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电子元器件基础电子元器件基础

贵州电子信息职业技术学院贵州电子信息职业技术学院谢忠福谢忠福

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项目 7 半导体器件（建议学时： 10 学时）

本项目将主要介绍半导体器件中的二极管、三极管、场效应管、晶闸管和单结晶体管的结构、特性、参数和应用。通过各种半导体器件的识别和检测，掌握半导体器件在电子电路中的应用。能力目标•掌握半导体和 PN 结•了解二极管结构、分类、特性和参数•熟悉常用二极管的特性及应用•掌握二极管的检测•掌握晶体三极管的结构和分类•掌握晶体三极管的特性曲线•熟悉晶体三极管的主要参数及选用方法•掌握晶体三极管的检测•掌握场效应管的结构和工作原理•熟悉场效应管的参数和使用特点•掌握场效应管的检测•掌握单向、双向晶闸管的结构、特性和工作原理•了解单向、双向晶闸管的主要参数•掌握单向、双向晶闸管的检测•掌握单结晶体管的工作原理、特性曲线和参数•了解单结晶体管的应用

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任务 7-1 二极管任务描述 本任务主要学习半导体和 PN 结的结构和特性，二极管结构、分类、特性和参数，常用二极管的特性及应用，二极管的检测等内容。 7.1.1 半导体和 PN 结 1 ． PN 结 导电能力特别强的物质称为导体。导电能力非常差，几乎不导电的物质称为绝缘体。半导体就是导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，如硅、锗、砷、金属氧化物和硫化物等。主要特性： （ 1 ）热敏性：半导体的导电能力随着温度的升高而增加。 （ 2 ）光敏性：半导体的导电能力随着光照强度的加强而增加。 （ 3 ）杂敏性：半导体的导电能力因掺入适量杂质而有很大的变化。

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我们把完全纯净的、具有晶体结构的半导体称为本征半导体；用特殊工艺掺入适量的杂质后形成的半导体称为杂质半导体。半导体有两种载流子：自由电子和空穴。本征半导体中两种载流子浓度相同，杂质半导体中两种载流子浓度不同。杂质半导体中有 N 型和 P 型之分。在 N 型半导体中，自由电子是多子，空穴是少子；在 P 型半导体中，自由电子是少子，空穴是多子；本征半导体和杂质半导体都是电中性的。

2 ． PN 结 N 型半导体和 P 型半导体结合后，在它们的交界面附近形成一个很薄的空间电荷区，它就是 PN 结，其形成示意图如图 7.1.1 所示

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空穴 自由电子

内电场方向

空间电荷区

图 7.1.1 PN 结的形成

扩散运动与飘移运动平衡后形成 PN 结

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PN 结的基本特性是单向导电性。在图 7.1.2 中，将 PN 结的P 区接外加电源的正极， N 区接外加电源的负极，称正偏，此时 PN 结处于导电状态；将 PN 结的 P 区接外加电源的负极，N 区接外加电源的正极，称反偏，此时 PN 结处于截止状态；

内电场

外电场

N 区区P

I

RU

内电场

外电场

N区区P

I≈0

RU

（ a ） PN 结加正向电压 (b) PN 结加反向电压 图 7.1.2 PN 结的单向导电性

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7.1.2 二极管结构、分类、特性和参数 1 ．半导体二极管的结构 将一个 PN 结封装在密封的管壳之中并引出两个电极，就构成了晶体二极管。其中与 P 区相连的引线为正极，与 N 区相连的引线为负极。如图 7.1.3所示。

图 7.1.3

2 ．半导体二极管的分类、型号和命名 二极管按材料分有硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等；按结构不同分为点接触型和面接触型二极管，按工作原理分有隧道、雪崩、变容二极管等；按用途分有检波、整流、开关、稳压、发光二极管等。图 7.1.4 为点接触型二极管和面接触型二极管的结构示意图。二极管的型号和命名见附录一

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点接触型

正极

引线

触丝

N 型锗片

外壳

负极

引线

负极引线

面接触型

N型锗

结

正极引线铝合金

小球

底座

金 锑

合金

N型锗N型锗N 型硅

PN

图 7.1.4

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3 ．半导体二极管的特性 二极管两端电压和流过电流的关系称为伏安特性。图 7.1.5所示为伏安特性曲线，由曲线可知，当二极管两端加正向电压正偏时，二极管导通，管内有正向电流流过。二极管正向导通时，管子两端的正向压降称为正向压降，锗管为 0.1 ～ 0.3 伏，硅管为 0.6 ～ 0.8 伏；

uD

i

u

iD

正向电压

反向电压

反向击穿

0

当二极管两端加反向电压反偏时，二极管截止，管内几乎没有电流流过；当加在二极管两端的反向电压增加到某一数值（反向击穿电压）时，管内就会有急剧增大的反向电流，此时现象称为反向击穿。 图 7.1.5

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3 ．半导体二极管的参数 (1)最大整流电流 (2)最大反向电压 (3) 反向饱和电流 (4) 反向击穿电压 7.1.3 常用二极管 1 ．整流二极管 整流二极管 性能比较稳定， 但因结电容较大，不宜工

作在高频电路中，所以不能作为检波管使用。整流二极管是面接触型结构，多采用硅材料制成。整流二极管有金属封装和塑料封装两种。某整流二极管实物图如下。

某整流二极管图

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2 ．稳压二极管 稳压二极管也称齐纳二极管或反向击穿二极管，在电路中起稳压作用。它是利用二极管被反向击穿后，在一定反向电流范围内，反向电压不随反向电流变化这一特点进行稳压的。它的伏安特性曲线及电路符号如图 7.1.7 所示。

正向

反向

稳压管符号

0

Z

I

U

Z

U

I

图 7.1.7

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稳压二极管的正向特性与普通二极管相似，但反向特性不同。反向电压小于击穿电压时，反向电流很小，反向电压临近击穿电压时反向电流急剧增大，发生电击穿。此时即使电流再增大，管子两端的电压基本保持不变，从而起到稳压作用。但二极管击穿后的电流不能无限制增大，否则二极管将烧毁，所以稳压二极管使用时一定要串联一个限流电阻。某稳压二极管实物如下图。 稳压二极管的主要参数： （ 1 ）稳定电压 ：它是指稳压管在正常工作时，管子两端基本保持不变的反向电压值。 （ 2 ）稳定电流 和最大稳定电流： (3) 最大耗散功率 ：它是指稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗。其数值为。 (4) 动态电阻：

ZU

ZI ZmaxI

ZmP

Zm Z ZmaxP U I

Zr

某稳压二极管 实物图

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3 ．检波二极管 某检波二极管实物如右图。检波二极管的作用是把调制在高频电磁波上的低平信号检出来。检波原理如图 7.1.8 ，其工作原理是先用检波二极管取出正半周高频调制信号，再用电容滤除高频载波，得到有用的低频信号。 某检波二极

管实物图

图 7.1.8

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4 ．变容二极管 变容二极管是半导体 PN 结的结电容随外加反向电压变化而变化的原理制成的二极管。变容二极管的符号和结电容与电压关系曲线如图 7.1.9 所示。由图可见，反向电压越高，结电容越小，反向电压与结电容之间的关系是非线性的。某变容二极管实物如右图。 某变容二极管

实物图

图 7.1.9

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5 ．开关二极管 开关二极管是利用二极管单向导电性在电路中对电流进行控制的。它具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高等特点。图 7.1.10 为开关二极管的开关原理图。图中为彩色电视机的行脉冲信号，频率为 15625kHz 。这种方波加到 2CK11 型开关二极管后，二极管工作在开关状态，高电平时迅速导通，低电平时迅速截止，送出图示的脉冲波。某开关二极管实物如下图。

图 7.1.10

某开关二极管实物图

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6 ．阻尼二极管 阻尼二极管用于阻尼电路、整流电路中。它具有类似高频高压整流二极管的特性，反向恢复时间小，能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流，既能在高频下工作又具有较低的正向电压降。图 7.1.11 为彩电行输出电路原理图，图中 E 为电源，VD 为阻尼二极管。

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其工作过程为：在行管 VT断开时，电感 L上产生较大的上正下负感应电动势，该电感电动势对电容 C充电时，充电电流不经过二极管。充电结束后，电容 C对电感 L放电，阻尼二极管使电容 C上的电压被钳位在 0.6V ，阻止 LC 自由振荡的进行。这样就能提供给彩电行输出线圈所需的锯齿波电流。如果没有阻尼二极管， LC充放电回路一样，回路中就只能得到正弦波，而不是锯齿波。

图 7.1.11

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6 ．发光二极管 (LED) 发光二极管是一种能将电信号转变为光信号的二极管。当有正向电流流过时，发光二极管发出一定波长范围内的光，目前的发光管能发出从红外光到可见范围内的光。为保证发光二极管正向工作电流大小，使用时要给它串入适当阻值的限流保护电阻，其阻值大小为 (UCC-UF)/IF ，其中 UF 为正向管压降，一般为 2V 左右， IF 为正向工作电流，一般为 5至 15mA。电路符号如图 7.1.12 所示。某发光二极管实物如下图。

图 7.1.12 某发光二极管实物图

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7 ．双向二极管 双向二极管是双向触发二极管的简称。它是三层、对称性质的二端半导体器件，等效于基极开路，发射极与集电极对称的 NPN 晶体管，其正反伏安特性完全对称。其电路符号、结构及等效电路如图 7.1.13 所示，特性曲线如图 7.1.14 所示。当器件两端的电压 U小于正向转折电压 UB0 时，呈高阻状态，当 U> UB0 时进入负阻区。同样当 U超过反向转折电压 UBR 时，管子也能进入负阻区。

图 7.1.13图 7.1.14

某双向二极管实物图图

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7.1.4 二极管主要应用 1 ．整流 利用二极管的单向导电性将交流电变成直流电称为整流。整流电路有半波、全波、桥式等形式。图 7.1.15 为半波整流电路及波形。 分析：正半周内， U0≈U2 ，负半周内， U0=0。

01 2 LR+

VD

++

---uu u

2u

u0

0

0

t

t

(a) (b)

图 7.1.15

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2 ．箝位电路 箝位电路是利用二极管正向压降低的特性，使输出电位箝制在某一数值上保持不变的电路。如图 7.1.16 所示，设二极管为理想元件（忽略正向压降）。当输入 UA＝ UB＝ 3V时，二极管 VD1 ， VD2 正偏导通，输出被箝制在 UA 和 UB

上，即 UF＝ 3V ；当 UA＝ 0V ， UB＝ 3V ，则 VD1 导通，输出被箝制在 UF＝ UA＝ 0V ， VD2 反偏截止。

1

2

R

VD

+

VDA

B

F

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输入端 输出端

V

图 7.1.16

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3 ．限幅电路

限幅电路是限制输出信号幅度的电路。如图 7.1.17 所示，设二极管为理想元件。由图可知，由于二极管接有反向电压 U CC ，因此只有在 Ui 为正半周，且当 Ui＞ U CC 时， VD1 管才导通，其余时间均截止。 VD1 管导通时 U0＝ U CC ；截止时 U0＝ Ui 。同理，在 Ui 为负半周，且当 Ui＜ -U CC 时， VD2 管才导通，其余时间均截止。 VD2 管导通时 U0＝ -U CC ；截止时 U0＝ Ui 。

R+

1VD 2VD

-

u

(a)

0ui

+

-ucc ucc

0t

0t

u0

ui

ucc

ucc-

+

(b)图 7.1.17

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4 ．稳压电路 利用稳压管可以构成简单的稳压电路。图 7.1.18 是一种并联型稳压电路。工作原理如下：当电网电压增加而使输出电压 U0也随之升高， U0即为稳压管两端的反向电压。 U0微小的增量，会引起稳压电流 IZ 的急剧增加，从而使 I =IZ+IL 加大，则在 R上的压降 UR=IR也增大，则输出电压 U0=Ui-UR 降低，从而使输出电压保持不变。同样，当负载电阻减小而使输出电压 U0 降低时，通过限流电阻 R 和稳压管 VD 的调节作用亦可使输出电压保持不变。

+

-

R +

-

RL

IL

I

Z

iU U 0

IVD

图 7.1.18

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稳压管可以串联使用。两只稳压管的稳定电压分别为 8V 和7.5V ，正向压降均为 0.7V 。将它们按四种方式连接，相应可以得到四种稳压值，如图 7.1.19(a) 、 (b) 、 (c) 、 (d) 所示。

+

-

R+

-

8V

7.5V

+

-

R+

-

8V

0.7V

15.5V

(a) (b)

+

-

R+

-

0.7V

7.5V8.2V

+

-

R+

-

0.7V

0.7V

(c) (d)图 7.1.19

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7.1.5 二极管的检测 1 ．用指针式万用表测试二极管 （ 1 ）二极管的好坏和电极的判别 用万用表的 R×1K挡，将红、黑两表笔分别接触二极管的两个电极，测出其正、反向电阻值，一般二极管的正向电阻为几十欧到几千欧，反向电阻为几百千欧以上。正反向电阻差值越大越好，至少应相差百倍为宜。若正、反电阻接近，则管子性能差。用上述测法测的阻值较小的那次，黑表笔所接触的电极为二极管的正极，另一端为负极。这是因为在磁电式万用表的欧姆挡，黑表笔是表内电池的正端，红表笔是表内电池的负端。 由二极管的伏安特性可见，二极管是非线性元件。因此用不同量程的欧姆档测量时，测出的阻值是不同的。 （ 2 ）二极管类型的判别 经验证明，用 500 型万用表的 R×1K档测二极管的正向电阻时，硅管为 6 ～ 20KΩ ，锗管为 1 ～ 5KΩ 。用 2.5V或 10V电压档测二极管的正向导通电压时，一般锗管的正向电压为 0.1 ～ 0.3V ，硅管的正向电压为 0.5 ～ 0.7V 。

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（ 3 ）硅稳压管与普通硅二极管的判别首先利用万用表的低阻档分出管子的正、负极，然后测出其反向电阻值。若在 R×1Ω 、 R×10Ω 、 R×100Ω 、 R×1K档上测出的反向电阻均很大，而在 R×10K档上测出的反向电阻却很小，说明管子已被击穿，该管为稳压管。若在 R×10K档上测出的反向电阻仍很大，说明管子未被击穿，该管为普通二极管。此种方法只能对稳压值小于表内电池电压时才有效。

MΩ V

万用表

50V或250V档 红笔

黑笔VD+

-

（ 4 ）双向二极管的判别 先用万用表 R×10K档测量其正、反向电阻，由图7.1.14 可知，其正向转折电压 UBO 和反向转折电压UBR均大于 20V ，故正反向电阻均应为无穷大。

图 7.1.14

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再配合兆欧表（摇表）测量其转折电压对称性，由图 7.1.14 所示，由兆欧表提供击穿电压，由万用表读出一次值（ UB

O ），再对调双向二极管电极测一次值（ UBR ），则可看出 U

BO 和 UBR 的对称性。 UBO 和 UBR 的数值越接近，对称性越好。 2 ．用数字式万用表测试二极管 （ 1 ）极性的判别 将数字万用表置于二极管档，红表插入“ V·Ω”插孔。黑表笔插入“ COM”插孔 ,这时红表笔接表内电源正极，黑表笔接表内电源负极。将两只表笔分别接触二极管的两个电极，如果显示溢出符号“ 1” ，说明二极管处于截止状态；如果显示 1V以下，说明二极管处于正向导通状态，此时与红表笔相接的是管子的正极，与黑表笔相接的是管子的负极。

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（ 2 ）好坏的测量 量程开关和表笔插法同上，当红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极时，显示值在 1V以下；当黑表笔接二极管的正极，红表笔接二极管的负极时，显示溢出符号“ 1” ，表示被测二极管正常。若两次测量均显示溢出，则表示二极管内部断路。若两次测量均显示“ 000” ，则表示二极管已击穿短路。 （ 3 ）硅管与锗管的测量 量程开关和表笔插法同上，红表笔接被测二极管的正极，黑笔接负极，若显示电压在 0.5 ～ 0.7V ，说明被测管为硅管。若显示电压在 0.1 ～ 0.3 V ，说明被测管为锗管。用数字式万用表测二极管时，不宜用电阻档测量，因为数字式万用表电阻档所提供的测量电流太大，而二极管是非线性元件，其正、反向电阻与测试电流的大小有关，所以用数字式万用表测出来的电阻值与正常值相差极大。

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任务 7-2 晶体三极管任务描述 任务主要学习晶体三极管的结构和类型，晶体三极管的分类，晶体三极管的特性曲线， 晶体三极管的主要参数及选用方法，晶体三极管的检测， 达林顿三极管的结构等内容。 7.2.1 晶体三极管的结构和分类 1 ．晶体三极管的结构 晶体三极管有两个 PN 结组成，根据组合的方式不同，可分为 NPN 和 PNP 两种类型，其结构示意图和图形符号如图 7.2.1 所示。每种晶体三极管都由基区、发射区和集电区三个不同的导电区域构成，对应这三个区域可引出三个电极，分别称为基极 b 、发射极 e 和集电极 c 。基区和发射区之间的 PN 结称为发射结，基区和集电区之间的 PN 结称为集电结。

发射结 集电结

集电区发射区 基区

N NP c

e

b

c

e

c

N

N

P

图 7.2.1(a)NPN 型

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发射结 集电结

集电区发射区 基区

N P

b

P

e

b

c

e

b

c

N

P

P

图 7.2.1(b)PNP 型 2 ．晶体三极管的分类 按所用的半导体材料来分，可分为硅管和锗管两种；按三极管的导电极性来分，可分为 NPN 和 PNP 型两种；按三极管的工作频率来分，有低频管和高频管两种（工作频率大于 3MHz以上的为高频管）；按三极管的功率来分，有小功率管和大功率管两种。 晶体三极管的型号及命名见附录二。

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图 7.2.2(a) 为部分三极管实物图。常用三极管外形及封装形式如图 7.2.2(b) 所示，常见的三极管有金属封装的 B 型、 C型、 D 型、 E 型、 F 型、 G 型和塑料封装的 S 型系列。

图 7.2.2(a)部分三极管实物图

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图 7.2.2 (b) 常用晶体三极管外形及封装形式

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小功率晶体三极管一般用金属外壳封装，绝大多数晶体管外壳和电极绝缘。某些高频小功率晶体管外壳单独引出一根电极引线，安装在电路中时，要把该电极接地，这样金属管壳就起到屏蔽罩的作用，这类晶体管有四根电极引线容易辨认。大功率晶体管管壳较大，并做成扁平形状以利于和散热片连接，在管壳上有孔，以便用螺钉把管壳固定在散热片上。大功率晶体管和某些功率较大的小功率晶体管，为有利于散热，它们的管芯要接集电极，大功率晶体管更是以外壳作为集电极引线，因此在安装这些晶体管时，要注意管壳和其他元件之间的绝缘。

7.2.2 晶体三极管的特性曲线 晶体管的特性曲线是指晶体管各个电极之间电压与电流的关系曲线。

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下面就以 NPN 型三极管共发射极电路为例，讨论晶体管的输入曲线和输出曲线。共发射极电路是以发射极为输入和输出电路的公共电极。 PNP 型三极管共发射极电路如图 7.2.3(a) 所示。图 7.2.3(b) NPN 为型三极管共发射极电路。三极管除共发射极电路外还有共基极和共集电极两种电路形式。下表中给出了晶体管三种接法的主要特性。

图 7.2.3

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输入输出

共发射极电器 共基极电路 共集电极电路 (射极输出电路 )

电路原理图 (以 PNP 型管为例 )

电流放大倍数 大 ( 几十倍到几百倍 ) ＜ 1( 很接近于 1) 大 ( 几十倍到几百倍 )

电压放大倍数 很大 ( 几百倍到千倍 ) 较大 ( 几百倍 ) ＜ 1 ( 接近于 1)

功率放大倍数 很大 ( 几千倍 ) 较大 ( 几百倍 ) 小 ( 几十倍 )

输入阻抗 较小 (约数百欧姆 ) 小 (约几十欧姆 ) 大 (约几百千欧姆 )

输出阻抗 较大 (约几十千欧姆 ) 大 (约几百千欧姆 ) 小 (约几十欧姆 )

输入与输出电压相位 反 相 同 相 同 相

频率特性 较差 ( 高频下降 ) 较 好 好

电路工作稳定性 较 差 较 好 较 好

电路失真 较 大 较 小 较 小

电路应用范围 常用于电压、功率放大电路及开关电路等

常用于高频放大及振荡电路等 适用于阻抗变换电路等

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注： NPN 型三极管电路接法相同，电源电压极性相反。 1 ．晶体三极管的输入特性曲线。 输入特性曲线是指当集电极 - 发射极之间的电压 Uce 为常数（通常取 Uce≥1V ）时，基极电流 Ib 与基极 - 发射极之间的电压 Ube 之间的关系曲线，即 Uce≥1V 时晶体管的一条输入特性曲线，如图 7.2.4 所示

常数

ce)( beb U

UfI

ceb be( )

UI f U

常数

0.8 U be (V)

I b (μ A)

0.4

20

40

60

80

Uce≥ 1V i c (mA)

ce (V)U

=20μ A

I b

I b

I b

I b

I b

=40μ A

=60μ A

=80μ A

=0

3 6 9 12

2

4

6

放大区饱和区

截止区

图 7.2.4 图 7.2.5

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2 ．晶体三极管的输出特性曲线。 输出特性曲线。输出特性是指当基极电流 Ib 为常数时，集电极电流 Ic 与集 -射极电压 Uce 之间的关系曲线，即 其特性曲线如图 7.2.5 所示 通常输出特性曲线分为三个工作区：截止区、放大区和饱和区。 截止区 :Ib＝ 0 的曲线以下的区域称为截止区。此时发射结和集电结都处于反向偏置，即 Ube≤0 ， Ubc＜ 0 。 放大区。输出特性曲线的近于水平的部分是放大区。放大区域具有电流放大作用， Ic＝ βIb ， Ie＝ Ic＋ Ib＝ (1＋ β)Ib ，由于 Ic 与 Ib 成正比关系 ，所以放大区也称为线性区。晶体管在放大工作状态时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置 ,即 Ube＞ 0 ， Ubc＜ 0 。 饱和区。当 Uce≤Ube 时，发射结、集电结都处于正向偏置，即 Ube＞ 0 ， Ubc≥0 。

CC ce( )

II f U

常数

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7.2.3 晶体三极管的主要参数及选用方法 1 ．晶体三极管的主要参数。 （ 1 ）电流放大系数（简称放大倍数）。电流放大系数用来表示三极管的电流放大能力，有直流电流放大系数和交流放大系数之分。前者是指在直流状态下 Ic 和 Ib 之比，有时也称为静态电流放大系数。在共射状态下，常用 表示，在共基状态下，常用 表示；后者是指在交流状态下 ΔIc 和 ΔIb 之比，也称为动态电流放大系数，在共射状态下常用 β表示，在共基状态下，常用 α表示；低频 β 和 很接近，一般三极管的 β值在20 ～ 200 之间。常在晶体管外壳上标以不同颜色的色点，以表明 β值的范围，如表 7.2.2 所示。 表 7.2.2 β值与色标对应关系

__

__

__

色 标 棕 红 橙 黄 绿 蓝 紫 灰 白 黑 (或

无色 )

β5 ～15

15 ～25

25 ～40

40 ～55

55 ～80

80 ～120

120 ～180

180 ～270

270 ～400

400以上

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（ 2 ）极间反向电流。极间反向电流主要用来表示管子工作时的稳定情况。主要有两个：一个是集电结反向饱和电流 I

cbo ，是指发射极开路时，集电极与基极之间（即集电结）的反向饱和电流；另一个是穿透电流 Iceo, 是指基极开路时，集电极和发射极之间的反向电流。通常在室温下，小功率锗管的 Icbo约为几到几十微安，小功率硅管在 1uA以下， Icbo越小越好。硅管在温度稳定性方面优于锗管。 （ 3 ）集 -射极反向击穿电流 U （ BR ） ceo 。 （ 4 ）集电极最大允许电流 Icm 。 （ 5 ）集电极最大允许耗散功率 Pcm 。 （ 6 ）共发射极截止频率 fβ 。 （ 7 ）共基极截止频率 fα 。 （ 8 ）特征频率 f T 。 2 ．晶体三极管的选用方法。

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7.2.4 晶体三极管的检测 1 ．三极管管脚和管型的判别。 （ 1 ）判断基极和三极管的管型 三极管的结构可以看作是两个背靠背的 PN 结，如图 7.2.6 所示，按照判断二极管极性的方法，可以判断出其中一极为公共正极或公共负极，此极即为基极 b 。对 NPN 型管，基极是公共正极；对 PNP 型管，基极是公共负极；因此，判别出基极是公共正极还是公共负极，即可知道被测三极管是 NPN 型或 PNP型。

(a) NPN 型 (b) PNP 型 图 7.2.6 NPN 型和 PNP 型三极管的等效模型

41

具体方法如下： 将万用表拨到 R×1K或 R×100档，先假设某一管脚为基极 b ，将黑表笔与 b 相接，红表笔先后接到其余两个管脚上，如果两次测得的两个电阻都较小（或都较大），且交换红黑表笔后测的两电阻都较大（或都较小），则所假设的基极是正确的。如果两次测得的电阻值一大一小，则说明所作的假设错了。这是就需重新假定另一管脚为基极，再重复上述的测试过程。 当基极确定以后，若黑表笔接基极，红表笔分别接其它两极，测得的两个电阻值都较小，则此三极管的公共极是正极，故为 NPN 型管；反之，则为 PNP 型管。 （ 2 ）判断集电极 c 和发射极 e

42

若已知三极管为 NPN 型，则将黑表笔接到假定的 c 极，红表笔接到假定的 e 极，并用手捏住 b 、 c 两极（但不能使 b 、c直接接触）此时，手指相当于在 b 、 c 之间接入偏置电阻 R ，如图 7.2.7(a) 所示，读出 c 、 e 之间的电阻值；然后，将 c 、e 反过来假设再测一次，并与前一次假设测得的电阻值比较，电阻值较小的那一次，黑表笔接的是 c 极，红表笔接的是 e 极 .因为 c 、 e 之间的电阻值较小正说明通过万用表的电流较大，偏置正常，等效电路如图 7.2.6(b) 所示。

图 7.2.6

43

7.2.5 达林顿三极管 达林顿三极管是普通三极管的复合形式，组成结构如图 7.2.9(a) 、 (b) 所示，图 7.2.9(a) 是用 VT1 的 e 极与 VT2 的 b 极连接，用 VT1 的 c 极与 VT2 的 c 极连接，这样连接封装后仍是一个具有三极管特性的管子，称为复合三极管或达林顿管。达林顿三极管的三个电极仍称为发射极 e ，基极 b ，集电极c 。由两个 NPN 型三极管复合成的达林顿三极管仍是 NPN型。

e

b

c

e

c

b

（a）NPN型达林顿管

（b）PNP型达林顿管

I

b

c

I

eI

VT1VT2

图 7.2.9

44

达林顿管工作过程如下：当 VT1 有 b 极电流 Ib1输入时，将产生e 极电流约为 β1 Ib1 。从图中可看出， VT1 的 e 极电流完全输入到 VT2 的 b 极，也就是 Ib2＝ β1Ib1 ， β1Ib1再经 VT2放大 β2倍后， VT2 的e 极电流就为 β1β2Ib1 。由此可见，达林顿管能将 b 极输入的电流 Ib1

放大 β1β2倍。 达林顿三极管最突出的特点就是具有较大的放大倍数。

任务 7-3 场效应管任务描述 本任务主要学习结型场效应管的结构和工作原理，结型场效应管的特性曲线， N沟道增强型绝缘栅场效应管， N沟道耗尽型绝缘栅场效应管，绝缘栅型场效应管的特性曲线，场效应管的参数和使用特点，场效应管的检测等内容7.3 场效应管 场效应管是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的一种电压控制器件。它只依靠一种载流子导电，因此又有单极晶体管之称。它具有输入电阻高，热稳定性好，便于集成化等优点而得到广泛应用。场效应管的分类如图 7.3.1 所示。常见场效应管的外形如图 7.3.2 所示。

45

(FET)场效应管

绝缘栅型场效(MOSFET)应管

结型场效应管(JFET)

N (FET)沟道耗尽型

P (FET)沟道耗尽型

N MOS沟道

P MOS沟道

增强型耗尽型

增强型耗尽型

图 7.3.1 场效应管的分类

图 7.3.2常见场效应管的外形图

46

7.3.1 场效应管的结构和工作原理 1 ．结型场效应管 （ 1 ）结型场效应管的结构和工作原理 1) 结构 结型场效应管有 N沟道和 P沟道两种，它们的结构和电路符号如图 7.3.3(a)(b) 所示， N沟道结型场效应管结构是在一块 N 型半导体的两侧分别扩散两个 P 型区，形成两个 PN结。将两个 P 型区相连接后，引出一个电极，称为栅极 G ；从N 型半导体的上下端各引出一个电极，上端称为漏极 D ，下端称为源极 S ；

图 7.3.3

47

2) 工作原理 N沟道结型场效应管的工作原理如图 7.3.4所示，在漏极 D 和源极 S 之间加上电源 ED 后， N 型半导体中的多数载流子（电子）将在电压 UDS产生的电场作用下向漏极运动，形成漏电流 ID ，方向由 D 极流向 S 极，若在栅极 G 和源极 S 间接入负电压 EG, ，即在 PN 结上加上反向偏压 UGS ，则 PN 结的宽度将随着反向偏压 UGS 增大而增大，因而沟道将变窄，如图 7.3.4虚线所示，沟道电阻变大， D极和 S 极之间电流 ID 将减小；

N

PG

D

S

PGE

DE

DR

DI

反之，反向偏压 UGS减小， ID 将增大。可见其为电压控制型器件。结型场效应管的输入电阻实质上是 PN 结的反向电阻，一般可达 。

6 810 ~ 10

图 7.3.4

48

（ 2 ）结型场效应管的特性曲线 1 ）转移特性曲线 转移特性曲线是在一定的漏源电压 UDS下，栅源电压 U

GS 与漏源电流 ID 之间的关系曲线，如图 7.3.5 所示，图中 U

GS=0 时的漏源电流称为饱和电流 IDSS 。使 ID 接近于零的栅极电压称为夹断电压 UP 。

可变电阻区(mA)

UGS(V)UP

U

0 0 (V)UDS

I D

DS=10VUGS=0V

UGS=-1V

UGS=-2V

饱和区 击穿区I D

I DSS

图 7..3.5 N沟道结型转移特性 图 7..3. 6 N沟道结型输出特性

49

2 ）输出特性曲线 输出特性曲线又称漏极特性曲线，它是在 UGS 一定时， ID

与 UDS 之间的关系曲线，如图 7.3.6 所示。它分为三个区域： ①可变电阻区， 指 UDS＜ㄧ UPㄧ的区域，这时 ID 随 UDS

作线性变化，呈现出电阻性，其电阻随着的 UGS 增大（越负）而减小，因此称为可变电阻区。 ②饱和区 指当 UDS继续增大， ID 基本不变的区域。此时，ID只受 UGS控制而呈线性变化，而不在随 UDS 增大，即 ID对UDS呈饱和状态。故又称为恒流区。 ③击穿区 当 UDS继续增大，反向偏置的 PN 结将承受超过极限的电压而击穿， ID突然上升。如不加限制，将损坏管子。 2 ．绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管称金属 - 氧化物 - 半导体场效应管，简称 MOS 管。它的栅极和源极，漏极完全绝缘，所以输入电阻可达 。这种场效应管是利用半导体表面的电场效应进行工作的，又称为表面场效应器件。

1210

50

（ 1 ） N沟道增强型绝缘栅场效应管 N沟道增强型绝缘栅场效应管是以一块杂质浓度较低的 P型半导体作衬底，在它上面扩散两个高浓度的 N 型区，各自引出一个电极作为源极 S 和漏极 D ；在漏极和源极间，再生长一层二氧化硅绝缘层，然后在绝缘层上覆盖一层金属铝作为栅极 G 。其结构和电路符号如图 7.3.9 所示。

SiO 2

(a)结构

G B

D

S

N+N+P型衬底

S DG

衬极B

(b)符号

N+N+

P

S DG

B

ED RD

EGI D

RDDG

S

B

EG ED

(a)示意图 (b)电路图

图 7.3.9 图 7.3.10

51

工作原理如图 7.3.10 所示。 当 UGS=0 时，源极 S 和漏极 D 形成两个反向串联的 PN 结，源漏之间 ID≈0 。当 UGS＞ 0 时，栅极与衬底之间在正栅压作用下形成一个指向衬底 B 的电场（如图中箭头），它将在绝缘层与 P 型衬底附近吸引较多的电子，形成一个 N 型薄层，其导电类型与 P 型衬底相反，称为反型层。当漏源间加上一定的正电压时，通过反型层中的电子，漏源间有电流 ID＞ 0 流过。这种场效应管的导电沟道是在 UGS 大于某一数值（称为开启电压，用 UT表示）后，也就是 UGS 增强后产生的，所以称为增强型场效应管。 导电沟道形成后，在 UDS 的作用下，漏极电流 ID沿沟道产生的压降使沟道各点与栅极间的电压不再相等，该电压削弱了栅极中电场的作用，使沟道从源极到漏极逐渐变窄，当 UDS 增加到使 UGD=UGS－ UDS = UT 时，沟道在漏极附近出现预夹断，若再增加 UDS ， ID 不再增加，基本保持预夹断时的数值。

52

（ 2 ） N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的结构与增强型相同，只是它的二氧化硅绝缘层中掺有大量正离子。因此管子在 UGS=0 时，就能形成 N 型反型层导电沟道，如图 7.3.11 所示。只要在漏源间接入电压 UDS ，便有漏极电流 ID 。如果在栅极上加正电压 UGS＞ 0 ，导电沟道会加宽，增大 ID 大；

SiO 2

(a)结构

G B

D

S

N+N+

P

S DG

衬极B

(b)符号

++ ++

N沟道

反之，在栅极上加负电压 UGS＜ 0 ，导电沟道会变窄，减小 ID ；当栅源电压负到某一数值 UP （夹断电压）时，导电沟道会被反向电场消除， ID=0 。所以，这种场效应管称为耗尽型场效应管。

图 7.3.11

53

3 ．绝缘栅型场效应管的特性曲线 （ 1 ）转移特性 N沟道增强型绝缘栅场效应管的转移特性曲线如图 7.3.12(a)所示， UGS=0 时， ID=0 ；只有 UGS＞ UT （开启电压）时才能 ID

＞ 0 。 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的转移特性如图 7.3.12(b)所示。 UGS=0 时，就有 ID ；要使减小， UGS 应为负值；当 UGS=UP 时， ID=0 。

UT0 UGS(V)

(mA)I D

P UGS(V)U 0

(mA)I D

I DSS

(a)增强型 (b)耗尽型

图 7.3.12

54

（ 2 ）输出特性 N沟道绝缘栅场效应管的输出特性曲线如图 7.3.13 所示。 上述讨论的是 N沟道绝缘栅场效应管，简称 NMOS 管。若用 N 型半导体作为衬底，同样可以造成 P沟道绝缘栅场效应管，简称 PMOS 管。其工作方式相同，只是电压极性相反。其特性曲线和符号如图 7.3.14 、 7.3.15 和 7.3.16 所示。

图 7.3.13 N沟道绝缘栅场效应管的输出特性

55

图 7.3.14 P沟道绝缘栅场效应管的转移特性

图 7.3.15 P沟道绝缘栅场效应管的输出特性

56

G B

D

S

(a)增强型

G B

D

S

(b)耗尽型

图 7.3.16 P沟道绝缘栅场效应管的电路符号

7.3.2 场效应管的参数和使用特点 1 ．场效应管的主要参数 2 ．场效应管的使用特点 场效应管使用时不要超过击穿电压和最大耗散功率等极限值。

57

由于 MOS 管的栅极与其它极之间是绝缘的，直流输入电阻极高，所以，在栅极电容上感应的电荷不易放掉，外界静电感应很容易在栅极上产生很高的电压，而导致管子击穿。为此，使用时注意：在接入电路时，栅源之间必须保证有直流电路（通常在栅源之间加反向二极管或稳压管）；存放时，三个电极应短接；焊接时，电烙铁外壳必须接地。 3 ．场效应管放大器简介 （ 1 ）固定偏置电路 如图 7.3.17 所示， 栅偏压 UGS=－ EG 。

1

C

E

ED

u iu0

RD 2

C

G

VT

+

图 7.3.17

58

1

C

ED

u i

RD 2

C

VT

+

u0

GR SR SC

LR

（ 2 ）自给偏压电路 如图 7.3.18 所示，栅偏压 UGS=－ ID RS 。适于结型场效应管和耗尽型绝缘栅场效应管。因增强型绝缘栅场效应管只有 UGS＞ UT 后，才有 ID ，故不能采用自给偏压电路。

图 7.3.18

59

（ 3）分压式偏置电路 如图 7.3.19所示，适于结型场效应管和绝缘栅场效应管，是最常用的偏置电路。

栅偏压为： G2 DGS G D S D S

G2 G1

R EU U I R I R

R R

1

ED

u i

C

VT

+

RDC2

RG1

CSRS

RG

RG2

u0

图 7.3.19

场效应管在放大器的应用与三极管相似，它也有三种接法即共源极接法、共源极接法和共漏极接法。

60

7.3.3 场效应管的检测 1 ．结型场效应管电极和管子类型的判别 用万用表 R×1k档的任一表笔接结型场效应管的任一脚（设为公共脚），另一表笔分别接另外二脚测量，看两次测得的电阻是否都小于几千欧，若不是，则另设公共脚再测，直到测得两次电阻都小于几千欧为止。此时，该公共脚即是栅极 G 。该测试中若是用红表笔接公共脚，则被测管是 P沟道管；若是用黑表笔接公共脚，则被测管是 N沟道管；余下二脚便是源极 S 和漏极 D ，因源极和漏极可对换使用，故不必再加以区分。对于有四个电极的管子，如某电极与其它三个电极都不通，则此极是屏蔽极，在使用中应接地。 2 ．粗测结型场效应管的性能和放大能力 用 R×1k档先测 G 与另外二脚（ G 与 S或 G 与 D ）之间的正反向电阻，正向电阻应在几千欧以下，反向电阻应为无穷大，否则是坏管。在用 R×1k档测 S 与 D 之间的电阻，应在几千欧以下；如电阻很大，则管子已坏。

61

要测管子的放大能力，可仍用万用表的 R×1k档，将万用表的两表笔分别接管子的 S 与 D 极（不分红黑表笔），然后用手接触 G 极，将人体感应信号输入，应看到指针有明显的摆动（左摆右摆均可，多数左摆），这说明管子有放大能力。摆动越大，放大能力越强，放大倍数越大。交换表笔再测一次，仍用手触 G 极，应能看到类似的指针摆动现象。如在测试过程中发现指针不摆动或摆动极小，说明管子已失效或放大能力极小。注意，如要再测一次放大能力，应将 G 与 S （或 G 与 D ）短路放电后再测，否则指针可能不动。 由于绝缘栅场效应管的输入电阻极高，所以不能用万用表检测，需用专用测试仪检测。

62

任务 7-4 晶闸管任务描述 本任务主要学习单向晶闸管的符号、结构，单向晶闸管的特性，单向晶闸管的工作原理，单向晶闸管的主要参数，单向晶闸管电极的判断，双向晶闸管的符号、结构，双向晶闸管的特性，双向晶闸管的检测，晶闸管的应用等内容。

螺栓式平板式

塑封

图 7.4.1

63

7.4.1 单向晶闸管的结构、特性和工作原理 1 ．单向晶闸管的符号、结构 单向晶闸管的符号、结构如图 7.4.2 所示。它是在一块硅片上，通过特殊工艺使硅片成为四层 (PNPN) 半导体结构，有三个 PN 结。单向晶闸管有三个电极：阳极 A( 正向电流由外部流入元件的电极 ) 、阴极 K （元件向外部电路流出正向电流的电极）和控制极 G （流进或流出控制电流的电极）。

P

P

1

2N2

N

1

A

K G

A

KG

图 7.4.2

2 ．单向晶闸管的特性 图 7.4.3 为单向晶闸管的特性曲线，由图可见：

64

（ 1 ）单向晶闸管加反向电压（阳极接负，阴极接正），晶闸管截止。 （ 2 ）单向晶闸管加正向电压，当控制极没有加正向电压时，晶闸管截止。 （ 3 ）单向晶闸管加正向电压，当控制极与阴极之间加正向电压时，晶闸管导通。 此时管子很容易导通，且随着控制电流的增大，晶闸管的转折电压要下降。

转折电压

反向击穿电压

管压降

维持电流

额定电流

=0g1g2g3I I I I g

0

＞ ＞

I

U

图 7.4.3

65

3 ．单向晶闸管的工作原理 下面分析单向晶闸管加正向电压，且当控制极与阴极之间加正向电压时，晶闸管导通的工作原理。 图 7.4.4 为单向晶闸管的内部结构及等效电路。如图所示把晶闸管看成是一个 PNP 三极管和一个 NPN 三极管组合成的复合管。

图 7.4.4内部结构 等效电路

66

如果在晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压，同时在控制极加一个对阴极为正的电压，就相当于 T2 的发射结处于正偏，从控制极输入一个控制电流 Ig ，这电流就是 T2 的基极电流 Ib2 ，经过 T2 的放大，在 T2 的集电极得到电流 Ic2 ；而 Ic2又是三极管 T1 的基极电流 Ib1 ，这个电流再经 T1 的放大，便得到 T1 的集电极电流 Ic1 ，且 Ic1=β1 Ib1=β1Ic2=β1β2Ig 。由于的 T1集电极与T2 的基极是接在一起的，即 Ic1又作为 Ib2 流入的 T2 基极，将重复出现上述的正反馈循环过程，使晶闸管的 T1 和 T2 都很快达到饱和状态，也就是晶闸管处于完全导通。

在晶闸管导通后，晶闸管的导通状态就完全依靠管子本身的正反馈来维持。 单向晶闸管从截止转化为导通，必须具备两个条件：第一，晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压；第二，控制极同时加上适当的正向电压。晶闸管一旦导通，控制极失去作用。 单向晶闸管由导通变为截止方法，一般是将晶闸管阳极与阴极之间的电源断开或加反向电压。另外，如果阳极电流小于晶闸管的维持电流时，晶闸管也会自动关断。

67

7.4.2 单向晶闸管的主要参数 1. 正向阻断峰值电压 2. 反向阻断峰值电压 3.额定正向平均电流 4.维持电流 5.控制极触发电压和控制极触发电流 7.4.3 单向晶闸管的检测 1 ．单向晶闸管电极的判断 将万用表置于 R×1K或 R×100档，黑表笔接某一电极，红表笔依次触碰另外两个电极，假如有一次阻值小，而另一次阻值大，就说明黑表笔接的是控制极 G 。在所测阻值小的那一次测量中，红表笔接的是阴极 K ；而在所测阻值大的那一次测量中，红表笔接的是阳极。若两次测出的阻值都很大，说明黑表笔接的不是控制极，应改测其它的电极。 在判别单向晶闸管电极的过程中，也简单完成了对其好坏的测量。

68

2 ．单向晶闸管质量判别 质量的判断须进行触发能力的测试。如图 7.4.5 所示，将万用表置于档 R×1档，红表笔接阴极 K ，黑表笔接阳极 A 。然后用导线短接一下控制极 G 和阳极 A ，这相当于给控制极G 加正向触发电压，此时指针应明显偏向小阻值方向。这时断开 G 和 A 极间的连线（注意红、黑表笔仍分别与 K 、 A极相连），指针的指示值应保持不变。则表明管子的触发特性基本正常。 但对于大功率管，导通压降可能大于 R×1档电压 1.5V ，维持电流也可能大于 R×1档提供的最大电流，这时管子将不导通，可用两块万用表串联或用一节干电池与表串联测试，不要误判。

3CT

万用表R×1档

红笔黑笔

AGK

图 7.4.5

69

7.4.4 双向晶闸管的结构、特性和工作原理 1 ．双向晶闸管的符号、结构 双向晶闸管的符号、结构如图 7.4.6 所示。它由 NPNPN五层硅组成，有三个电极：一个控制极 G ，另外两个统称为主电极，分别用 T1 和 T2表示。 2 ．双向晶闸管的特性

TG

T

1

2

P1

1N

P22N＇2N G

2T

T1

3N

结构 符号

图 7.4.6

70

2 ．双向晶闸管的特性 图 7.4.7 为双向晶闸管的特性曲线。 双向晶闸管正向特性曲线处在第一象限。此时主电极加正向电压 (T2 正， T1 负 ) ，当控制极开路 (IG=0) 时，管子处于正向截止状态，加大 T2-T1 主电极电压 U21达到正向转折电压UF0 ，管子将由截止状态变为导通，电流急剧增大。如果主电极加正向电压同时，控制极加触发电流 IG ，那么 IG越大，对应的转折电压 UF0 就越低。

双向晶闸管反向特性曲线处在第三象限。

图 7.4.7

71

双向晶闸管由截止变为导通情况有四种： ①T2-T1 极加正向电压， G 极加正向触发电流，管子导通，

工作在第一象限。 ② T2-T1 极加正向电压， G 极加反向触发电流，管子导通，

工作在第一象限。 ③ T2-T1 极加反向电压， G 极加正向触发电流，管子导通，

工作在第三象限。 ④ T2-T1 极加反向电压， G 极加反向触发电流，管子导通，

工作在第三象限。 最好使管子在①④两种状态下工作，灵敏度最高。 双向晶闸管一旦导通，控制极就失去作用，在工作电流小

于维持电流后，双向晶闸管才能截止。 双向晶闸管在 T2-T1 极加正向电压， G 极加正向触发电流，

管子导通的工作原理：由结构图 7.6.7 可见，此时 N3 和 N2

＇不参与导电，而成为 P1 N1 P2 N2 的四层硅结构，这时就相当于一个单向晶闸管，并工作在阳极为正电压，控制极为正电压条件下导通正向电流。

72

7.4.5 双向晶闸管的检测 1 ．极性的判别 （ 1 ）先判断 T2 极 一般双向晶闸管极间阻值如下： T2-T1 极间正反向电阻均为∞； T2-G 极间是两个相反的 PN 结，正反向电阻均为∞；T1-G 正反向电阻均为几欧～几百欧。

图 7.4.8

BCR

万用表R×1档

红笔

黑笔 GT1

T2

利用万用表的 R×1K档测量 T1 、 T2 、 G 中任意两个电极之间的正反向电阻来判别 T2 极，如测得其中两个电极间的正、反向电阻都很小，可判定这两极是 G 极和 T1 极，则剩下的就是 T2 极。

73

（ 2 ）判断 T1 极和 G 极 确定 T2 极后，先假定另外两个电极中一个为 G 极，另一个为 T1 极。然后用万用表 R×1档。把黑表笔接 T1 极，红表笔接 T2 极，测的电阻值应为无穷大。接着在保持红表笔与 T2极相接的情况下，用红表笔尖把 T2 极与 G 极短路，如图 7.4.8所示。相当于给 G 极加一个负触发信号，此时电阻约为 10Ω左右，证明管子已经导通，导通方向为 T1→T2 。再将红表笔与 G 极脱开（但仍接 T2 ），若阻值保持不变，证明管子在触发导通之后能维持导通状态；然后将两表笔对调再测一次，即红表笔接 T1 极，黑表笔接 T2 极，此时电阻值也应为无穷大，接着在保持黑表笔与 T2 极相接的情况下，用黑表笔尖把 T2 极与 G 极短路，相当于给 G 极加一个正触发信号，此时电阻约为 10Ω左右，黑表笔与 G 极脱开后若阻值保持不变，证明管子触发后在 T2→T1 方向也能维持导通状态。由此可断定上述的假定是正确的，否则假定与实际不符，需重新假定，重复上面的测量，直到找出 T1 极与 G 极。

74

2 ．触发能力的判别 在判别 T1 极、 G 极的过程中，也检查了双向晶闸管的触发能力。如果无论按哪一种假定去测量，都不能使双向晶闸管触发导通，说明管子已损坏。 由于大功率双向晶闸管的触发电流较大， R×1档可能无法使它触发导通，为此可给万用表的 R×1档外接一节 1.5V 的电池，将测试电压提升到 3V ，以增大触发电流。

7.4.6 晶闸管的应用 晶闸管的应用范围很广，按工作原理，可以分为四大类：整流、逆变（把直流电变为交流电）、交流开关、直流开关。 图 7.4.9 为纯电阻负载的单相半波可控硅整流电路。

触发脉冲电路

RL0UiU T

图 7.4.9

75

图 7.4.10

76

图 7.4.9 为纯电阻负载的单相半波可控硅整流电路。工作过程为：如果输入电压 Ui 的正半周的某一时刻，在控制极上加触发信号，晶闸管就会导通。例如在 t1 时刻给控制极加上触发脉冲，如图 7.4.10 (b) ，晶闸管导通。当输入电压 Ui下降到接近零时，晶闸管的正向电流减少到维持电流以下，晶闸管关断。在 Ui 的负半周内，晶闸管承受反向电压截止。在第二个正半周内，再在相应的时刻 t2 加入触发脉冲，晶闸管又会导通，……。负载 RL得到电压波形如图 7.4.10(c) 所示。 在正半周内，改变控制极触发脉冲的输入时刻，又叫触发脉冲移相，可以改变晶闸管的导通时间，负载电压波形就会随之改变。从而改变整流电路输出电压大小，实现可控整流。晶闸管在正向电压作用下不导通的范围叫控制角或移相角，用 α表示。导通的范围叫导通角，用 θ表示。显然导通角越大，输出电压越大。当控制角为 α 时，输出电压的平均值为：

其中 U 为输入电压 Ui 的有效值。

0cos

0.452

U U

77

7.4.7 晶闸管的保护 1 ．晶闸管的过电流保护 保护过电流常用的方法是在电路中串入快速熔断器。快速熔断器可以接在交流侧，也可以接在直流侧，或直接与晶闸管串联。如图 7.4.11 所示。

RL

T2

D1 D2

T1FU

FU

FU

直流侧

交流侧

iU iU RL

(a) (b)

(a) 接在交流侧和直流侧 (b)直接与晶闸管串联 图 7.4.11

78

2 ．晶闸管的过电压保护 （ 1 ）阻容吸收回路 图 7.4.12(a) 是将电路并联在电源变压器的副边。图 (b)

是将阻容电路并联在晶闸管两端。 （ 2 ）硒堆保护电路 图 7.4.13 硒堆保护电路。硒堆是一种半导体整流元件，

它有类似稳压管的性能，能将电压限制在击穿电压以内。

图 7.4.12 图 7.4.13

RL

(a)与变压器并联 (b)与晶闸管并联

T

C

RCR

T

iU iU

CR

T

D2

D1

RL

T

硒堆

79

任务 7-5 单结晶体管任务描述 本任务主要学习单结晶体管的结构、符号和型号，单结晶体管的型号，单结晶体管的工作原理、特性曲线和参数，单结晶体管的特性曲线，判别单结晶体管的发射极，单结晶体管的应用等内容。 7.5.1 单结晶体管的结构 1 ．单结晶体管的结构、符号 图 7.5.1(a) 是 N 型单结晶体管的结构图。 (b) 为等效电路图。可见，单结晶体管由一个 PN 结和两个基极构成，因此也称为双基极二极管。

图 7.5.1

80

图 7.5.1(c) 为单结晶体管电路符号。分 N 型和 P 型， N 型指硅片为 N 型材料， P 型指硅片为P 型材料。图 7.5.1(d) 为单结晶体管实物图。 图 7.5.1(d) 2．单结晶体管的型号 单结晶体的型号由四部分组成。下面在图 7.5.2中加以说明。

图 7.5.2单结晶体的型号组成部分的意义

81

7.5.2 单结晶体管的工作原理、特性曲线和参数 1 ．单结晶体管的工作原理 如图 7.5.3 所示，在基极 b1 、 b2 之间加上一个固定的直流电压 Eb ，在发射极 e 与第一基极 b1 之间也加上一个电压 Ee ，Re 是限流电阻，调节分压电位器 RW 就可以调节 Ue 和 Ie 的大小。设 b1 、 b2 之间电压为 Ubb ，则位于 b1 、 b2 之间的 A 点电位将决定于上下两部分硅片的电阻 Rb1 与 Rb2 所形成的分压比 η 。分压比

b1

b1 b2

R

R R

即 A 点电位为

b1A bb bb

b1 b2

RU U U

R R

82

e

b2

b1

Rb2

b1RRWEe

Eb

D

Ub

Ue

Re

I e

I e

Ue

UP

UV

IVI P

P峰点

V谷点

Q

(mA)

(V)

0M

A

b

将发射极电位 Ue 由零增加，当 Ue＜ UA 时，二极管 D处于反向偏置， Ie≈0 。继续增加发射极电位，使该点电位比 UA 高出一个二极管的管压降 UD ，即 Ue= UA＋ UD

时， e对 b1 开始导通，电流 Ie逐渐增加，图 7.5.4 中 P点以前的特性区称为截止区。

图 7.5.4图 7.5.3

83

随着发射极电流 Ie 的增大，在硅片的下半部注入大量空穴型载流子，因而使 Rb1迅速减小，发射极 e对第一基极 b1之间变成低阻导通状态，且 UA 降低； UA 的降低又导致二极管的正偏压增加和 Ie 的进一步增加，从而使 Rb1进一步减少； Rb1 的进一步减少又使 UA进一步降低……，元件内部形成强烈的正反馈。当 Rb1 的减少超过 Ie 的增加时，发射极电压 Ue 将自动随 Ie 的增加而降低，这就是单结晶体管的负阻特性。图 7.5.4 中从 P 点起，管子工作状态由截止区转入负阻区，转折点称为特性曲线的峰点，对应于点的电压和电流分别称为峰点电压 UP 和峰点电流 IP 。 当发射极电流 Ie 增加到某一数值时，电压 Ue下降到最低点，图 7.5.4 特性曲线上这一点叫谷点，所对应的电压和电流分别称为谷点电压 UV 和谷点电流 IV 。此后，要提高 Ie 就必须加大 Ue ，这一现象称为饱和。 如上所述，单结晶体管当发射极电压 Ue 高于峰点电压 U

P 时，单结晶体管导通；导通以后，只有在发射极电压 Ue小于 UV 和发射极电流 Ie小于 IV 时，单结晶体管才会截止。

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2 ．单结晶体管的特性曲线 特性曲线如图 7.5.4 所示，分三个区： （ 1 ）截止区 特点： Rb1阻值很大， Ie≈0 。 （ 2 ）负阻区 特点： Rb1阻值随流过它的电流的增大而变小，表现出负阻特性。通俗讲，先有 Ie 变大，才引起 Rb1 变小，最后导致 Ibb 增大，体现了 Ie控制 Ibb 的变化。 （ 3 ）饱和区 当 Ie＞ IV 时，即图中 V ～ Q段曲线对应的区域。 Ie 随 Ue呈线性增大， Rb1阻值不再发生变化，控制着基极回路电流 Ibb

不再增大，故称饱和区。

7.5.3 单结晶体管的检测

85

1 ．判别单结晶体管的发射极 单结晶体管结构是一个 PN 结，用万用表电阻档测量三个电极间的电阻值，就能判别出发射极。 N 型单结晶体管的极间电阻值如图 7.5.5 所示，如果测出了极间电阻值为 5kΩ左右，那么黑表笔接的管脚就是发射极，红表笔接的管脚就是基极 b1或 b2 ，两基极对称可互换。 2 ．判别单结晶体管的好坏 将万用表调到 R×1k档，对单结晶体管三个极间的电阻进行正反 6次测量。便可得到 6 个电阻值，如果符合图 7.5.5 所示电阻值，就表明被测单结晶体管是好的，如果测量数值有较大差异，就表明被测单结晶体管是坏的。

b1极

b2极

e极

5kΩ

黑

红

红

黑 黑

红

黑

红黑

黑

红

红

∞

∞

5kΩ

10kΩ10kΩ

图 7.5.5

86

7.5.4 单结晶体管的应用 1 ．单结晶体管的自激振荡电路 图 7.5.6 是单结晶体管结构的一个自激振荡电路。工作过程如下：

e

b2

b1

R2

1R

RW

E

C

t

CU

Re

t

U1R

PU

VU

充电 放电

图 7.5.6 图 7.5.7

87

直流电源 E经两个外接电阻 R1 和 R2 加在单结晶体管的两个基极之间。假设在接通电源前，电容 C上的电压为零；接通电源后，电容经 Re＋ Rw充电使电压 UC逐渐升高，当 UC

达到峰点电压 UP 时， e―b1 间变成导通，电阻 Rb1急剧减小，电容上的电压经 e―b1 向电阻 R1放电；当电容电压下降到单结晶体管的谷点电位 UV 时，由于发射极电阻 Re＋ Rw比较大，电源经过电阻 Re＋ Rw供给的电流小于单结晶体管的谷点电流 IV ，单结晶体管恢复阻断状态。由于放电时间常数(Rb1＋ R1) C 很小，因此在 R1上形成一个脉冲电压。此后，电容又再次由电源经 Re＋ Rw重新放电，重复上述过程。结果在电阻 R1上得到一个又一个的脉冲电压。如图 7.5.7 所示。这些脉冲电压可以用来触发晶闸管。

88

2 ．单结晶体管触发晶闸管电路 图 7.5.8 是单结晶体管触发晶闸管电路图。在主回路交流电源电压过零时，电容 C 的端电压也是零。交流电压从零回正半周增长时，电容 C也从零开始充电，这样就可实现触发电路与主回路的同步。

R2

RW

C

t

Re

A

B

ZD

3D

4D

T

RL

1D 2D

1T 2T

R

iU 0U

CU

1UR

t

t

t

ABU

ZU

0U

α=90

1R

图 7.5.8 图 7.5.9

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与主回路同一电源的变压器副边有一中心抽头，经全波整流获得直流脉动电压，再经稳压器削波而输出梯形电压 UAB 。这个梯形电压 UAB 与加在主回路的交流电压是同步的，即：当交流电压过零时，梯形波电压也降到零点，加在单结晶体管两个基极 b1 、 b2 之间的电压 Ub也降到零，使电容 C上的电荷全部放掉，于下半周从零开始充电，从而实现触发电路与主回路的同步。 在图 7.5.8 电路中，触发电路在电源电压的每个周期中工作两个循环，头半个周期中，触发电路送出的第一个脉冲同时送到两个晶闸管的控制极上，但是只能使其中承受正向电压的晶闸管导通。在另外半个周期时，触发电路送出的第二脉冲使另一个晶闸管触发。第一个脉冲发出以后，电容 C继续充放电，可以送出第二、第三个或更多的脉冲，如图 7.5.9 。但是晶闸管被第一个脉冲触发导通之后，后面的脉冲就没有作用了。改变单结晶体管发射极电阻 Rw ，可以改变发出第一个脉冲的时间，也即改变了晶闸管导通的控制角。 项目 7 完