电力电子器件介绍

作者：周宇
三、PN结的伏安特性
正向特性 反向特性 反向击穿
u
PN结的电流方程为 i I S (e UT 1)
其中， IS 为反向饱和电流， UT≈26mV，
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1.2 半导体二极管
作者：周宇
1.2 半导体二极管
将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了 半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A） ，由N区 引出的电极为阴极（ K ）。
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伏安特性
I
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
反向击穿 电压UBR
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
U
作者：周宇
环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移， 反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高1°C,正向 压降减小2~2.5mV;温度每升高10°C，反向电流约增大 1倍。二极管的特性对温度很敏感。
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1.1.2 杂质半导体
一、N型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入五价元素 （如磷），使之取 代晶格中硅原子的 位置，就形成了N 型半导体。
电子----多子; 空穴----少子.
作者Fra Baidu bibliotek周宇
1.1.2 杂质半导体
二、P型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入三价元素 （如硼），使之取 代晶格中硅原子的 位置，就形成了P 型半导体。
注意
空杂穴质-半-导--体多中子，;多子的浓度决定于掺杂原子的浓度； 电子----少子少.子的浓度决定于温度。
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1.1.3 PN结
采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作 在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结 具有单向导电性。
一、PN结的形成
P区
N区
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一、PN结的形成
一、半导体
导电特性处于导体（低价元素构成）和绝 缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如 锗、硅等，均为四价元素。
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶格结构
1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
一、半导体 二、本征半导体的导电情况
金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子), 在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流.
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• 双极型功率晶体管的工作原理 • 以NPN型双极型功率晶体管为例，若外电
路电源使UBC<0,则集电结的PN结处于反偏 状态；UBE>0,则发射结的PN结处于正偏状 态。此时晶体管内部的电流分布为： • (1) 由于UBC<0,集电结处于反偏状态，形成 反向饱和电流ICBO从N区流向P区。 • (2) 由于UBE>0,发射结处于正偏状态，P区的 多数载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴 电流IPE,N区的多数载流子电子不断地向P区 扩散形成电子电流INE。
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§1.3 双极型晶体管
作者：周宇
§1.3 双极型晶体管
一、晶体管的结构和类型
发射区 基区 集电区
NPN型
e 发射极
c
集电极
发射结 b
集电结
基极
发射极箭头的方向 为电流的方向
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集电极 c
b
基极
P N P
e
发射极
PNP型
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• 双极型功率晶体管BJT的容量水平已达 1.8kV／lkA，频率为20kHz。
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二、PN结的单向导电性
1. PN结外加正向电压时处于导通状态
加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压， 也称正向接法或正向偏置。
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外电场
内电场
外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变 窄，形成较大的扩散电流。
作者：周宇
2. PN结外加反向电压时处于截止状态
外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变 宽，形成很小的漂移电流。
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稳压二极管及应用
1. 稳压管的工作原理
稳压管的符号
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2. 稳压管的主要参数
①稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。
②稳压电流IZ IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小 于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。
③额定功耗PZM PZM 等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM （或 IZmax ） 的乘积。
空穴
自由电子
半导体中有两种载流子:自由电子和空穴
+
-
+
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+
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+
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+
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+
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+
-
在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
+
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+
-
在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
1.本征半导体中载流子为电子和空穴;
2.电子和空穴成对出现,浓度相等;
3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导 体的导电性和温度有关,对温度很敏感。
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3. 稳压管的稳压条件 必须工作在反向击穿状态；
流过稳压管的电流在IZ和IZM之间 。 注意！
稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。
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特殊二极管
1. 光电二极管是一种将光能转换为电能的半 导体器件，其结构与普通二极管相似，只是 管壳上留有一个能入射光线的窗口。
作者：周宇
2. 发光二极管是一种将电能转换为光能 的半导体器件。它由一个PN结构成,当发 光二极管正偏时，注入到N区和P区的载 流子被复合时，会发出可见光和不可见光。
阳极 P N 阴极
二极管的符号：
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功率二极管的工作原理
• 由于PN结具有单向导电性，所以二极管 是一个正方向单向导电、反方向阻断的 电力电子器件。
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1. 功率二极管的特性 (1) 功率二极管的伏安特性 • 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必
须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)，当外 加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅 二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth 后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极 管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压 超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿， 反向电流迅速增加。
1.1 半导体基础知识
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
1.1.1 本征半导体
纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 现扩散运动。
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一、PN结的形成
耗尽层
空间电荷区
在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空 间电荷区
作者：周宇
一、PN结的形成
PN结
当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
作者：周宇
1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场; 2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移; 3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。