《新能源汽車電力電子技術(shù)》課件-任務(wù)1 電子元器件

項(xiàng)目三電子基礎(chǔ)PART031.了解PN結(jié)、二極管、晶體管的定義。2.掌握PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、符號(hào)。3.掌握二極管、晶體管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)。4.理解二極管、晶體管的工作特性。5.了解二極管、晶體管的應(yīng)用電路。任務(wù)目標(biāo)一、PN結(jié)（一）半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.物質(zhì)導(dǎo)電性在自然界的各種物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電能力的差別，可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三大類。通常將電阻率小于10-4Ω·cm的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，例如銅、銀和鋁等金屬材料都是良好的導(dǎo)體。電阻率大于109Ω·cm的物質(zhì)稱為絕緣體，例如塑膠、塑料等。導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一大類物質(zhì)統(tǒng)稱為半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體有硅（Si）、鍺（Ge）和大多數(shù)金屬氧化物等。任務(wù)1電子元器件2.本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體叫作本征半導(dǎo)體。鍺和硅是兩種常用的半導(dǎo)體材料，它們最外層都有四個(gè)價(jià)電子，稱為四價(jià)元素，它們的原子結(jié)構(gòu)如圖所示。任務(wù)1電子元器件3.雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）N型半導(dǎo)體。在四價(jià)元素硅和鍺中摻入微量磷，磷原子最外層有五個(gè)價(jià)電子，即五價(jià)元素。當(dāng)硅晶體中某些位置上的硅原子被磷原子代替后，只需要四個(gè)價(jià)電子參與共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，多余的一個(gè)價(jià)電子很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。任務(wù)1電子元器件（2）P型半導(dǎo)體。在四價(jià)元素硅和鍺中摻入微量磷，磷原子最外層有五個(gè)價(jià)電子，即五價(jià)元素。當(dāng)硅晶體中某些位置上的硅原子被磷原子代替后，只需要四個(gè)價(jià)電子參與共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，多余的一個(gè)價(jià)電子很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。任務(wù)1電子元器件（二）PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成在一整塊單晶體中，采取一定的工藝措施，使其兩邊摻入不同的雜質(zhì)，一邊形成P區(qū)，另一邊形成N區(qū)。在交接面必然要發(fā)生于載流子濃度不均勻而引起的電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，即P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果是，在交接面附近的P區(qū)留下一些帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，而N區(qū)則留下一些帶正電的雜質(zhì)離子。因此在交接面形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，也就是PN結(jié)。任務(wù)1電子元器件任務(wù)1電子元器件2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽赑N結(jié)上加正向電壓，也稱為正向偏置，即P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極。此時(shí)，由于外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)反向，PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，使空間電荷區(qū)的寬度變窄，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，并從電源中不斷得到補(bǔ)充，形成較大的擴(kuò)散電流——正向電流。此時(shí)PN結(jié)處于低阻狀態(tài)，稱為正向?qū)顟B(tài)。任務(wù)1電子元器件在PN結(jié)上加反向電壓，也稱為反向偏置，即N區(qū)接電源正極，P區(qū)接電源負(fù)極。此時(shí)，由于外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)同向，PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡也被破壞，使空間電荷區(qū)的寬度變寬，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)無法進(jìn)行，而少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)得以加強(qiáng)，形成較小的漂移電流——反向電流。此時(shí)PN結(jié)處于高阻狀態(tài)，稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。任務(wù)1電子元器件二、二極管（一）二極管1.二極管的結(jié)構(gòu)二極管的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，它實(shí)際上是將一個(gè)PN結(jié)封裝在管殼內(nèi)，并從兩端各引出一個(gè)電極而構(gòu)成的，即二極管是由一個(gè)PN結(jié)、管殼和兩個(gè)引出電極組成，二極管的P區(qū)引出端為正極，N區(qū)引出端為負(fù)極，文字符號(hào)常用VD表示，箭頭指向表示PN結(jié)正向電流的方向。任務(wù)1電子元器件2.二極管的類型（1）按半導(dǎo)體材料分：有硅二極管、鍺二極管等。（2）按PN結(jié)結(jié)構(gòu)分：有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型二極管。（3）按用途分：有整流二極管、檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、變?nèi)荻O管等。任務(wù)1電子元器件3.二極管的伏安特性所謂晶體二極管的伏安特性是指加在二極管兩端的電壓U與流過二極管的電流I之間的關(guān)系。二極管具有正向?qū)ㄐ?、反向截止特性、反向擊穿特性。任?wù)1電子元器件4.二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IF

。（2）最高反向工作電壓UDRM

。（3）反向擊穿電壓UB

。（4）反向電流IR

。任務(wù)1電子元器件5.二極管的簡(jiǎn)單判別（1）好壞的判別。用萬(wàn)用表測(cè)量小功率二極管時(shí)，需把萬(wàn)用表的旋鈕撥到歐姆R×100或R×1k擋，然后用兩根表筆測(cè)量二極管的正反向電阻值。二極管的正反向電阻相差越大，就表明二極管的單向?qū)щ娞匦栽胶?。任?wù)1電子元器件（2）極性的判別。在已確定二極管正常后，若使用指針式萬(wàn)用表測(cè)量二極管正、反向電阻值，當(dāng)測(cè)得的電阻值較小時(shí)，與紅表筆相連的那個(gè)電極就是二極管的負(fù)極，與黑表筆相接的那個(gè)電極為二極管的正極。反之，當(dāng)測(cè)得的電阻值較大時(shí)，與紅表筆相接的那個(gè)電極就是二極管的正極，與黑表筆相接的那個(gè)電極為二極管的負(fù)極。任務(wù)1電子元器件（二）特殊二極管1.光敏二極管光敏二極管也叫光電二極管，是一種能夠?qū)⒐飧鶕?jù)使用方式，轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)的光探測(cè)器。光敏二極管有光譜特性、伏安特性、光照特性、溫度特性、頻率響應(yīng)特性。任務(wù)1電子元器件2.發(fā)光二極管發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱LED）是一種光發(fā)射元件，由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。任務(wù)1電子元器件3.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制造的硅材料二極管，利用PN結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。任務(wù)1電子元器件（三）二極管的應(yīng)用電路1.組成任務(wù)1電子元器件2.工作原理當(dāng)u2為正半周時(shí)，V1和V3正向?qū)?，V2和V4反向截止；當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，V1和V3反向截止，V2和V4正向?qū)?。而流過負(fù)載的電流方向始終一致，其波形如圖所示。由此可見，橋式整流電路中V1、V3和V2、V4輪流導(dǎo)通，流過負(fù)載的是兩個(gè)半波電流，而電路方向相同，故稱為全波整流。任務(wù)1電子元器件3.二極管在橋式整流電路中的應(yīng)用特點(diǎn)任務(wù)1電子元器件三、晶體管（一）晶體管概述1.晶體管的結(jié)構(gòu)根據(jù)PN結(jié)的排列順序的不同，晶體管分為PNP型和NPN型兩類，如果兩個(gè)P區(qū)中間夾著N區(qū)，就稱為PNP型晶體管；如果兩個(gè)N區(qū)中間夾著P區(qū)，就稱為NPN型晶體管。任務(wù)1電子元器件2.晶體管的類型（1）按材質(zhì)分：硅管、鍺管。（2）按結(jié)構(gòu)分：NPN、PNP。（3）按功能分：開關(guān)管、功率管、達(dá)林頓管、光敏管。（4）按功率分：小功率管、中功率管、大功率管。（5）按工作頻率分：低頻管、高頻管、超頻管。（6）按結(jié)構(gòu)工藝分：合金管、平面管。（7）按安裝方式：插件晶體管、貼片晶體管。任務(wù)1電子元器件3.晶體管的電流放大作用（1）晶體管放大條件。晶體管的電流放大作用是指當(dāng)晶體管處于放大狀態(tài)時(shí)，可以用比較小的基極電流去控制集電極上的大電流的特殊效應(yīng)，與晶體管內(nèi)部PN結(jié)的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。任務(wù)1電子元器件①為了便于發(fā)射結(jié)發(fā)射電子，發(fā)射區(qū)半導(dǎo)體的摻雜濃度遠(yuǎn)高于基區(qū)半導(dǎo)體的摻雜濃度，且發(fā)射結(jié)的面積較小。②發(fā)射區(qū)和集電區(qū)雖為同一性質(zhì)的摻雜半導(dǎo)體，但發(fā)射區(qū)的摻雜濃度要高于集電區(qū)的摻雜濃度，且集電結(jié)的面積要比發(fā)射結(jié)的面積大，便于收集電子。③連接發(fā)射結(jié)和集電結(jié)兩個(gè)PN結(jié)的基區(qū)非常薄，且摻雜濃度也很低。任務(wù)1電子元器件（2）晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)情況及電流放大作用。E的載流子主要是電子，電流的方向與電子流的方向相反。B不斷地向基區(qū)提供空穴，形成基極電流IB。由于基區(qū)摻雜的濃度很低，且很薄，在基區(qū)與空穴復(fù)合的電子很少，所以，基極電流IB也很小。擴(kuò)散到基區(qū)的電子除了被基區(qū)復(fù)合掉的一小部分外，大量的電子將在慣性的作用下繼續(xù)向集電結(jié)擴(kuò)散。C吸收，形成集電極電流IC。①晶體管內(nèi)電流分配關(guān)系。根據(jù)基爾霍夫定律，有：IE=IB+IC

一般IB比IC小得多，因此又有：IE

≈

IC②晶體管的電流放大作用。任務(wù)1電子元器件4.晶體管的偏置電路晶體管構(gòu)成的放大器要做到不失真地將信號(hào)電壓放大，就必須保證晶體管的發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏。即應(yīng)該設(shè)置它的工作點(diǎn)。所謂工作點(diǎn)就是通過外部電路的設(shè)置使晶體管的基極、發(fā)射極和集電極處于所要求的電位(可根據(jù)計(jì)算獲得)。這些外部電路就稱為偏置電路。任務(wù)1電子元器件5.晶體管的工作狀態(tài)（1）放大狀態(tài)。（2）截止?fàn)顟B(tài)。（3）飽和狀態(tài)。任務(wù)1電子元器件（二）晶體管的特性曲線（1）輸入特性曲線。輸入特性曲線是指集電極和發(fā)射極間的電壓UCE為常數(shù)時(shí)，輸入回路中基極電流IB與加在基電極和發(fā)射極間的電壓UBE之間的關(guān)系曲線，如圖所示，即任務(wù)1電子元器件（2）輸出特性曲線。輸出特性曲線是指基極電流IB為常數(shù)時(shí)，輸出電路中集電極電流IC與集電板—發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系曲線，即任務(wù)1電子元器件（三）晶體管的主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)（1）共發(fā)射極電流放大系數(shù)β。在共發(fā)射極電路中，在一定的集電極電壓UCE

下，集電極電流變化量ΔIc

與基極電流變化量ΔIB

的比值稱為電流放大系數(shù)

β，即任務(wù)1電子元器件（2）共基極電流放大系數(shù)α。在共基極電路中，在一定的集電極與基極電壓UCB

下，集電極電流的變化量ΔIc與發(fā)射極電流變化量ΔIE

的比值稱為電流放大系數(shù)α，即任務(wù)1電子元器件2.頻率特性參數(shù)（1）共基極截止頻率fα

。（2）共發(fā)射極截止頻率fβ

。（3）特征頻率fT

。（4）最高振蕩頻率fM

。任務(wù)1電子元器件3.極間反向飽和電流ICBO和ICEO（1）集電結(jié)反向飽和電流ICBO是指發(fā)射極開路，集電結(jié)加反向電壓時(shí)測(cè)得的集電極電流。常溫下，硅管的ICBO在nA（10-9A）的量級(jí)，通?？珊雎?。（2）集電極-發(fā)射極反向電流ICEO是指基極開路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的反向電流，即穿透電流，穿透電流的大小受溫度的影響較大，穿透電流小的管子熱穩(wěn)定性好。任務(wù)1電子元器件4.極限參數(shù)（1）集電極最大允許電流ICM

。晶體管的集電極電流IC在相當(dāng)大的范圍內(nèi)β

值基本保持不變，但當(dāng)IC

的數(shù)值大到一定程度時(shí)，電流放大系數(shù)β

值將下降。使β

明顯減小的IC即為ICM。任務(wù)1電子元器件（2）集電極最大允許功耗PCM

。晶體管工作時(shí)、集電極電流在集電結(jié)上將產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生熱量所消耗的功率就是集電極的功耗PCM，即：PCM=ICUCE（3）反向擊穿電壓UBR(CEO)。反向擊穿電壓UBR(CEO)是指基極開路時(shí)，加在集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓。任務(wù)1電子元器件（4）溫度對(duì)晶體管參數(shù)的影響。①對(duì)

β

的影響晶體管的

β

隨溫度的升高將增大，溫度每上升1℃，β

值約增大0.5%～1％。②對(duì)反