晶体管的特性与应用

1）、快恢复二极管(PIN型二极管 )
（简称FRD）是一种具有开关特性好、反向恢复时间短 特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉 宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极 管、续流二极管或阻尼二极管使用 。在制造上采用掺 金、单纯的扩散等工艺，可获得较高的开关速度，同 时也能得到较高的耐压。快恢复二极管的内部结构与 普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P 型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。 因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管 的反向恢复时间较短，正向压降高于普通二极管（1～ 2V)，反向击穿电压（耐压值）较高(多在1500V以下）。 目前快恢复二极管主要应用在开关电源中作整流元件， 高频电路中的限幅、嵌位等。
2）、肖特基（Schottky）二极管
由金属与半导体接触形成的势垒层为基础制成的二 极管，是一种低功耗、超高速半导体器件，广泛应用 于开关电源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、 大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管使用肖 特基二极管在结构原理上与PN结二极管有很大区别， 它的内部是由阳极金属（用钼或铝等材料制成的阻挡 层）、二氧化硅（SiO2）电场消除材料、N-外延层（砷 材料）、N型硅基片、N+阴极层及阴极金属等构成。在 N型基片和阳极金属之间形成肖特基势垒。当在肖特基 势垒两端加上正向偏压（阳极金属接电源正极，N型基 片接电源负极）时，肖特基势垒层变窄，其内阻变小； 反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基 势垒层则变宽，其内阻变大。

二、二极管的分类
按半导体材料可分为锗二极管（Ge管）和硅二 极管（Si管）。 根据其不同用途 又可分为:普通二极管和特殊 二极管。普通二极管包括快速二极管、整流二 极管、稳压二极管、检波二极管等；特殊二极 管包括变容二极管、发光二极管、隧道二极管、 触发二极管等。 按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面 接触型二极管及平面型二极管。
二、晶体三极管的开关特性
BE结在由正向电 压转为反向时， 内建电场建立的 时间与电流
如图（a）所示，当基极回路输入一幅值为UP （UP>>UBB）的正脉冲信号，基极电流立即上升 IB=(UP-UBB-UBE)/RB,在IB的作用下，发射结逐 渐由反偏变为正偏，BJT由截止状态变为导通 状态，集电结为零偏甚至正偏，集电极于发射 极之间压降UCE≈0,BJT工作在饱和状态，BJT 相当于闭合开关。 如图（b）当基极输入脉冲为负或零时，BJT的发 射结和集电结都处于反偏，集电极电流逐渐下 降到IC=ICEO≈0,因此负载电阻RL上的压降可 以忽略不计，集电极与发射极之间的压降 UCE≈UCC,即BJT工作在截止状态,BJT相当于一 断开的开关。

三、二极管的主要参数

正向电压降 VF
导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为 0.3V，硅管约为0.7V）

正向工作电流Iav－平均电流,
是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流 值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升， 温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右） 时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不 要超过二极管额定正向工作电流值 。 最大浪涌电流IFSM 允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是 瞬间电流，这个值相当大。
肖特基二极管其主要特点是正向导通压降小 （约0.45V），反向恢复时间短和开关损耗小， 存在的问题是耐压比较低，反向漏电流比较大。 目前应用在功率变换电路中的肖特基二极管的 大体水平是耐压在150V以下，平均电流在 100A以下，反向恢复时间在10～40ns。肖特基 二极管应用在高频低压电路中，是比较理想的。
高频整流管一般用于高频输出整流，须考虑的 主要参数有：
Iav=Po/Vo;
IMAX= 2PO/VO(1- DMAX)（电流临界）; Vrmax= Vo+ N*Vin max N—变压器匝比； 正向压降VF－－二极管功率越大，VF相对较小； 选用超快恢复二极管。
负载功率大的，还须通过测量温升，再调整晶 体管参数。
特性
适用范围
超快速二极管
反向恢复时间较短，正向压降 主要应用在开关电源中作高 较低，反向击穿电压（耐压值） 频整流、续流元件，高频电 较高 路中的限幅、嵌位等
萧特基二极管 耐压比较低，反向漏电流比 主要应用在高频低压电路
较大，反向恢复时间较短， 开关损耗小 中
整流二极管
允许通过的电流比较大，反 广泛应用于处理频率不高 向击穿电压比较高，但PN结 的电路中 电容比较大

整流二极管
利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化 的交流电变换成单一方向的脉动直流电。广泛
应用于处理频率不高的电路中 。
整流分为工频和高频 整流，表现为频率的 不同。D1为工频整流 二极管 ，D2为高频整 流二极管。 整流的方式也分为多种：主要有半波、全波、 桥式。
工频整流一般用在对市电进行整流，厂内UPS电 路中以CHARGER电路为例，输入一般为桥式整流， 须考虑的主要参数有： Iav=Pomax /VO η ； Vpeak= 2 Uin ;--VRRM MAX repetitive reverse voltage 在选取整流二极管会加一定的裕量，以防出现 特殊情况。此外还必须考虑到厂内现有物料以 及通用性。 厂内常用的工频整流桥有：2W10G（2A 1KV）； GBU6M（6A 1KV）
从性能，可分为快恢复和超快恢复两个等级。前者反向 回复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下。
CHARGER电路中的Snubber，主要作用是吸收变压器漏 感产生的尖峰电压，箝位二极管应选择反向击穿电压 高于开关管的漏源击穿电压且反向恢复时间尽可能短 的超快恢复二极管 。如图，D2选用UF4007(1A 1KV).
晶体管开关损耗 △P ＝ ic * uc
图可明显看出晶体管开关损耗取决与开通时间 ton和关断时间toff。ton和toff越小，即开关 波形越趋于方波，开关损耗越小，温度越低。
三、晶体三极管的参数
共发射极电流增益ß ，反映了三极管的放大能 力。 集电极最大工作电流IC 集电极最大直流峰值电流ICM，由集电极允许 承受的最大电流决定。 集电极允许最高电压UCEO 随着VCE的增大，加在集电结的反偏电压VCB相 应增大。当VCE增大到一定值时，集电结发生反 向击穿，造成电流IC剧增。产生反向击穿的主 要时雪崩击穿。
稳压二极管
发光二极管
既具有普通二极管的单向导 电特性，又可工作于反向击 穿状态 。缺点是存在噪声
工作电压低，工作电流小， 发光均匀、寿命长 。
在要求精度不高、电流Βιβλιοθήκη Baidu 化范围不大的情况下，起 稳压作用
主要用于状态指示
五、二极管使用注意事项
在了解二极管的特性与应用后，在设计 电路过程中，根据二极管在电路中的功 用选取合适的元件，需注意： 选择合适的参数 选择常用的二极管 价格的考量
稳压管的主要参数有：
（1）稳压值VZ 。指当流过稳压管的电流为某一规定值时， 稳压管两端的压降。（2）电压温度系数 。稳压管的稳压 值VZ的温度系数在VZ低于4V时为负温度系数值；当VZ的 值大于7V时，其温度系数为正值；而VZ的值在6V左右时， 其温度系数近似为零。目前低温度系数的稳压管是由两 只稳压管反向串联而成，利用两只稳压管处于正反向工 作状态时具有正、负不同的温度系数，可得到很好的温 度补偿。（3）动态电阻rZ。表示稳压管稳压性能的优劣， 一般工作电流越大，rZ越小。（4）允许功耗PZ。由稳压 管允许达到的温升决定，小功率稳压管的PZ 值为100～ 1000mW,大功率的可达50W。（5）稳定电流IZ 。测试稳 压管参数时所加的电流。实际流过稳压管的电流低于IZ时 仍能稳压，但rZ较大。
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三极管的特性与应用
晶体三极管又称双极器件（Bipolar Junction Transistor,用BJT表示），它的基本组成部分是 两个靠得很近且背对背排列的PN结。根据排列 的方式不同，晶体三极管分为NPN和PNP两种 类型。晶体三极管和晶体二极管一样都是非线 性器件，但它们的主要特性却截然不同。晶体 二极管的主要特性是单向导电性，而晶体三极 管的主要特性则与其工作模式有关。

发光二极管
厂内所使用的LED主要分绿色，红色，黄色， 橙色的单色和双色发光二极管，其驱动电流， 会影响发光强度，所以在选择限流电阻时须注 意LED的正向电压（typ.:2V)及正向电流约 20mA。同样结构也有多种，具体选用何种，须 结合PCB，外壳的要求来选择。
稳压二极管
利用二极管反向击穿后的伏安特性十分 陡峭，也就是说，二极管两端的电压随 通过的电流变化而变化很小，通过电阻 来限流，以至于二极管不被烧毁。稳压 管的误差较大（5％、10％，也有2％）。 一般不用于精密稳压电路。
一、三极管的三种工作模式

放大模式
三极管工作在放大模式的条件：发射结加正偏、集电 结加反偏 。呈现的主要特性时正向受控作用 ，

饱和模式
三极管工作在饱和模式的条件：发射结、集电结均加 正偏 。

截止模式
三极管工作在截止模式的条件：发射结、集电结均加 反偏 。 饱和与截止模式呈现受控开关特性，是实现开关电路 的基础

限幅元件
正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为 0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元 件，可以把信号幅度限制在一定范围内。用于 电压波动较大的地方。
UPS中电压波动较大的地 方有市电侦测，电池电压 侦测，温度侦测等，所以 在送入单片机检测端时须 限幅，厂内一般使用 IN4148( 0.15A 75V) 、作为 限幅元件。

快速二极管
快速二极管的工作原理与普通二极管是相同 的 ,普通二极管工作在开关状态下的反向恢复 时间较长，约5us以上，不能适应高频开关电 路的要求 。快速二极管主要应用于高频整流电 路、高频开关电源、高频阻容吸收电路、逆变 电路等，其反向恢复时间可达10ns。快速二极 管主要包括快恢复二极管和肖特基二极管。
二极管的特性与应用
二极管是由一个由P型半导体和N型半导 体形成的P-N结。正是由于P-N结两边载 流子浓度的不同，使得二极管呈现出它 特有的单向导电特性。利用二极管的单 向导电特性，在电路中的用途十分广泛。
一、二极管的导电特性
正向特性 当所加的正向电压达到某一数值（称为“门槛 电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）后， 二极管才能真正导通。导通后二极管两端的电 压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为 0.7V），称为二极管的“正向压降”。 反向特性 二极管两端加反向电压时，二极管处于截止状 态 ，但仍然会有微弱的反向电流流过二极管， 称为漏电流 。反向电压增大到某一数值，反向 电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特 性，这种状态称为二极管的击穿。
左图为 CHARGER电路 中输出部分，其 中高频整流管为 D3 ，所用晶体管为 ER8020(8A 200V)。 D4，D6 起反向隔离作用。

继流二极管
在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起 继流作用 。 左图，通过BST.DRV来驱 动RELAY，电流的跳变时， 使RELAY中线圈产生反向 感应电动势，通过二极管 IN4148(0.15A 75V)来继 流，泄放能量，保护驱动 管。也可不加二极管，但 须保证驱动管耐压足够高， 不被击穿。


反向峰值电压 ( VRRM－最大周期性反向电压 )
二极管正向工作时所能承受的周期浪涌电流的最大值。
反向饱和漏电流IR
指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过 二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导 电性能越好。但反向电流受温度的影响较大，一般硅 管比锗管在高温下具有较好的稳定性。

开关速度Trr和最高工作频率 fm
当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作 的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟 一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复 时间。开关速度和最高工作频率取决于二极管的反向 恢复时间，一般高频开关管的反向回复时间为几十nS, 甚至几个nS。
四、二极管的应用