟道增强型MOS管特性（5-6）（1）转移特性图5-19a为某增强型NMOS管的转移特性曲线。当<时，，这相当于晶体管输入特性曲线的死区；当=时，导电沟道开始形成，随着的增大，也增大，这说明开始受到的控制，它们之间的关系如下：式中，是时的（mA），称为NMOS管的开启电压（V）。图5-19增强型NMOS管的特性曲线转移特性输出特性（2）输出特性图5-19b为某增强型NMOS管的输出特性曲线。3）截止区当<时，场效应管工作在截止区，此时，漏极电流极小，几乎不随变化。注意：

较大时，场效应管的会急剧增大，如无限流措施，管子将被损坏，该区域叫击穿区，此时，场效应管已不能正常工作。1）可变电阻区在该区域，越大，沟道电阻越小，故曲线越陡。在这个区域中，沟道电阻由决定，故称可变电阻区。2）恒流区（饱和区）该区的特点是已趋于饱和，具有恒流性质，所以又称饱和区。但受的控制。增大，沟道电阻减小，随之增加。2．N沟道耗尽型MOS管特性在≤≤0时，耗尽型场效应管的转移特性可近似表示为

为常数时，当时，漏、源极间已经导通，流过的是原始导电沟道的漏极电流。当<0时，导电沟道变窄，减小；当达到一定负值时，导电沟道被夹断≈0，这时的称为夹断电压，用表示。图5-20a、b分别为N沟道耗尽型管的转移特性曲线和输出特性曲线。可见，耗尽型绝缘栅场效应管栅－源电压可正可负可零，一般情况下，这类管子工作在负栅－源电压的状态。（5-7）式中，为的漏极电流，为夹断电压。图5-20耗尽型NMOS管特性

夹断电压三、场效应管的主要参数（1）开启电压或夹断电压当为某固定值时，使漏极电流接近零时的栅—源电压即为开启电压（增强型）或夹断电压（耗尽型）。（2）零偏漏极电流当为某固定值时，栅—源电压为零时的漏极电流。（3）漏源击穿电压当增加，使开始剧增时的称为。使用时，不允许超过此值，否则会烧坏管子。（4）栅源击穿电压使二氧化硅绝缘层击穿时的栅—源电压叫做栅源击穿电压，一旦绝缘层被击穿将造成短路现象，使管子损坏。（6）漏极最大耗散功率是管子允许的最大耗散功率，类似于半导体三极管中的。(5-8)式中，单位为毫西门子（mS）。（7）跨导当为规定值时，漏极电流变化量和引起这个变化的栅源电压变化量之比，称为跨导，即

越大，场效应管放大能力越好，即控制的能力越强。一般为零点几到几毫西门子。（5）直流输入电阻栅源间所加电压与栅极电流的比值。约为。四、场效应管与晶体管的比较相同点：场效应管与晶体管都是半导体器件。不同点：1）场效应管是电压控制器件，几乎没有输入电流；晶体管是电流控制器件，必须有足够的输入电流才能工作。3）场效应管的温度稳定性好，而晶体管的温度稳定性较差。2）场效应管的输入电阻很高，一般在以上。任务3-2晶闸管

晶闸管原称可控硅。它是一种较理想的大功率变流器件。一、晶闸管的结构和工作原理1．晶闸管的结构

大功率晶闸管的外形结构有螺栓式和平板式两种，晶闸管的外形和图形符号如图5-24所示。三个电极：阳极A，阴极K和门极G。四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）元件。等效电路1：三个PN结串联等效，如图5-25b所示。等效电路2：晶体管互补电路等效，如图5-25c所示。三个PN结：。如图5-25所示。

图5-24晶闸管的外型和符号塑封式螺栓式平板式图5-25晶闸管的内部芯片及等效电路芯片原理结构PN结等效电路互补晶体管等效电路2．晶闸管的导通与关断条件实验电路如5-26所示a)图5-26晶闸管的导通实验阳极接电源正极，门极开路，灯不亮b）图5-26晶闸管的导通实验阳极接电源正极，门极接正电压，灯亮c）图5-26晶闸管的导通实验导通后断开门极，灯仍亮实验总结：1）不加门极电压，即使阳极加正电压，管子也不能导通。2）只有在阳极加正电压，同时门极也加正电压，管子才导通。3）一旦晶闸管导通，门极将失去作用。结论：晶闸管的导通条件：阳极加正电压，同时门极也加正电压。晶闸管的关断条件是：正向阳极电压降低到一定值（或者在晶闸管阳、阴极间施加反向电压）使流过晶闸管的电流小于维持电流。3．晶闸管的工作原理瞬时使互补晶体管达到饱和导通，即晶闸管由正向阻断状态转为导通状态；3）当管子一旦导通，如断开S，晶闸管仍能继续导通的原因是强烈的正反馈电流取代了的作用。晶闸管的工作原理如图5-27所示。原理分析：1）阳极加正向电压，使互补晶体管有正确接法的工作电源；2）开关S闭合，给N1P2N2型晶体管的基极输入电流，经过强烈的正反馈即强烈正反馈图5-27晶闸管的工作原理二、晶闸管的伏安特性晶闸管的正向伏安特性如图5-28右侧所示。正向阻断：时，结处于反向偏置，管子只有很小的正向漏电流。硬导通：时，结被击穿，电流突然上升，管子由阻断状态变为正向导通状态，管子导通是不可控的，多次硬导通会损坏管子。正向导通：门极有适当的流入，使管子正向导通。反向阻断：结反偏，晶闸管只流过很小的反向电流。反向击穿：当反向电压增大到反向击穿电压时，结被击穿，管子反向导通，此时功耗很大，可能损坏。

晶闸管的反向伏安特性如图5-28左侧所示。图5-28晶闸管的伏安特性—正向转折电压

—断态正向不重复峰值电压

—断态正向重复峰值电压—反向击穿电压

—断态反向不重复峰值电压

—断态反向重复峰值电压三、晶闸管的主要参数1．电压参数（1）断态正向重复峰值电压和反向重复峰值电压（）是门极开路而元件的结温为额定值时，允许重复加在元件上的正（反）向峰值电压。（5-10）（3）额定电压指元件的标称电压。选用公式为式中，是晶闸管正常工作时阳极电压的峰值电压（V）。（2）通态平均电压晶闸管导通时管压降的平均值，一般在0.4~1.2V之间，管压降愈小，元件功耗愈小。2．电流参数

（5-11）（1）额定电流（元件的额定通态平均电流）指晶闸管在规定的环境温度及散热条件下，允许通过的正弦半波电流的平均值。选用公式为式中，是可控整流电路输出电流平均值的最大值（A）；K是计算系数，对于单相半波电阻负载，K值取1；对于单相半控桥电阻负载，K值取0.5。（2）维持电流在室温和门极开路时，晶闸管从通态到断态的最小电流，称为维持电流。当＜时，管子关断。（3）擎住电流

晶闸管从断态到通态，去掉门极电压，并使其保持导通所需的最小电流。3．门极参数（2）门极反向峰值电压

一般门极所加反向电压应小于其允许电压峰值，通常安全电压为5V左右。（1）门极触发电压和电流是指在室温下，晶闸管施加6V正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流。对应于的门极电压，称为门极触发电压。KP□—□□∣∣∣∟通态平均电压组别，（小于100A可不标）∣∣∣∟额定电压等级（如100V为1级，700V为7级等）∣∣∟额定电流系列∣∟表示普通型（K-快速型，S-双向型，N-逆导型）∟表示晶闸管普通晶