晶體管的特性與應(yīng)用ppt課件.pptVIP

二極管的特性與應(yīng)用 二極管是由一個由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的P N結(jié) 正是由于P N結(jié)兩邊載流子濃度的不同 使得二極管呈現(xiàn)出它特有的單向?qū)щ娞匦?利用二極管的單向?qū)щ娞匦?在電路中的用途十分廣泛 1 一 二極管的導(dǎo)電特性 正向特性當(dāng)所加的正向電壓達(dá)到某一數(shù)值 稱為 門檻電壓 鍺管約為0 2V 硅管約為0 6V 后 二極管才能真正導(dǎo)通 導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變 鍺管約為0 3V 硅管約為0 7V 稱為二極管的 正向壓降 反向特性二極管兩端加反向電壓時 二極管處于截止?fàn)顟B(tài) 但仍然會有微弱的反向電流流過二極管 稱為漏電流 反向電壓增大到某一數(shù)值 反向電流會急劇增大 二極管將失去單方向?qū)щ娞匦?這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿 2 二 二極管的分類 按半導(dǎo)體材料可分為鍺二極管 Ge管 和硅二極管 Si管 根據(jù)其不同用途又可分為 普通二極管和特殊二極管 普通二極管包括快速二極管 整流二極管 穩(wěn)壓二極管 檢波二極管等 特殊二極管包括變?nèi)荻O管 發(fā)光二極管 隧道二極管 觸發(fā)二極管等 按照管芯結(jié)構(gòu) 又可分為點(diǎn)接觸型二極管 面接觸型二極管及平面型二極管 3 三 二極管的主要參數(shù) 正向電壓降VF導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變 鍺管約為0 3V 硅管約為0 7V 正向工作電流Iav 平均電流 是指二極管長期連續(xù)工作時允許通過的最大正向電流值 因?yàn)殡娏魍ㄟ^管子時會使管芯發(fā)熱 溫度上升 溫度超過容許限度 硅管為140左右 鍺管為90左右 時 就會使管芯過熱而損壞 所以 二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值 最大浪涌電流IFSM允許流過的過量的正向電流 它不是正常電流 而是瞬間電流 這個值相當(dāng)大 4 反向峰值電壓 VRRM 最大周期性反向電壓 二極管正向工作時所能承受的周期浪涌電流的最大值 反向飽和漏電流IR指二極管在規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下 流過二極管的反向電流 反向電流越小 管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶?但反向電流受溫度的影響較大 一般硅管比鍺管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性 開關(guān)速度Trr和最高工作頻率fm當(dāng)工作電壓從正向電壓變成反向電壓時 二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止 實(shí)際上 一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時間 決定電流截止延時的量 就是反向恢復(fù)時間 開關(guān)速度和最高工作頻率取決于二極管的反向恢復(fù)時間 一般高頻開關(guān)管的反向回復(fù)時間為幾十nS 甚至幾個nS 5 6 快速二極管快速二極管的工作原理與普通二極管是相同的 普通二極管工作在開關(guān)狀態(tài)下的反向恢復(fù)時間較長 約5us以上 不能適應(yīng)高頻開關(guān)電路的要求 快速二極管主要應(yīng)用于高頻整流電路 高頻開關(guān)電源 高頻阻容吸收電路 逆變電路等 其反向恢復(fù)時間可達(dá)10ns 快速二極管主要包括快恢復(fù)二極管和肖特基二極管 四 二極管的應(yīng)用 7 1 快恢復(fù)二極管 PIN型二極管 簡稱FRD 是一種具有開關(guān)特性好 反向恢復(fù)時間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管 主要應(yīng)用于開關(guān)電源 PWM脈寬調(diào)制器 變頻器等電子電路中 作為高頻整流二極管 續(xù)流二極管或阻尼二極管使用 在制造上采用摻金 單純的擴(kuò)散等工藝 可獲得較高的開關(guān)速度 同時也能得到較高的耐壓 快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同 它屬于PIN結(jié)型二極管 即在P型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I 構(gòu)成PIN硅片 因基區(qū)很薄 反向恢復(fù)電荷很小 所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間較短 正向壓降高于普通二極管 1 2V 反向擊穿電壓 耐壓值 較高 多在1500V以下 目前快恢復(fù)二極管主要應(yīng)用在開關(guān)電源中作整流元件 高頻電路中的限幅 嵌位等 8 CHARGER電路中的Snubber 主要作用是吸收變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓 箝位二極管應(yīng)選擇反向擊穿電壓高于開關(guān)管的漏源擊穿電壓且反向恢復(fù)時間盡可能短的超快恢復(fù)二極管 如圖 D2選用UF4007 1A1KV 從性能 可分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個等級 前者反向回復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長 后者則在100ns以下 9 2 肖特基 Schottky 二極管由金屬與半導(dǎo)體接觸形成的勢壘層為基礎(chǔ)制成的二極管 是一種低功耗 超高速半導(dǎo)體器件 廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源 變頻器 驅(qū)動器等電路 作高頻 低壓 大電流整流二極管 續(xù)流二極管 保護(hù)二極管使用肖特基二極管在結(jié)構(gòu)原理上與PN結(jié)二極管有很大區(qū)別 它的內(nèi)部是由陽極金屬 用鉬或鋁等材料制成的阻擋層 二氧化硅 SiO2 電場消除材料 N 外延層 砷材料 N型硅基片 N 陰極層及陰極金屬等構(gòu)成 在N型基片和陽極金屬之間形成肖特基勢壘 當(dāng)在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓 陽極金屬接電源正極 N型基片接電源負(fù)極 時 肖特基勢壘層變窄 其內(nèi)阻變小 反之 若在肖特基勢壘兩端加上反向偏壓時 肖特基勢壘層則變寬 其內(nèi)阻變大 10 肖特基二極管其主要特點(diǎn)是正向?qū)▔航敌?約0 45V 反向恢復(fù)時間短和開關(guān)損耗小 存在的問題是耐壓比較低 反向漏電流比較大 目前應(yīng)用在功率變換電路中的肖特基二極管的大體水平是耐壓在150V以下 平均電流在100A以下 反向恢復(fù)時間在10 40ns 肖特基二極管應(yīng)用在高頻低壓電路中 是比較理想的 11 整流二極管利用二極管單向?qū)щ娦?可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動直流電 廣泛應(yīng)用于處理頻率不高的電路中 整流的方式也分為多種 主要有半波 全波 橋式 整流分為工頻和高頻整流 表現(xiàn)為頻率的不同 D1為工頻整流二極管 D2為高頻整流二極管 12 工頻整流一般用在對市電進(jìn)行整流 廠內(nèi)UPS電路中以CHARGER電路為例 輸入一般為橋式整流 須考慮的主要參數(shù)有 Iav Pomax VO Vpeak 2Uin VRRMMAXrepetitivereversevoltage在選取整流二極管會加一定的裕量 以防出現(xiàn)特殊情況 此外還必須考慮到廠內(nèi)現(xiàn)有物料以及通用性 廠內(nèi)常用的工頻整流橋有 2W10G 2A1KV GBU6M 6A1KV 13 高頻整流管一般用于高頻輸出整流 須考慮的主要參數(shù)有 Iav Po Vo IMAX 2PO VO 1 DMAX 電流臨界 Vrmax Vo N VinmaxN 變壓器匝比 正向壓降VF 二極管功率越大 VF相對較小 選用超快恢復(fù)二極管 負(fù)載功率大的 還須通過測量溫升 再調(diào)整晶體管參數(shù) 14 左圖為CHARGER電路中輸出部分 其中高頻整流管為D3 所用晶體管為ER8020 8A200V D4 D6起反向隔離作用 15 繼流二極管在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負(fù)載中起繼流作用 左圖 通過BST DRV來驅(qū)動RELAY 電流的跳變時 使RELAY中線圈產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢 通過二極管IN4148 0 15A75V 來繼流 泄放能量 保護(hù)驅(qū)動管 也可不加二極管 但須保證驅(qū)動管耐壓足夠高 不被擊穿 16 限幅元件正向壓降基本保持不變 硅管為0 7V 鍺管為0 3V 利用這一特性 在電路中作為限幅元件 可以把信號幅度限制在一定范圍內(nèi) 用于電壓波動較大的地方 UPS中電壓波動較大的地方有市電偵測 電池電壓偵測 溫度偵測等 所以在送入單片機(jī)檢測端時須限幅 廠內(nèi)一般使用IN4148 0 15A75V 作為限幅元件 17 發(fā)光二極管廠內(nèi)所使用的LED主要分綠色 紅色 黃色 橙色的單色和雙色發(fā)光二極管 其驅(qū)動電流 會影響發(fā)光強(qiáng)度 所以在選擇限流電阻時須注意LED的正向電壓 typ 2V 及正向電流約20mA 同樣結(jié)構(gòu)也有多種 具體選用何種 須結(jié)合PCB 外殼的要求來選擇 18 穩(wěn)壓二極管利用二極管反向擊穿后的伏安特性十分陡峭 也就是說 二極管兩端的電壓隨通過的電流變化而變化很小 通過電阻來限流 以至于二極管不被燒毀 穩(wěn)壓管的誤差較大 5 10 也有2 一般不用于精密穩(wěn)壓電路 19 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有 1 穩(wěn)壓值VZ 指當(dāng)流過穩(wěn)壓管的電流為某一規(guī)定值時 穩(wěn)壓管兩端的壓降 2 電壓溫度系數(shù) 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值VZ的溫度系數(shù)在VZ低于4V時為負(fù)溫度系數(shù)值 當(dāng)VZ的值大于7V時 其溫度系數(shù)為正值 而VZ的值在6V左右時 其溫度系數(shù)近似為零 目前低溫度系數(shù)的穩(wěn)壓管是由兩只穩(wěn)壓管反向串聯(lián)而成 利用兩只穩(wěn)壓管處于正反向工作狀態(tài)時具有正 負(fù)不同的溫度系數(shù) 可得到很好的溫度補(bǔ)償 3 動態(tài)電阻rZ 表示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣 一般工作電流越大 rZ越小 4 允許功耗PZ 由穩(wěn)壓管允許達(dá)到的溫升決定 小功率穩(wěn)壓管的PZ值為100 1000mW 大功率的可達(dá)50W 5 穩(wěn)定電流IZ 測試穩(wěn)壓管參數(shù)時所加的電流 實(shí)際流過穩(wěn)壓管的電流低于IZ時仍能穩(wěn)壓 但rZ較大 20 21 五 二極管使用注意事項(xiàng) 在了解二極管的特性與應(yīng)用后 在設(shè)計(jì)電路過程中 根據(jù)二極管在電路中的功用選取合適的元件 需注意 選擇合適的參數(shù)選擇常用的二極管價格的考量 22 三極管的特性與應(yīng)用 晶體三極管又稱雙極器件 BipolarJunctionTransistor 用BJT表示 它的基本組成部分是兩個靠得很近且背對背排列的PN結(jié) 根據(jù)排列的方式不同 晶體三極管分為NPN和PNP兩種類型 晶體三極管和晶體二極管一樣都是非線性器件 但它們的主要特性卻截然不同 晶體二極管的主要特性是單向?qū)щ娦?而晶體三極管的主要特性則與其工作模式有關(guān) 23 一 三極管的三種工作模式 放大模式三極管工作在放大模式的條件 發(fā)射結(jié)加正偏 集電結(jié)加反偏 呈現(xiàn)的主要特性時正向受控作用 飽和模式三極管工作在飽和模式的條件 發(fā)射結(jié) 集電結(jié)均加正偏 截止模式三極管工作在截止模式的條件 發(fā)射結(jié) 集電結(jié)均加反偏 飽和與截止模式呈現(xiàn)受控開關(guān)特性 是實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路的基礎(chǔ) 24 二 晶體三極管的開關(guān)特性 BE結(jié)在由正向電壓轉(zhuǎn)為反向時 內(nèi)建電場建立的時間與電流 25 如圖 a 所示 當(dāng)基極回路輸入一幅值為UP UP UBB 的正脈沖信號 基極電流立即上升IB UP UBB UBE RB 在IB的作用下 發(fā)射結(jié)逐漸由反偏變?yōu)檎?BJT由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài) 集電結(jié)為零偏甚至正偏 集電極于發(fā)射極之間壓降UCE 0 BJT工作在飽和狀態(tài) BJT相當(dāng)于閉合開關(guān) 如圖 b 當(dāng)基極輸入脈沖為負(fù)或零時 BJT的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反偏 集電極電流逐漸下降到IC ICEO 0 因此負(fù)載電阻RL上的壓降可以忽略不計(jì) 集電極與發(fā)射極之間的壓降UCE UCC 即BJT工作在截止?fàn)顟B(tài) BJT相當(dāng)于一斷開的開關(guān) 26 晶體管開關(guān)損耗 P ic uc圖可明顯看出晶體管開關(guān)損耗取決與開通時間ton和關(guān)斷時間toff ton和toff越小 即開關(guān)波形越趨于方波 開關(guān)損耗越小 溫度越低 27 三 晶體三極管的參數(shù) 共發(fā)射極電流增益 反映了三極管的放大能力 集電極最大工作電流IC集電極最大直流峰值電流ICM 由集電極允許承受的最大電流決定 集電極允許最高電壓UCEO隨著VCE的增大 加在集電結(jié)的反偏電壓VCB相應(yīng)增大 當(dāng)VCE增大到一定值時 集電結(jié)發(fā)生反向擊穿 造成電流IC劇增 產(chǎn)生反向擊穿的主要時雪崩擊穿 28 集電極最大允許耗散功率PCM在晶體三極管中 兩個結(jié)上的消耗的功率分別等于通過結(jié)的電流與加在結(jié)上的電壓的相乘積 由于VCE中絕大部分降在集電結(jié)上 因此 加到集 射極間的功率PC VCE IC主要消耗在集電結(jié)上 這個功率降導(dǎo)致集電結(jié)發(fā)熱而使其結(jié)溫度升高 為保證管子安全工作 PC必須小于或等于PCM 飽和導(dǎo)通時集電極 發(fā)射極電壓VCE SAT 由于存在著體電阻合引線電阻 電流越大 其產(chǎn)生的壓降就越大 晶體管開始飽和的VCE也就越大 因此 大功率管開始飽和的VCE大于小功率管 29 四 晶體三極管的應(yīng)用 功率三極管一般功率晶體管是指殼溫25 時功耗大于1W的晶體管 功率開關(guān)管在開關(guān)電路的運(yùn)用 以FLYBACK電路為例 功率三極管最主要的幾個參數(shù) Iav 變壓器一次側(cè)Iav IPEAK 變壓器一次側(cè)IpeakVMAX VIN N VOUT VF 開關(guān)速度 一般1 5微秒 參考以上參數(shù)加上一定得裕量 經(jīng)過測試 調(diào)整參數(shù) 30 功率晶體管的驅(qū)動電路由于三極管反向回復(fù)時間較長 若加一反電壓 可加速晶體管的截止 左圖C2在3843輸出為低時 C2放電 提供晶體管的反向電壓 31 驅(qū)動管三極管常用作MOSFET等功率元件的驅(qū)動電路 Q23為MOSFET的驅(qū)動管 目的是減小MOSFET的關(guān)斷時間 32 一般開關(guān)管 三極管在電路中作信號開關(guān)管 一般來說 信號控制電壓電流都較小 所以對三極管的選取也沒那么嚴(yán)格 往往會考慮到電路的通用性 左上圖Q