模拟电子电路 第1章常用半导体器件4.pptVIP

第四章 1.5　单结晶体管和晶闸管 　　根据PN结外加电压时的工作特点，还可由PN结构成其它类型的三端器件。本节将介绍利用一个PN构成的具有负阻特性的器件——单结晶体管，以及利用三个PN结构成的大功率可控整流器件---晶闸管。　　 1.5.1 单结晶体管 一、单结晶体管的结构和等效电路 在一个低掺杂的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高掺杂P区，在P区与N区接触面形成PN结，就构成单结晶体管(UJT)。其结构示意图如图1.5.1(a)所示。 P型半导体引出的电极为发射极e；N型半导体的两端引出两个电极，分别为基极b1和基极b2。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管。其符号如图(b)所示。 单结晶体管的等效电路如图(c)所示，发射极所接P区与N型硅棒形成的PN结等效为二极管D；N型硅棒因掺杂浓度很低而呈现高电阻，二极管阴极与基极b2之间的等效电阻为rb2，与基极b1之间的等效电阻为rb1；rb1的阻值受e-b1间电压的控制，所以等效为可变电阻。 二、工作原理和特性曲线 单结晶体管的发射极电流iE与e-b1间电压uEB1的关系曲线称为特性曲线。特性曲线的测试电路如图1.5.2(a)所示。 虚线框内为单结晶体管的等效电路。当b2-bl间加电源VBB，且发射极开路时，A点电位为 当e-b1间电压uEB1为零时，二极管承受反向电压，其值uEA=－ηVBB。发射极的电流iE为二极管的反向电流，记作IEO。 只有当uEA接近零时，iE的数值才明显减小；当uEBl=uA时，二极管的端电压为零，iE=0。 若uEBl继续增大，使PN结正向电压大于开启电压时，则iE变为正向电流，从发射极e流向基极b1。 由于半导体材料的电阻与其载流子的浓度紧密相关，注入的载流子使rb1减小；而且rb1的减小，使其压降减小，导致PN结正向电压增大， 程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时uEB1将因rb1的减小而减小，表现出负阻特性。 所谓负阻特性，是指输入电压(即uEBl)增大到某一数值后，输入电流(即发射极电流iE)愈大，输入端的等效电阻愈小的特性。 的限制，除非将输入回路开路或将iE减小到很小的数值，否则管子将始终保持导通状态。 单结晶体管的特性曲线如图1.5.2(b)所示。 　　当uEBl=0时，iE=IE0；当uEB1增大至Up(峰点电压)时，PN结开始正向导通, Up=uA+Uon，uA如式(1.5.1)所示，Uon为PN结的开启电压，此时iE=Ip(峰点电流)； uEBl再增大一点，管子就进入负阻区，随着iE增大，rb1减小，uEB1减小，直至uEB1=Uv(谷点电压)，iE=IV(谷点电流)， Uv取决于PN结的导通电压和rbl的饱和电阻rs；当iE再增大，管子进入饱和区。单结晶体管的三个工作区域如图1.5.2(b)中所标注。 单结晶体管的负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路中。除了单结晶体管外，具有负阻特性的器件还有隧道二极管、λ双极性晶体管、负阻场效应管等等。 三、应用举例 图1.5.3(a)所示为单结晶体管组成的振荡电路。所谓振荡，是指在没有输入信号的情况下，电路输出一定频率、一定幅值的电压或电流信号。 在图1.5.3(a)所示电路中，当合闸通电时，电容C上的电压为零，管子截止，电源VBB通过电阻R对C充电，随时间增长电容上电压uC(即uEB1)逐渐增大； 一旦uEB1刚增大到峰点电压Up后，管子进入负阻区，输入端等效电阻急剧减小，使C通过管子的输入回路迅速放电，iE随之迅速减小， 一旦uEB1减小到谷点电压Uv后，管子截止；电容又开始充电。上述过程循环往返，只有当断电时才会停止，因而产生电振荡。 由于充电时间常数远大于放电时间常数，当稳定振荡时，电容上电压的波形如图(b)所示。 1.5.2 晶闸管 晶体闸流管简称晶闸管(Thyristor)，也称为硅可控元件(SCR)，是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关。 一、结构和等效模型 由于晶闸管是大功率器件，一般均用在较高电压和较大电流的情况，故其外形均便于安装散热片和有利于散热。常见的晶闸管外形有螺栓形和平板形，如图1.5.4所示。 此外，其封装形式有金属外壳和塑封外壳等。 晶闸管的内部结构示意图如图1.5.5(a)所示，它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成， 晶闸管也称为四层器件或PNPN器件。 为了更好地理解晶闸管的工作原理，常将其N1和P2两个区域分解成两部分，使得P1-N1-P2构成一只PNP型管，N1-P2-N2构成一只NPN型管，如图(b)所示； 用晶体管的符号表示，如图(c)所示；晶闸管的符号如图(d)所示。 二、工作原理 当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极不加电压时，J2处