晶体管的特性与应用

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,二极管的特性与应用,二极管是由一个由,P,型,半导体和,N,型半导体形成的,P-N,结。正是由于,P-N,结两边载流子浓度的不同，使得二极管呈现出它特有的单向导电特性。利用二极管的单向导电特性，在电路中的用途十分广泛。,一、二极管的导电特性,正向特性,当所加的正向电压达到某一数值（称为“门槛电压”，锗管约为0.2,V，,硅管约为0.6,V）,后，二极管才能真正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3,V，,硅管约为0.7,V），,称为二极管的“正向压降”。,反向特性,二极管两端加反向电压,时，,二极管处于截止状态,，但,仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流,。,反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。,二、二极管的分类,按半导体材料可分为锗二极管（,Ge,管）和硅二极管（,Si,管）。,根据其不同用途 又可分为:,普通二极管和特殊二极管。普通二极管包括快速二极管、整流二极管、稳压二极管、检波二极管等；特殊二极管包括变容二极管、发光二极管、隧道二极管、触发二极管等。,按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。,三、二极管的主要参数,正向电压降,V,F,导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3,V，,硅管约为0.7,V）,正向工作电流,I,av,平均电流,是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为,140,左右，锗管为,90,左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值,。,最大浪涌电流,I,FSM,允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值相当大。,反向峰值电压,(,V,RRM,最大周期性反向电压,),二极管正向工作时所能承受的周期浪涌电流的最大值。,反向饱和漏电流,I,R,指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。但,反向电流,受温度的影响较大，一般硅管比锗管在高温下具有较好的稳定性。,开关速度,Trr,和最高工作频率,fm,当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。开关速度和最高工作频率取决于二极管的反向恢复时间，一般高频开关管的反向回复时间为几十,nS,甚至几个,nS,。,快速二极管,快速二极管的工作原理与普通二极管是相同的 ,普通二极管工作在开关状态下的反向恢复时间较长，约5,us,以上，不能适应高频开关电路的要求 。快速二极管主要应用于高频整流电路、高频开关电源、高频阻容吸收电路、逆变电路等，其反向恢复时间可达10,ns。,快速二极管主要包括,快恢复二极管,和,肖特基二极管,。,四、,二极管的应用,1）、,快恢复二极管(,PIN,型二极管,),（简称,FRD,）,是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、,PWM,脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用,。,在制造上采用掺金、单纯的扩散等工艺，可获得较高的开关速度，同时也能得到较高的耐压。快恢复二极管的内部结构与普通,PN,结二极管不同，它属于,PIN,结型二极管，即在,P,型硅材料,与,N,型硅材料中间增加了基区,I,，,构成,PIN,硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的,反向恢复时间较短，正向压降高于普通二极管（12,V)，,反向击穿电压（耐压值）较高(多在1500,V,以下）,。目前快恢复二极管主要应用在开关电源中作整流元件，高频电路中的限幅、嵌位等。,CHARGER,电路中的,Snubber,，,主要作用是吸收变压器漏感产生的尖峰电压，箝位二极管应选择反向击穿电压高于开关管的漏源击穿电压且反向恢复时间尽可能短的超快恢复二极管 。如图，,D2,选用,UF4007(1A 1KV).,从,性能，可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向回复时间为数百纳秒或更长，后者则在100,ns,以下。,2）、,肖特基（,Schottky,）,二极管,由金属与半导体接触形成的势垒层为基础制成的二极管，是一种低功耗、超高速半导体器件，广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用肖特基二极管在结构原理上与,PN,结二极管有很大区别，它的内部是由阳极金属（用钼或铝等材料制成的阻挡层）、二氧化硅（,SiO,2,）,电场消除材料、,N,-,外延层（砷材料）、,N,型硅基片、,N,+,阴极层及阴极金属等构成。在,N,型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒。当在肖特基势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极,，,N,型基片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小；反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则变宽，其内阻变大。,肖特基二极管其主要特点是,正向导通压降小（约,0.45,V,），,反向恢复时间短和开关损耗小,，,存在的问题是,耐压比较低,，,反向漏电流比较大,。目前应用在功率变换电路中的肖特基二极管的大体水平是耐压在,150,V,以下，平均电流在,100,A,以下，反向恢复时间在,10,40,ns,。,肖特基二极管应用在高频低压电路中，是比较理想的。,整流二极管,利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。,广泛应用于处理频率不高的电路中,。,整流的方式也分为多种：主要有半波,、全波、桥式。,整流分为工频和高频整流，表现为频率的不同。,D1,为工频整流二极管,，,D2,为高频整流二极管,。,工频整流一般用在对市电进行整流，厂内,UPS,电路中,以,CHARGER,电路为例，输入一般为桥式整流，须考虑的主要参数有：,I,av,=,P,omax,/V,O,；,V,peak,= 2,U,in,;,-,V,RRM,MAX,repetitive reverse voltage,在选取整流二极管会加一定的裕量，以防出现特殊情况。,此外还必须考虑到厂内现有物料以及通用性。,厂内常用的工频整流桥有：2,W10G（2A 1KV）；GBU6M（6A 1KV）,高频整流管一般用于高频输出整流，须考虑的主要参数有：,I,av,=Po/Vo;,I,MAX,= 2P,O,/V,O,(1- D,MAX,)（,电流临界）;,V,rmax,= Vo+ N*,V,in,max,N,变压器匝比；,正向压降,V,F,二极管功率越大，,V,F,相对较小；,选用超快恢复二极管,。,负载功率大的，还须通过测量温升，再调整晶体管参数。,左图为,CHARGER,电路中输出部分，其中高频整流管为,D3,，,所用晶体管为,ER8020(8A 200V),。,D4,，,D6,起反向隔离作用。,继流二极管,在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用,。,左图，通过,BST.DRV,来驱动,RELAY,，,电流的跳变时，使,RELAY,中线圈产生反向感应电动势，通过二极管,IN4148(0.15A 75V),来继流，泄放能量，保护驱动管。也可不加二极管，但须保证驱动管耐压足够高，不被击穿。,限幅元件,正向压降基本保持不变（硅管为0.7,V，,锗管为0.3,V）。,利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。用于电压波动较大的地方。,UPS,中电压波动较大的地方有市电侦测，电池电压侦测，温度侦测等，所以在送入单片机检测端时须限幅，厂内一般使用,IN4148( 0.15A 75V) 、,作为限幅元件。,发光二极管,厂内所使用的,LED,主要分绿色，红色，黄色，橙色的单色和双色发光二极管，其驱动电流，会影响发光强度，所以在选择限流电阻时须注意,LED,的,正向电压（,typ,.:2V),及正向电流约20,mA,。,同样结构也有多种，具体选用何种，须结合,PCB，,外壳的要求来选择。,稳压二极管,利用二极管反向击穿后的伏安特性十分陡峭，也就是说，二极管两端的电压随通过的电流变化而变化很小，通过电阻来限流，以至于二极管不被烧毁。稳压管的误差较大（5、10，也有2）。一般不用于精密稳压电路。,稳压管的主要参数有：,（1）稳压值,V,Z,。,指当流过稳压管的电流为某一规定值时，稳压管两端的压降。（2）电压温度系数,。稳压管的稳压值,V,Z,的温度系数在,V,Z,低于4,V,时为负温度系数值；当,V,Z,的值大于7,V,时，其温度系数为正值；而,V,Z,的值在6,V,左右时，其温度系数近似为零。目前低温度系数的稳压管是由两只稳压管反向串联而成，利用两只稳压管处于正反向工作状态时具有正、负不同的温度系数，可得到很好的温度补偿。（3）动态电阻,r,Z,。,表示稳压管稳压性能的优劣，一般工作电流越大，,r,Z,越小。（4）允许功耗,P,Z,。,由稳压管允许达到的温升决定，小功率稳压管的,P,Z,值为1001000,mW,大功率的可达50,W。（5）,稳定电流,I,Z,。,测试稳压管参数时所加的电流。实际流过稳压管的电流低于,I,Z,时仍能稳压，但,r,Z,较大。,特性,适用范围,超快速二极管,反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高,主要应用在开关电源中作高频整流、续流元件，高频电路中的限幅、嵌位等,萧特基二极管,耐压比较低，反向漏电流比较大，反向恢复时间较短,，,开关损耗小,主要应用在高频低压电路中,整流二极管,允许通过的电流比较大，反向击穿电压比较高，但,PN,结电容比较大,广泛应用于处理频率不高的电路中,稳压二极管,既具有普通二极管的单向导电特性，又可工作于反向击穿状态,。,缺点是存在噪声,在要求精度不高、电流变化范围不大的情况下,，起稳压作用,发光二极管,工作电压低，工作电流小，发光均匀、寿命长,。,主要用于状态指示,五、二极管使用注意事项,在了解二极管的特性与应用后，在设计电路过程中，根据二极管在电路中的功用选取合适的元件，需注意：,选择合适的参数,选择常用的二极管,价格的考量,三极管的特性与应用,晶体三极管又称双极器件（,Bipolar Junction Transistor,用,BJT,表示），它的基本组成部分是两个靠得很近且背对背排列的,PN,结。根据排列的方式不同，晶体三极管分为,NPN,和,PNP,两种类型。,晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，但它们的主要特性却截然不同。晶体二极管的主要特性是单向导电性，而晶体三极管的主要特性则与其工作模式有关。,一、三极管的三种工作模式,放大模式,三极管工作在放大模式的条件：发射结加正偏、集电结加反偏,。,呈现的主要特性时正向受控作用,，,饱和模式,三极管工作在饱和模式的条件：发射结、集电结均加正偏,。,截止模式,三极管工作在截止模式的条件：发射结、集电结均加反偏,。,饱和与截止模式呈现受控开关特性，是实现开关电路的基础,二、晶体三极管的开关特性,BE,结在由正向电压转为反向时，内建电场建立的时间与电流,如图（,a）,所示，当基极回路输入一幅值为,U,P,（U,P,U,BB,）,的正脉冲信号，基极电流立即上升,I,B,=(U,P,-U,BB,-U,BE,)/R,B,在,I,B,的作用下，发射结逐渐由反偏变为正偏,，,BJT,由截止状态变为导通状态，集电结为零偏甚至正偏，集电极于发射极之间压降,U,CE,0,BJT,工作在饱和状态，,BJT,相当于闭合开关。,如图（,b）,当基极输入脉冲为负或零时，,BJT,的发射结和集电结都处于反偏，集电极电流逐渐下降到,I,C,=I,CEO,0,因此负载电阻,RL,上的压降可以忽略不计，集电极与发射极之间的压,降,U,CE,U,CC,即,BJT,工作在截止状态,BJT,相当于一断开的开关。,晶体管开关损耗 ,P ,ic,*,uc,图可明显看出晶体管开关损耗取决与开通时间,ton,和关断时间,toff,。ton,和,toff,越小，即开关波形越趋于方波，开关损耗越小，温度越低。,三、晶体三极管的参数,共发射极电流增益,，,反映了三极管的放大能力。,集电极最大工作电流,I,C,集电极最大直流峰值电流,I,CM,，,由集电极允许承受的最大电流决定。,集电极允许最高电压,U,CEO,随着,V,CE,的增大，加在集电结的反偏电压,V,CB,相应增大。当,V,CE,增大到一定值时，集电结发生反向击穿，造成电流,I,C,剧增。产生反向击穿的主要时雪崩击穿。,集电极最大允许耗散功率,P,CM,在晶体三极管中。两个结上的消耗的功率分别等于通过结的电流与加在结上的电压的相乘积。由于,V,CE,中绝大部分降在集电结上，因此，加到集射极间的功率,P,C,=V,CE*,I,C,主要消耗在集电结上，这个功率降导致集电结发热而使其结温度升高。为保证管子安全工作，,PC,必须小于或等于,P,CM,。,饱和导通时集电极发射极电压,V,CE(SAT).,由于存在着体电阻合引线电阻，电流越大，其产生的压降就越大，晶体管开始饱和的,V,CE,也就越大。因此，大功率管开始饱和的,V,CE,大于小功率管。,四、晶体三极管的应用,功率三极管,一般功率晶体管是指壳温25时功耗大于1,W,的晶体管。,功率开关管在开关电路的运用，以,FLYBACK,电路为例，,功率三极管最主要的几个参数：,Iav,=,变压器一次侧,Iav,，,I,PEAK,=,变压器一次侧,Ipeak,V,MAX,= V,IN,+ N*(V,OUT,+V,F,),开关速度 (一般15微秒）,参考以上参数加上一定得裕量，经过测试，调整参数,功率晶体管的驱动电路,由于三极管反向回复时间,较长，若加一反电压，可,加速晶体管的截止。左图,C2,在3843输出为低时，,C2,放电，提供晶体管的反向,电压。,驱动管,三极管常用作,MOSFET,等功率元件的驱动电路。,Q23,为,MOSFET,的驱动管,，目的是减小,MOSFET,的关断时间。,一般开关管,三极管在电路中作信号开关管,，一般来说，信号控制电压电流都较小，所以对三极管的选取也没那么严格，往往会考虑到电路的通用性。,左上图,Q41,作为开关管来控制关断,3843 。,五、晶体三极管使用注意事项,选择合适参数的晶体管（如功率大小，导通压降，工作频率，耐冲击能力，价格等等）。,晶体三极管是电流驱动，输入阻抗小，要求较大的基极电流，因此功率三极管的驱动电路较复杂。,三极管不能直接并联。,主要是因为三极管是电流驱动，在三极管并联时，基极电流的不平衡，会影响三极管导通和关断时间，假如瞬间一个管子导通，另一没有导通，那么导通管就须承受2倍假定通过的电流，这样可能就因超过晶体管的额定电流而击穿三极管。,