第3章 CHAPTER 3 场效应管与特殊三极管 基本应用电路 科技前沿——功率模块与功率集成电路 自20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的新型电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。从这一时期开始，电力系统核心电路模块化趋势占技术主导思想，具有代表意义的器件是功率模块（power module）与功率集成电路（power integrated circuit,PIC）。 将多个功放器件封装在一个模块中，称为功率模块。它可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性，而对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路。类似功率集成电路的还有许多名称，可看成是功率集成电路的分类，如： 高压集成电路（high voltage IC,HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（smart power IC,SPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（intelligent power module,IPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（intelligent IGBT）。 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。因为功率集成电路的主要技术难点为： 高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点，最近几年获得了迅速发展。 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。 场效应管(field effect transistor，FET)是仅由多数载流子参与导电的半导体有源器件，它是一种由输入信号电压来控制其输出电流大小的半导体三极管，是电压控制器件。本章首先讨论场效应管分类、结构与工作原理，接着研究场效应管放大器的分析方法、设计应用方法及计算过程，最后探讨了特殊种类三极管的原理与使用方法。本章主要掌握： ① 了解半导体场效应管及其基本特性： 场效应管结构与符号、场效应管的转移特性等； ② 了解场效应管的主要参数、分类及其选择使用方法。理解场效应管放大电路的电路构成、工作原理和电路中各元器件的作用； ③ 能判断放大电路中场效应管三种可能工作状态。能对场效应管放大电路进行分析和设计计算； ④ 能设计和装接场效应管基本放大电路，并能通过调试得到正确结果。能对电路中的故障现象进行分析判断并加以解决； ⑤ 理解特殊三极管工作原理与使用方法。 场效应管按照结构可以分为两大类： 金属氧化物半导体FET(metaloxidesemiconductor FET，MOSFET)和结型FET（junction FET，JFET）。 MOSFET的发明早于双极型晶体管。1933年美国博士Julius Lilienfeld获得了最早关于场效应管的三个专利，在这三个专利中指出了场效应管的物理结构，但是受当时制造实际半导体器件的技术条件制约，他没有制造出任何可实际工作的场效应管器件。直到20世纪60年代中期，才制造出世界上第一款取得工程上成功应用的场效应管器件。尽管当时它的运行速度比BJT要慢得多，但是它具有体积小和功耗低的特点，故易于大规模集成。微处理器和大容量存储器就是由它集成的。JFET的开发先于MOSFET，但是它的应用远不及MOSFET，且只是应用于某些特殊场合，有逐渐被淘汰的趋势（原因之一是JFET的栅极电压和漏极电压的极性相反）。 3.1结型场效应管 JFET是利用半导体的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。结型场效应管有两种结构形式，即N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管。 3.1.1结型场效应管的结构及类型 JFET的结构如图31所示。具体说来，是在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区（用P+表示），形成两个PN结。由两边高浓度P型区引出两个欧姆接触电极并连接在一起称为栅极g(G)，在N型本体材料的两端各引出一个欧姆接触电极，分别称为源极s(S)和漏极d(D)。两个PN结中间的N型区域称为导电沟道。这种结构称为N型沟道JFET。实际剖面图衬底和顶部都是P+型半导体，它们连接在一起（图中未画出），引出的电极称为栅极g。其与源极s和漏极d相连的N+区，是通过光刻和扩散等工艺来完成的隐埋层，其作用是为漏极、源极提供低阻通路。三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出。 图31N型沟道JFET实际剖面图 同样道理，将P型半导体和N型半导体互换，可以构成另一种结型场效应管，即P沟道JFET。所以，结型场效应管有两种结构形式： N型沟道结型场效应管和P型沟道结型场效应管。为了便于分析结型场效应管工作原理，画出其结构示意图，如图32（a）和图32（b）。图32（c）和图32（d）是结型场效应管的电路符号。 图32结型场效应管的结构示意图和符号 3.1.2结型场效应管的工作原理 JFET的主要工作原理是，在D、S间加上电压UDS，则源极和漏极之间形成电流ID，通过改变栅极和源极的反向电压UGS，就可以改变两个PN结阻挡层（耗尽层）的宽度，这样就改变了沟道电阻，因此就改变了漏极电流ID。 1. UGS对导电沟道的影响 假设UDS=0，当UGS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。如图33（a）和图33（b）所示。若UGS的负值（绝对值）再进一步增大，当UGS=UP时两个PN结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称为沟道被“夹断”了，UP称为夹断电压，亦作UGS(off)，此时ID=0，如图33（c）所示。 图33当UDS=0时UGS对导电沟道的影响示意图 2. ID与UDS、UGS之间的关系 假定栅、源电压|UGS|<|UP|，例如UGS=-1V，而UP=-4V，当漏、源之间加上电压UDS=2V时，沟道中将有电流ID通过。此电流将沿着沟道的方向产生一个电压降，这样沟道上各点的电位就不同，因而沟道内各点的栅极之间的电位差也就各不相等。漏极顶端与栅极之间的反向电压最高，如UDG=UDS-UGS=2-(-1)=3V，沿着沟道向下逐渐降低，使源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄，如图34（a）所示。此时，若增大UDS，由于沟道电阻增大较慢，所以ID随之增加。当UDS进一步增加使栅、漏间电压UGD等于UP时，即UGD=UGS-UDS=UP，则在漏极附近，两个PN结的阻挡层相遇，如图34（b）所示，称为预夹断。如果继续升高UDS，就会使夹断区向源极端方向发展，沟道夹断区增加。由于沟道电阻的增长速率与UDS的增加速率基本相同，故这一期间ID趋于恒定值，不随UDS的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于UGS的大小。UGS越负，沟道电阻越大，ID便越小，直到UGS=UP，沟道被完全夹断，ID≈0，如图34（c）所示。 图34UDS对导电沟道和ID的影响 3.1.3结型场效应管的伏安特性 结型场效应管的伏安特性类似于晶体管伏安特性，研究JFET伏安特性也分输出特性与转移特性。 1. 输出特性曲线 输出特性是指栅源电压uGS一定，漏极电流iD与漏极电压uDS之间的关系，即 iD=fuDSuGS=常数（31） 根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域,即： 可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区，如图35所示。 在可变电阻区内，栅源电压越负，输出特性越倾斜，漏源间的等效电阻越大。因此，在可变电阻区中，FET可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。故得名为可变电阻区。 在恒流区（又称为饱和区），其物理过程已经描述。FET用作放大电路时，一般就工作在这个区域。因此，这个区又叫作线性放大区。 在击穿区的特点是，当漏源电压增至一定数值（例如图35中的UDSS）后，由于加到沟道中耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅漏间的PN结发生雪崩击穿，漏极电流迅速上升，故名击穿区。进入雪崩击穿后，管子不能正常工作，甚至很快烧毁。所以，FET不允许在这个区域工作。 当uGS0 的情况。若uGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向是垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场,此电场能排斥空穴而吸引自由电子。排斥空穴使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)形成耗尽层。吸引电子将P型衬底中的电子（少子）吸引到衬底表面。当uGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极之间仍无导电沟道出现，如图39（b）所示。但是，当uGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当uGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道，又因为其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图39（c）所示。uGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的自由电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。开始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用UT表示，亦作UGS(th)。将uGS对iD及沟道的控制作用简要总结一下： N沟道MOS管在uGS＜UT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当uGS≥UT时，才有沟道形成。这种必须在uGS≥UT时才能形成导电沟道的MOS管，称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏源极间加上正向电压uDS，就有漏极电流产生。 接下来分析uDS对iD的影响。 如图310(a)所示，当uGS>UT且为一确定值时，漏源电压uDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。 图310N沟道增强型MOS管uDS对iD及沟道的控制作用原理图 漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为uGD=uGS-uDS，因而这里沟道最薄。但当uDS较小（uDS0，UP1 — 一般 一般 共漏极 ≈1 — 一般 低 共栅极 >1 ≈1 低 一般 注： 表格中的“—”表示通常不研究。 共源极放大电路的输出电压与输入电压反相，共漏极和共栅极放大电路的输出电压与输入电压同相。在一般情况下，共源极和共栅极电路的电压增益远大于1，而共漏极放大电路的电压增益近似为1，所以共漏极放大电路又被称为源极跟随器。 输入信号的频率较低时，共源极电路和共漏极电路从栅极看进去的输入电阻几乎为无穷大。然而对于分立元件的放大电路，其输入电阻是偏置电路的戴维南等效电阻。共栅极电路的输入电阻一般为几百欧姆。共漏极输出电阻为几百欧姆或更小。 共源极和共栅极电路的输出电阻主要取决于RD。 场效应管的型号比较多，相应的转移特性曲线和输出特性曲线也各不相同，如表32所示。 表32各种场效应管的转移特性和输出特性曲线 分类 符号 转移特性曲线 输出特性曲线 结 型 场 效 应 管 N 沟 道 P 沟 道 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 N 沟 道 增 强 型 耗 尽 型 续表 分类 符号 转移特性曲线 输出特性曲线 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 P 沟 道 增 强 型 耗 尽 型 3.4特殊场效应三极管与应用电路 随着电子科技日新月异的发展，三极管的种类越来越丰富。本节只介绍电子设计工程中最常见的几种类别。 3.4.1绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫的频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。 1. IGBT原理及等效电路 IGBT管的开通和关断是由栅极电压来控制的，IGBT管的等效电路如图323 所示。 图323IGBT管的等效电路 由图323可知，当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使 IGBT管导通，此时高耐压的IGBT管也具有低的导通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT管即关断。IGBT管与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极、发射极间施加十几伏的直流电压，只有微安级的漏电流，基本上不消耗功率，显示了输入阻抗大的优点。IGBT的电路符号目前仍然没有统一的画法，图323（a）和图323（b）为IGBT管最常见的电路符号。 若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通； 若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极发射极间施加十几伏的直流电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。 2. IGBT的擎住效应和安全工作区 以N型IGBT管为例研究其安全工作区，画出其内部结构与等效电路如图324所示。 图324IGBT的结构、简化等效电路 1） 结构特点 (1) 寄生晶闸管： 由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成。 (2) 正偏安全工作区（FBSOA)： 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。 (3) 反向偏置安全工作区（RBSOA）： 最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。 (4) 擎住效应或自锁效应： 沟道电阻上产生的压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用。电流失控，动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期逐渐解决，即将IGBT与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。 2） 使用注意事项 IGBT管的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，IGBT管的UGE 的耐压值为20V，在IGBT管加超出耐压值的电压时，会导致损坏的危险。此外，在栅极发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过，这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT管发热乃至损坏。在应用中，有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压，为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT管就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在栅极发射极之间接一只10kΩ左右的电阻。 此外，由于IGBT管含有场效应管结构，对于静电就要十分注意。因此，在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部分。当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电放电后，再触摸。在用导电材料连接IGBT管的驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作，如焊接时，电烙铁要可靠接地。 3. IGBT的应用 通过检测IGBT饱和压降实现短路保护。 IGBT通常工作在逆变桥上，并处于开关工作状态, 若设计不当，易发生短路现象。对 IGBT器件的短路保护，常用的方法是通过检测IGBT的饱和压降UCE(sat)，配合驱动电路来实现，如图325所示。 图325检测 IGBT饱和压降实现短路保护电路图 其工作原理如下： 当过电流或者短路发生时，UCE(sat)=ICRCE(sat)，若IC 升高，则UCE(sat)升高。此时通过快恢复二极管检测的UCE(sat)>UREF(在比较器输入端设定的电压值)，比较器输出为高电平(输入AND（与门）输入端的一侧)； 若UG 增大时，检测线路UCE(sat)≥UREF(有过电流时)情况发生，AND（与门）输出高电平，使保护电路动作，栅极驱动无驱动信号输出。通常保护电路必须在10μs内关断IGBT。如果在保护电路中，采用先降低栅电压实现器件软关断，可以减少IGBT的关断应力，甚至延长保护电路动作时间。 3.4.2光电三极管及其应用电路 光电三极管工作原理是根据光照强度来控制集电极电流的大小，其功能可以等效为一个光电二极管与一个BJT相连，如图326所示。 图326光电三极管等效电路、符号和外形 与晶体三极管相似，光电三极管也是具有两个PN结的半导体器件，所不同的是其基极受光信号的控制。由于光电三极管的基极即为光窗口，因此大多数光电三极管只有发射极e和集电极c两个管脚，基极无引出线。 光电三极管分为 NPN 型和 PNP 型两大类，如图326（b）和图326（c）所示。在有光照时，NPN 型光电三极管电流从集电极c 流向发射极e，PNP 型光电三极管电流从发射极e流向集电极c。 光电三极管的特点是不仅能实现光电转换，而且同时还具有放大功能。光电三极管可以等效为光电二极管和普通三 图327光电三极管的输出特性曲线 极管的组合元件，如图326（a）所示。 光电三极管基极与集电极间的PN结相当于一个光电二极管，在光照下产生的光电流又从基极进入三极管放大，因此光电三极管输出的光电流可达光电二极管的β倍。 光电三极管与普通三极管的输出特性曲线相似，只是将参变量基极电流IB用入射光照度E取代，如图327所示。无光照时的集电极电流称为暗电流ICEO，它比光电二极管的暗电流大两倍。暗电流受温度的影响很大，温度每上升25℃，ICEO上升约10倍。有光照时的集电极电流称为光电流。当管压降uce足够大时，iC几乎仅仅决定于入射光照度E。对于不同型号的光电三极管，当入射光照度E为1000lx时，光电流从小于1mA到几毫安不等。 使用光电三极管时，也应特别注意不同光电三极管给出的极限参数，不要超过极限参数。 如图328所示，是光电三极管在煤气熄火报警中的应用电路。T1是光电三极管，与T2、T3等组成开关电路，控制着由IC555等组成的多谐振荡器电路。煤气火焰正旺时，T1导通，T2、T3截止，IC555不振荡，喇叭无声音。当火苗被溢出的水或者风熄灭后，T1失去炉火的光照，T2、T3导通，IC555的地被接通，开始工作，喇叭发出声音提醒相关人员赶快关断煤气，避免发生煤气中毒的危险。其中R1、R2、C的具体取值，由下式确定 T=(R1+2R2)Cln2(328) 式中的T为输出振荡周期，其倒数为频率，把频率设置为人耳可以听见的范围。 图328光电三极管煤气熄火报警电路 3.4.3单结晶体管及其应用电路 根据PN结外加电压时的工作特点，还可以由PN结构成其他类型的三端器件。本节将介绍利用一个PN结构成的具有负阻特性的器件，即单结晶体管。 1. 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（unijunction transistor）。其结构示意图如图329（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329（b）所示，即N型单结晶体管。如果将P型N型两种材料互换，那么形成P型单结晶体管如图329（c）所示。本节所述的单结晶体管原理及应用均以N型单结晶体管为例。 图329单结晶体管的结构示意图、符号和等效电路 单结晶体管的等效电路如图329（d）所示，发射极所接P区与N区硅棒形成的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b1之间的等效电阻为rb1，二极管与基极b2之间的等效电阻为rb2。rb1的阻值受eb1间电压的控制，所以等效为可变电阻。 2. 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330（a）所示，虚线框内为单结晶体管的等效电路。 当b2b1间加电源UBB，且发射极开路时，A点电位为 UA=rb1rb1+rb2×UBB=ηUBB（329） 式中η称为单结晶体管的分压比，其数值主要与管子的结构有关，一般在0.5~0.9。基极b2的电流为 IB2=UBBrb1+rb2（330） 当eb1间电压UEB1为零时，PN结承受反向电压，其值UEA=-ηUBB。发射极的电流IE为二极管的反向电流，记作IEO。若缓慢增大UEB1，则PN结端电压UEA随之增大； 并由反向电压变成正向电压。若UEB1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。此时，空穴浓度很高的P区向电子浓度很低的硅棒的Ab1区注入非平衡少子； 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，会使其压降减小，导致PN结正向电压增加，IE必然随之增大，注入的载流子将更多，于是rb1进一步减小； 当IE增大到一定程度时，二极管的导通电压将变化更多，于是rb1进一步减小； 当IE增大到一定程度时，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，表现负阻特性。 图330单结晶体管特性曲线的测试 所谓负阻特性，是指输入电压（即UEB1）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。 一旦单结晶体管进入负阻工作区域，输入电流IE的增加只受输入回路外部电阻的限制，除非将输入回路开路或者将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330（b）所示，当UEB1=0时，IE=IEO； 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（329）所示，Uon为PN结开启电压，此时IE=IP（峰点电流）； UEB1=UV（谷点电压），IE=IV（谷点电流）,UV取决于PN结的导通电压和rb1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330（b）所标注。 单结晶体管的负阻特性使其广泛应用于定时电路和振荡电路之中。 3. 应用举例 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、一定幅值的电压或者电流信号。图331（a）所示为单结晶体管组成的振荡电路。 图331单结晶体管组成的振荡电路 在图331（a）所示的电路中，当刚开始通电时，电容C上的电压为零，管子截止，电源UBB通过电阻R对C充电，随时间增长电容电压uC（即uEB1）逐渐增大； 一旦uEB1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，uE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331（b）所示。 3.4.4晶闸管及其应用电路 根据PN结外加电压时的工作特点，利用三个PN结构成的大功率可控整流器件，即晶体闸流管，简称晶闸管（thyristor）。也称为硅可控元件。多用于可控整流、逆变、调压等电路，也可作为无触点开关。 1. 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，常常需要安装散热片，故其外形都制造得便于安装和散热。常见的晶闸管外形有螺栓形和平板形，如图332所示。此外，其封装形式有金属外壳和塑料外壳等。 图332晶闸管的外形 晶闸管的内部结构示意图如图333（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，分别为P1、N1、P2和N2，它们的接触面形成三个PN结，分别为J1、J2和J3，故晶闸管也称为四层器件或PNPN器件。P1区的引出线为阳极A，N2区的引出线为阴极C，P2区的引出线为控制极G。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个部分，使得P1N1P2构成一只PNP型管，N1P2N2构成一只NPN型管，如图333（b）所示； 用晶体管的符号表示等效电路，如图333（c）所示； 晶闸管的符号如图333（d）所示。 图333晶闸管的结构、等效电路和符号 2. 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处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。 当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时，如图334所示，J3处于导通状态。若T2管的基极电流为IB2，则其集电极电流为β2IB2； T1管的基极电流IB1等于T2管的集电极电流β2IB2，因而T1管的集电极电流IC1为β1β2IB2； 该电流又作为T2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内（一般不超过几微秒），两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。晶闸管一旦导通后，阳极和阴极之间的电压一般为0.6~1.2V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上； 阳极电流IA因型号不同变化范围为几十安至几千安。 图334晶闸管的工作原理 晶闸管如何从导通变为阻断呢？如果能够使阳极电流IA减小到小于一定数值IH，导致晶闸管不能维持正反馈过程，管子将关断，这种关断称为正向阻断，IH称为维持电流； 如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反相阻断。因此，控制极只能通过加正向电压控制晶闸管从阻断状态变为导通状态； 而要使晶闸管从导通状态变为阻断状态，则必须通过减小阳极电流或改变阳极阴极电压极性的方法实现。 3. 晶闸管的伏安特性 以晶闸管的控制极电流IG为参数变量，阳极电流i与AC间电压u的关系称为晶闸管的伏安特性，即 i=f(u)|IG（331） 图335所示为晶闸管的伏安特性曲线。 u>0时的伏安特性称为正向特性。从图335所示的伏安特性曲线可知，当IG=0时，u逐渐增大，在一定限度内， 图335晶闸管的伏安特性曲线 由于J2处于反向偏置，i为很小的正向漏电流，曲线与二极管的反向特性类似； 当u增大到一定数值后，晶闸管导通，i骤然增大，u迅速下降，曲线与二极管的方向特性类似； 电流的急剧增大容易造成晶闸管损坏。晶闸管正向临界导通时阳极阴极电压u称为转折电压UBO。正常工作时，应在控制极和阴极间加触发电压，因而IG大于零； 而且IG愈大，转折电压愈小，如图335所示。 u<0时的伏安特性称为反向特性。从图335所示的伏安特性曲线可知，晶闸管的反向特性与二极管的反向特性相似。当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压时，由于J1和J3均处于反向偏置，因而只有很小的反向电流IR； 当反向电压增大到一定数值时，反向电流骤然增大，管子击穿。 4. 晶闸管的主要参数 (1) 额定正向平均电流IF： 在环境温度小于40摄氏度和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管阳极的工频（50Hz）正弦波半波电流的平均值。 (2) 维持电流IH： 在控制极开路且规定的环境温度下，晶闸管维持导通时的最小阳极电流。正向电流小于IH时，管子自动阻断。 (3) 触发电压UG和触发电流IG： 室温下，当u=6V时使晶闸管从阻断到完全导通所需的最小控制极直流电压和电流。一般，UG为1~5V，IG为几十至几百毫安。 (4) 正向重复峰值电压UDRM： 控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般UDRM=UBO×80%,UBO是晶闸管在IG为零时的转折电压。 (5) 反向重复峰值电压URRM： 控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般URRM=UBO×80%。 除以上参数外，还有正向平均电压、控制极反向电压等。 晶闸管具有体积小、重量轻、耐压值高、效率高、控制灵敏和使用寿命长等优点，半导体器件的应用从弱电领域，扩展到整流、逆变和调压等大功率电子电路中。 例33图336（a）所示为可控半波整流电路，已知输入电压ui和晶闸管控制极的电压uG波形如图336（b）所示； 在阳极与阴极间电压适合的情况下，uG=UH时可以使管子导通； 管子的导通管压降可以忽略不计。试定性画出负载电阻RL上电压uo的波形。 图336例33电路及波形图 解当ui<0时，不管uG为UH还是为UL，晶闸管均处于截止状态。当ui>0且uG=UH时，在uG的触发下，晶闸管导通。此时，即使uG变为UL，管子仍然维持导通状态。只有当ui下降使阳极电流减小到很小时，管子才阻断； 可以近似认为当ui下降到零时，管子关断。若管子的导通管压降可忽略不计，在管子导通时，uo≈ui。因此，uo的波形如图336（c）所示。 解题结论晶闸管导通需要两个条件： ①有触发信号； ②满足正向导通电压条件。 本章小结 场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。 (1) 场效应管分类。按照结构的不同，场效应管分为结型和绝缘栅型两种类型，MOS管属于绝缘栅型。每一类型均有两种沟道，N沟道和P沟道，两者的主要区别在于电压的极性和电流的方向不同。MOS管又分为增强型和耗尽型两种形式。 (2) 场效应管工作原理。正确理解场效应管工作原理的关键在于掌握电压uGS及uDS对导电沟道和电流iD的不同作用，并正确理解和掌握预夹断和夹断这两个状态的区别和条件。转移特性曲线和输出特性曲线描述了uGS、uDS和iD三者之间的关系。与三极管相类似，场效应管有截止区（即夹断区）、恒流区（即放大区）和可变电阻区三个工作区域。在恒流区，可将iD看成受电压uDS控制的电流源。gm、UP（或UT）、IDSS、IDM、PDM、U(BR)DS和极间电容是场效应管的主要参数。 (3) 场效应管放大电路分析。在场效应管放大电路中，直流偏置电路常采用自偏压电路（仅适合于耗尽型场效应管）和分压式偏压电路。场效应管共源极及共漏极放大电路分别与晶体三极管共射极及共集电极放大电路相对应，但比晶体三极管放大电路输入电阻高、噪声系数低、电压放大倍数小。 (4) 特殊种类三极管原理与应用。特殊种类三极管主要指电力三极管IGBT、晶闸管以及光电三极管。本章研究了它们的工作原理、应用场合。 习题 3.1选择题。 1. 场效应管（单极型管）与晶体三极管（双极型管）相比，最突出的优点是可以组成输入电阻的放大电路。此外它还有噪声、温度稳定性、抗辐射能力等优于晶体三极管的特点。 A. 高B. 低C. 好D. 强 2. 不定项选择题： 开启电压UT是的参数。夹断电压UP是的参数。 A. 增强型MOS管B.结型场效应管C. 耗尽型MOS管 3.2填空题。 1. 场效应管有、和 三个工作区。放大作用时，工作在。 2. 单结晶体管有个PN结，晶闸管有个PN结。 3.3判断下列说法的正误，在相应的括号内画T表示正确，画F表示错误。 1. 场效应管仅靠一种载流子导电。（） 2. 结型场效应管工作在恒流区时，其uGS小于零。（） 3. 场效应管是由电压即电场来控制电流的器件。（） 4. 增强型MOS管工作在恒流区时，其uGS大于零。（） 5. uGS=0时，耗尽型MOS管能够工作在恒流区。（） 6. 低频跨导gm是一个常数。（） 3.4试判断题图337所示的场效应管放大电路能否进行正常放大，并说明理由。 图337题3.4图 3.5设图338中的MOSFET的UT、UP均为1V，问它们各工作在什么区？ 图338题3.5图 3.6电路如图339（a）所示，图339（b）是器件转移特性曲线，求解电路的Q点、电压增益、输入电阻、输出电阻。 图339题3.6图 3.7如图340所示，设场效应管的gm、rd很大； BJT的电流放大系数为β，输入电阻为rbe。试说明T1、T2各属什么组态，求电路的电压增益、输入电阻、输出电阻。 图340题3.7图 3.8在图341所示的四种电路中，RG均为100kΩ，RD均为3.3kΩ，VDD=10V，VGG=2V。又已知： T1的IDSS=3mA、UGS(off)=－5V； T2的IDSS=－6mA、UGS(off)=4V； T3的UGS(th)=3V；T4的IDSS=－2mA、UGS(off)=2V。试分析各电路中的场效应管工作于放大区、截止区、可变电阻区中的哪一个工作区？ 图341题3.8图 3.9电路如图342所示。已知UDD=30V，RG1=RG2=1MΩ， RD=10kΩ，管子的UGS(th)=3V，且当UGS=5V时ID为0.8mA。试求管子的UGSQ、IDQ、UDSQ。 3.10电路如图343所示。设场效应管的跨导为gm，rds的影响必须考虑，各电容器的电容量均足够大。试求该电路输出电阻Ro的表达式。 图342题3.9图 图343题3.10图