第五节 电子技术基础知识

一、半导体

电气材料中除了导体和绝缘体以外，有一种介于两者的半导体，结构大都成结晶状，以其制作的二极管、三极管，人们习惯称为晶体管（如硅、锗）。

由于晶体管比其他电子器件有许多独特的优点：体积小、重量轻、寿命长、耗电少和功率转换效率高等，因此得到了广泛的应用。无论在无线电工程还是电力设备的自动化工程中，都得到了迅速的发展。

1.半导体的特性

（1）光敏特性：当受到光线照射时导电性能增强。

（2）热敏性：半导体的电阻温度系数为负，当温度升高时，电阻下降，导电性能增强。

（3）掺杂性：再半导体中掺入微量元素（磷、硼）后，导电性能成千上万倍的增加。

2.PN结

（1）P型半导体：在半导体中掺入微量元素（铟、硼、铝、镓）后，能产生许多带正电的空穴的半导体。

（2）N型半导体：在半导体中掺入微量元素（锑、磷、砷）后，能产生许多带负电的电子的半导体。

（3）PN结：将一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起，两者结合的地方就形成一个PN结。

在PN结上加正向电压，即将外电源的正极与P相连，负极与N相连，多数载流子能顺利地通过PN结产生的阻挡层，在电路中形成电流，称PN结具有正向导通性。

在PN结加上反向电压，即将外电源的正极与N相连，负极与P相连，多数载流子不能通过PN结产生的阻挡层，只有少数载流子在外电场的作用下，产生漂移而通过PN结，电路上不能形成电流。

由上可知，PN结具有单向导电性。

二、晶体二极管

1.构造

二极管实际上是由一块P型半导体和一块N型半导体组成的PN结，加上相应的接触电极和引出线，用外壳封装的一种电器。常用符号“”来表示箭头表示正极，粗短线表示负极，电流是按箭头方向流通的。

2.分类

（1）按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管、砷化镓二极管。

（2）PN结的结构分：点接触型、面接触型、及平面型。

3.伏安特性

二极管所加电压与通过的电流之间的关系。如图2-19所示。

（1）正向特性。当外加电压为零时，电流为零，外加正向电压较小时，电流也几乎为零，只有当电压超过某一数值时，才有明显的正向电流出现，这个电压值称为死区电压或门限电压，以U_th表示，称该范围为死区。

当外加电压大于U_th以后，正向电流明显上升，这时正向电压较小，电流的增加按指数规律增加，这一范围称过渡区。

当外加电压大于过渡区电压后，管子处于高度导通，这是正向电压有微小的变化就会导致正向电流的很大变化。二极管呈现的电阻很小，二极管进入正向导通区的电压称正向导通电压，硅管0.5～0.7V，锗管0.1～0.3V。

流过二极管的正向电流不能太大，否则，会烧坏二极管，故二极管回路中一般要串入电阻加以限流。

（2）反向特性。二极管加反向电压时，少数载流子漂移形成反向电流，反向电压增加时，反向电流基本不变，并且很小，此范围称反向截止区。

当反向电压超过某一数值时反向电流急剧增加这种现象叫反向击穿，击穿点的电压，叫反向击穿电压。

二极管在发生反向击穿后，若反向电压与反向电流之积小于最大功耗，则击穿过程是可逆的。管子不会烧坏，否则，将烧坏管子。

三、晶体三极管

晶体三极管通常称为晶体管，是一种由两个PN结和三个电极组成的半导体器件，起放大和开关作用，具有体积小、重量轻、寿命长、可靠和省电等优点，因而被广泛应用在工程技术上。

1.三极管的类型和表示符号

如图2-20所示，三极管分两种类型，即PNP［图2-20（a）］、NPN［图2-20（b）］型。PNP型是基极材料为N型半导体，发射极和集电极为P型半导体的晶体管；NPN型是基极材料为P型半导体，发射极和集电极为N型半导体的晶体管。常用e、b、c分别表示发射极、基极和集电极。

2.三极管的放大作用

晶体三极管实质上是一个分流器。如图2-21所示，发射极电流I_e分成两部分，即集电极电流I_c和基极电流I_b，集电极电流随发射极电流变化而变化，发射极电流能控制集电极电流，而发射极电流又受基极电流控制。当基极有一个小电流流过时，在集电极上会流过 一个很大的电流。基极有一个小电流变化Δi_b，在集电极上就会产生一个很大的电流变化Δi_c。对于一个三极管，定义

我们称β为三极管的电流放大倍数。

从图2-21中可以知道，I_e、I_c、I_b存在如下关系

I_e=I_c+I_b

3.三极管的工作状态

三极管有三种工作状态，即放大状态、饱和导通状态和截止状态。

三极管一般工作于放大状态，即集电极的电流变化和基极的电流变化基本成正比的工作状态；

无论基极电流怎样变化，集电极的电流总是维持在一定的数值上不变，此时三极管工作在饱和状态；

当基极电流为零时，集电极和发射极均无电流，三极管工作于截止状态。

开关管一般工作在饱和与截止状态。

四、晶闸管

晶闸管是当今电力系统中广为采用的半导体器件，它是一种理想的无触头开关器件，亦是弱电控制强电输出的桥梁，被广泛用于整流、逆变、调速、调压和调频等。

1.结构和代号

如图2-22（a）所示，晶闸管是一个四层三端的半导体器件，常用V或VTH表示，图中有三个PN结，分别用J₁、J₂、J₃表示。A为阳极，C（或K）为阴极，为控制极，也叫触发极，俗称门极，如图2-22（b）所示。

2.工作特性

图2-23是晶闸管的直流实验电路。阳极接电源E_a的正极，阴极接电源E_a的负极（加正向电压）。在开关S未合上时，灯泡H不亮，表明晶闸管不导通，说明晶闸管有正向阻断能力。把S合上时，在控制极加正向电压，灯泡亮了，说明晶闸管导通。此时再将开关分断或将电源E_g反接，都不能使灯泡熄灭。说明一经触发导通，就能维持导通状态。要使晶闸管截止，用切断控制极电源的方法是不行的。若逐渐降低电源E_a的电压至趋近零，灯泡就熄灭了。表明晶闸管断路了。若在控制极上接反向电压，则晶闸管无论如何都不能导通。由此可见，要使晶闸管导通必须具备以下条件：

（1）晶闸管阳极和阴极间加正向电压。

（2）控制极—阴极间同时施加适当的正向触发电压。

欲使导通状态的晶闸管截止，可以采用：

（1）低阳极电压或增大该回路电阻，使流通电流小于维持电流。

（2）将导通的晶闸管施加反向电压。

图2-24是晶闸管的阳极电压、阳极电流和门极电流三者的关系曲线，图中横轴为阳极电压，纵轴为阳极电流，并以门极电流I_G作为参考量，可分两个工作区来说明问题，即第一象限的正向工作区和第三象限的反向阻断区。

（1）正向伏安特性。在门极无信号或控制回路断开时，因J₂是个反向结，晶闸管加以不大的电压后，管中只有小的漏电流流过，晶闸管的阳极—阴极间呈现很大的电阻，其曲线接近横轴，晶闸管处于阻断状态。随着正向电压的不断升高，正向的漏电流也不断的增大，曲线开始上翘，当电压上升到一定值时，晶闸管变阻断状态为导通状态，此电压称为“正向转折电压”以U_DSM表示，即曲线OA段。这个电压虽不至于烧坏管子，但不可多次重复施加。

一旦晶闸管导通后，管子流过的电流虽很大，但阳—阴极的管压降ΔU却很小，仅1V左右，故曲线较陡直，且靠近纵轴。若降低阳极电压或增大负荷电阻，阳极电流相应下降，当下降至某一值时，管子将由导通状态转为阻断状态，该电流称为“维持电流”以I_H表示。

（2）反向伏安特性。晶闸管施加反向电压时，由于J₁、J₃是反向结，管子不通，但仍然有极小的反向阳极电流，称“反向漏电流”曲线接近横轴当反向阳极电压加大至一定值时，即OB段曲线，反向漏电流急剧增大，特性曲线突然下弯，这时的阳极电压称为“反向击穿电压”，以U_RB表示。

（3）门极特性。当门极上施以正向电压，并使控制电流I_g达到一定值时，管子能在较低的阳极电压下转折导通。控制极电流I_g越大，正向转折电压越低，特性曲线向左偏移，如图2-25所示。