1、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 William SchockleyWalter BratlenJohn Bardeen晶体管 Solid State device12年后，应用于商业、民用,1960 开始蓬勃发展，多种器件面世，如FETLED 光电器件半导体
2、传感器,1959 Robert Noyce 集成电路Integrated Circuit(IC)Discrete Components 分立器件,今天，半导体的应用极为广泛,半导体发展简史一,196365，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,1.1.1 本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.1 半导体的基础知识,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,
3、+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。,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,+4,1.1.2 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元 素,如磷,则 形成N型半导体。,多余价电子,N 型半导体结构示意图,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,P 型半导体结构示意图,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。,1.1.3 PN 结,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,R,2 . 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
5、,a. 外加正向电压,N 型半导体,内电场方向,R,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,R,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,PN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,点接触型二极管,1.2.1 二极管的基本
6、结构,1.2 半导体二极管,600,400,200, 0.1, 0.2,0,0.4,0.8,50,100,ID / mA,UD / 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,+ UD ,ID,ID=f（UD）,对于理想二极管,正向特性：二极管加正向电压,对于理想二极管,反 向特性：二极管加反向电压,实际二极管的分析模型,理想二极管模型 正向导通压降=0,正向导通压降,使用条件：正向压降不能忽略时,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
7、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。,D,E 3V,R,ui,uo,uR,uD,例：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V， E= 3V，试画出 uo波形 。, t,ui / V,6,0,2,uR？,1.二极管限幅,1.2.2 二极管的主要应用, t,6,0,2,双向限幅电路, t,0,D,E 3V,R,D,E 3V,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V,uo, t,o
8、, t,o, t,o, t,o,2,3,uo,u2,u2,u1,uD,io,io,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,uD,D,第4章 4.1,2.二极管整流,将直流电变成交流电称为整流。,（1）单相半波整流电路,uO, t,0, t, t, t,2,3,uO,u2,u2,u1,uD,uD,iO,iO,D,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,UO=0.45U2,电路计算,0,0,0,uO的电压平均值 ：,UO=0.45 U2,uO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 D1
9、D4 接成电桥的形式构成。,io,RL,A,u2,u1,uo,+,D1,D2,D4,D3,B,+,+,在u2的正半周， D1和D3导通，D2和D4截止(相当于开路) 。,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,Uo,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,2,3,Im,2,2,3,3,uD1,uD3,uD4,uD2,uO,u,uD,iO,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
10、所承受的最高反向电压为,UO=0.9 U2,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,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
11、量为,可选用BK300（300VA），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,u2,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,t,uO, ,UO =1.2U2,0,uo,RL,C,+,uC,u2,u1,+,+,+,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
12、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,RL,C1,u2,u1,+,+,型电容滤波整流电路,+,+,C2,R,（2） 选择滤波电容器,选用C=250 F ，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,uo,RL,L,u2,u1,+,+,+,io,由于电感的感抗XLL，对直流分量XL0，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
13、，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Uo0.9U2,1.3 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,1. 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
14、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Rz rZ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IZmax IZmax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,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，
15、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。,Uo,RL不变：,u2 ,Ui, Uo ,IZ ,IR,UR,限流电阻,u2不变：,RL , IR , UO ,UR,IZ , Uo , UR, IR,IO,（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。,选择稳压管时一般取： UZ = Uo ， Ui =(
16、23)Uo， Izmax=(23)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Uo6V， 试求Ui，U2 ，UZ、IZmax。,IZmax=(23)Iomax=(23)12=2436mA,UZ=Uo=6V,解 Ui（23）Uo（23）61218V,1.4.1 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
17、极E,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B,PNP型三极管,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,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,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）。,EB,RB,IB,NPN型三极管:,UBE 0,UBC 0,即 VC VB VE,通常NPN型硅管的发射结电压UBE=0.6V0.7V，PNP型锗管的
18、发射结电压UBE= -0.2V-0.3V。,IE,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,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:,EB,RB,IB,IE,即 VC VB VE,UBC 0,UBE 0,1.三极管的电流放大状态,C,B,E,三极管的电流放大示意图,UCC,UBB,RC,RB,N,N,P,IE,IC,IB,电子,集电区收集电子,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
19、放大作用。,电流关系： IE=IB+IC,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,EB,RB,IB,IE,IC=IB,直流电流放大系数,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。,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,EB,RB,IB,IE,1.三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） UCE 0,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
20、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,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,EB,RB,IB,IE,3.三极管的截止状态,UCE 1V,1. 三极管的输入特性,1.4.3 三极管的特性曲线,EC,公共端,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,EB,RB,IB,IE,IB =40A,IB =60A,IB = 20A,2. 三极管的输出特性,IC / mA,UCE /V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB= 0 A,20A,40 A,60 A,80 A,IC小,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。
21、,VC VB VE 且IC= IB,3 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,UCE 0,晶体管C、E之间相当于短路，,即UCE UBE,IB=0、 IC 0,UCE 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,2. 穿透电流 I
22、CEO,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,IC=ICEO+ IB,温度对三极管参数的影响温度升高，UBE减小；增大ICEO增大,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求, , ,设UCE=6V, IB由40A增加为60A 。,IC / mA,UCE /V,IB =40A,6,讨论,如何根据三极管的各极电位判断其好坏？,(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）,分析：因UBE=3v ，显然发射结已损坏而断路,第1章 1.
23、4,（3）,分析：UBE=VB-VE=-9.2-(-1.5)=-7.7v 反偏 且 VCVB 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,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，rb
24、e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。,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。,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，,由以
25、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。,E,B,C,ic,rbe,ib,+ uce,+ ube,ie,结构示意图,1.5.1 绝缘栅场效应管的基本结构,1.5 绝缘栅型场效应管,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。,结构示意图,1.5.1 绝缘栅场效应管的基本结构,1.5 绝缘栅型场效应管,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+,SiO2,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
26、。,P沟道耗尽型,N沟道耗尽型,结构示意图,耗尽层,S,G,D,UDS,ID = 0,D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 =0,1.增强型NMOS管,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,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。,UGS,N+,N+,UDS,1.增强型NMOS管,UGS(th)：使 NMOS管导通的开启电压。
27、,P型硅衬底,N,+,+,B,S,G,D,。,耗尽层,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+,N+,UGS,1.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,+,+,B,S,G,D,。,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+,UGS,UDS,ID,2.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。
28、,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UGS0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：,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,ID /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,1.5.3 场效应管的特性曲线,UGs(th),输出特性
29、,转移特性,UDS / V,ID /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,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,ID /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,ID /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,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,I
30、D /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,ID /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=0,4,3,2,1,0,5,10,15,UGS =5V,6V,4V,3V,2V,ID /mA,UDS =10V,增强型 NMOS 管的特性曲线,0,1,2,3,2,4,6,UGS / V,UGs(th),输出特性,转移特性,UDS / V,ID /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。
31、,夹断区,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,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,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
32、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。,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
33、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
34、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,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。,当在晶闸管阳极A
35、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0.61.2V。,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。,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
36、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。,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,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uGT
37、10，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,2. 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。,当晶闸管两端加入正向电压、而控制极未加电压时，IG0，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
38、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。,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,（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UDRM0.8UDSM,3. 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
39、最大反向电压，通常URRM0.8UBR。普通晶闸管的UDRM和URRM的值为1003000V。,(3) 额定正向平均电流IFIF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15V。,1.6.2
40、 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,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。,u,0,t,0,t,uo,0,t,uT,uG,u,uG,t1,t2,io,io,uo,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
41、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,（b）,u,0,t,0,t,uo,0,t,uT,uG,u,uG,t1,t2,io,io,uo,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，,
