第2章电力电子器件与变换电路1讲课资料

P 型硅
阳极 D 阴极
阴极引线
( b) 面接触型
( d) 符号
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
电力二极管的结构示意图
A
K A
a)
K
A
K
PN
I J
b)
A
K
c)
图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
二极管的外形：
2.2.3 二极管的单向导电性
1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ） 时， 处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。
2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ） 时， 处于反向截止状态，反向电阻较大，反向电流很小。
3. 外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向 导电性，二极管损坏。
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2.2.2 二极管的伏安特性：
特点：非线性
I
正向特性
反向击穿 电压U(BR)
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
P– + N
反向特性
外加电压大于反向击穿 电压二极管被击穿，失去 单向导电性。
硅0.6~0.8V 导通压降 锗0.2~0.3V
U
硅管0.5V, 死区电压 锗管0.1V。
外加电压大于死区电 压二极管才能导通。
➢ 应用场合：电路的接通或断开，或电能变换。 ➢ 特点： 接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落；
断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。
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2.1 半导体的基本知识
2.1.1 导体、半导体和绝缘体 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，如铁、铜、铝等。
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。
（或锑）而形成，也称为 电子型半导体。
+5
自由电子
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2.1 半导体的基本知识
➢ 掺入五价元素后自由电子数目大量增加，自由电子
导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半 导体 或 N型半导体。
➢ 掺杂浓度越大，自由电子数目越多，导电能力越强。 ➢ 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数
载流子。
断开后，电阻为无穷大，没有漏电流。
4
概述
6
概述
7
概述电磁接触器8源自概述电力电子开关：
➢ 构成材料：半导体材料，有内阻，集成结构。 ➢ 工作原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。 ➢ 工作频率：能频繁操作，不同的器件，工作频率不同，如：
晶闸管：50Hz ~ 几kHz IGBT: 5kHz ~ 50kHz MOSFET: 几kHz ~几MHz
束缚电子
+4
+4
Ge
Si
+4
+4
共价键结构 形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。 在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电
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2.1 半导体的基本知识
半导体掺杂 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就
会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂使半导 体的某种载流子浓度大大增加。 2.1.3 N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
电力电子与现代生活
Power Electronics Technology and Modern Life
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电力电子与现代生活
第2章 电力电子器件与变换电路
第2章 电力电子器件与变换电路
第一部分 电子器件与电力电子器件
2.1 半导体基本知识 2.2 半导体二极管及电力二极管 2.3 半导体三极管及电力三极管 2.4 半控型器件——晶闸管 2.5 门极可关断晶闸管GTO 2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ） 2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大 可小，用于高频整流和开关电路中。
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2 .2 半导体二极管及电力二极管
二极管的结构示意图
金属触丝 N型锗片
阳极引线
阴极引线
( a) 点接触型 外壳
铝合金小球 N型硅
阳极引线
PN结 金锑合金
底座
阳极引线 二氧化硅保护层
N型硅 阴极引线
(c ) 平面型
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概述
概述：
➢由前一章我们知道，电力电子器件又称为电力电子开关、功
率开关、或开关器件，那么它与我们常见的电力开关有什么 不同呢？
电力开关：
➢构成材料：金属（铜等）、机械结构 ➢工作原理：借助外力或电磁力，使触头接通或断开。 ➢工作频率：不能频繁操作，无法用频率描述（<0.01Hz） ➢应用场合：用于电路的接通或断开，不能改变电能的性质。 ➢ 特 点： 接通后，接通电阻为零，无电压降落；
➢ 二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。 ➢ 二极管主要特点：单向导电性。 ➢ 主要分为：电子学上的小功率半导体二极管；
电力电子学上的功率型电力二极管。
➢ 2.2.1 二极管的主要结构：
(a) 点接触型: 结面积小、结电容小、正向电流小。用于 检波等高频电路。
(b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于 工频大电流整流电路。
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2.1 半导体的基本知识
2.1.4 P 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元
素，如硼(或铟)而形成，也称为 空穴型半导体。
+3
空穴
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2.1 半导体的基本知识
➢ 掺入三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为这
种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半 导体。
➢ 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少
半导体：有的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。
半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为： • 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 • 往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。
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2.1 半导体的基本知识
2.1.2 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。
状态 参数
电流 电压 阻态
正向导通
正向大 维持1V 低阻态
反向截止
几乎为零 反向大 高阻态
反向击穿
数载流子。
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2.1.5 PN结
1 . PN结的形成
内电场越强，漂移运动
漂移运动 越强，扩散运动越弱
内电场
扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
形成空间电荷区 扩散运动
扩散的结果使 空间电荷区变宽。
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2.1.5 PN结
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2.1.5 PN结
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2 .2 半导体二极管及电力二极管