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答案2.1说明半导体PN结单向导电的基本原理和静态伏-安特性。答:PN结一一半导体二极管在正向电压接法下(简称正偏),外加电压所产生的外电场与内电EE场I方向相反,因此PN结的内电场被削弱。内电场I所引起的多数载流子的漂移运动被削弱,多数载流子的扩散运动的阻力减小了,扩散运动超过了反方向的漂移运动。大量的多数载流子能不 断地扩散越过交界面,P区带正电的空穴向N区扩散,N区带负电的电子向P区扩散。这些载流子在 正向电压作用下形成二极管正向电流。二极管导电时,其PN结等效正向电阻很小,管子两端正向电 压降仅约1V左右(大电流硅半导体电力二极管超过1V,小电流硅二极管仅0.7V,锗二极管约0.3V)。 这时的二极管在电路中相当于一个处于导通状态(通态)的开关。PN结一一半导体二极管在反向电E E压接法下(简称反偏)外加电压所产生的外电场一与原内电场方向相同。因此外电场使原内电场更增强。多数载流子(P区的空穴和N区的电子)的扩散运动更难于进行。这时只有受光、热激 发而产生的少数载流子(P区的少数载流子电子和N区的少数载流子空穴)在电场力的作用下产生漂移运动。因此反偏时二极管电流极小。在一定的温度下,二极管反向电流氏在一定的反向电压范 围内不随反向电压的升高而增大,为反向饱和电流。因此半导体PN结呈现出单向导电性。其静 态伏一安特性曲线如左图曲线所示。但实际二极管静态伏一安特性为左图的曲线。二极管正向导电时必须外加电压超过一定的门坎电压 诉(又称死区电压),当外加电压小于死区电压时,外 电场还不足以削弱PN结内电场,因此正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V,锗二极管约为0.2V,当外加电压大于后内电场被大大削弱,电流才会迅速上升。二极管外加反向电压VVI时仅在当外加反向电压*不超过某一临界击穿电压值 W时才会使反向电流代保持为反向饱和IIv 7电流。实际二极管的反向饱和电流是很小的。但是当外加反向电压 度超过 心后二极管被 电击穿,反向电流迅速增加。2.2说明二极管的反向恢复特性。答案答:由于PN结间存在结电容C,二极管从导通状态(C很大存储电荷多)转到截止阻断状态时,PN结电容存储的电荷尤并不能立即消失,二极管电压仍为=R12V,二极管仍然具有导电性,在*反向电压作用下,反向电流从零增加到最大值,反向电流使存储电荷逐渐消失,二极管两端电压 刃降为零。这时二极管才恢复反向阻断电压的能力而处于截止状态,然后在反向电压作用下,仅流过很小的反向饱和电流。因此,二极管正向导电电流为零后它并不能立即具有阻断反向电压的能力,必须再经历一段反向恢复时间打后才能恢复其阻断反向电压的能力。答 2.3说明半导体电力三极管BJT处于通态、断态的条件。案答:电力三极管BJT处于通态的条件是:注入三极管基极的电流月大于基极饱和电流登5 (巳知B 二 B厂如。三极管的电流放大系数田,有班 CS尸)。这时三极管 、导电性很强而处于最小等效电阻、饱和导电状态,可以看作是一个闭合的开关BJT处于断态的条件是:基极电流吗为零 阳,扁q部用答案2.5说明晶闸管的基本工作原理。在哪些情况下,晶闸管可以从断态转变为通态?巳处于通态的晶 闸管,撤除其驱动电流为什么不能关断,怎样才能关断晶闸管?答:基本工作原理:见课本p36-37;应回答出承受正向压、门极加驱动电流时的管子内部的正反a+a4- fa 1 J馈过程,使i不断增大,最后使i 3,把很大,晶闸管变成通态;撤去门极CT +以冷1电流后由于13,仍可使1一 0 + 劣)很大,保持通态。有多种办法可以使晶闸管从断态转变成通态。dv常用的办法是门极触发导通和光注入导通。另外正向过电压、高温、高的都可能使晶闸管导通,但这是非正常导通情况。要使晶闸管转入断态,应设法使其阳极电流减小到小于维持电流,通常采用使其阳极A与阴极K之间的电压%零或反向。答 2.6直流电源电压 =220V,经晶闸管T对负载供电。负载电阻R = 20Q,电感上=1H,晶闸管擎住案 i1电流 =55mA,维持电流=22mA,用一个方波脉冲电流触发晶闸管。试计算: 如果负载电阻R = 20。,触发脉冲的宽度为300 us,可否使晶闸管可靠地开通?如果晶闸管巳处于通态,在电路中增加一个1KQ的电阻能否使晶闸管从通态转入断态? 为什么晶闸管的擎住电流比维持电流 百大?E丝2+五戒)=虬设晶闸管开通:赤,由此可解出:当 = 300必时,i(r) = 65.8处4 J = 55mA,所以可以使晶闸管可靠导通。I 二史一 =215.7mA= 22mA(2)加入1KQ电阻后,有,不能使晶闸管由通态转入断态。 为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大:擎住电流和维持电流都是在撤去门极驱动电流的条件下定义的,因此阳极电流f 2 。但维持电流是在通态时考虑的,此时管子巳工作在较大电流状态下,管内结温较高,此时的PN结漏电流I。随结温增大,导通能力强,因此必须要降低丑 才能关断晶闸管;而擎住电流是在断态向通态变化时定义的,开始有驱动信号但未完全导通时,晶闸 管工作时间短,结温低,PN结漏电流I。不大,导通能力弱,需要较大的阳极电流才能使管子开通。2.7额定电流为10A的晶闸管能否承受长期通过15A的直流负载电流而不过热?答案答:额定电流为10A的晶闸管能够承受长期通过15A的直流负载电流而不过热。因为晶闸管的额定 电流吕是定义的:在环境温度为40C和规定的散热冷却条件下,晶闸管在电阻性负载的单相、工 频正弦半波导电、结温稳定在额定值125C时,所对应的通态平均电流值。这就意味着晶闸管可以通过任意波形、有效值为1.57的电流,其发热温升正好是允许值,而恒定直流电的平均值与有效值相等,故额定电流为10A的晶闸管通过15.7A的直流负载电流,其发热温升正好是允许值。2.8说明GTO的关断原理。答案答:在GTO的设计制造时,等效晶体管T2的集电极电流分配系数a2较大。当GT。处于通态时,突 加一个负触发电流-Ig,使a2减小,1-a2变大,急剧减小,就是阳极电流七急剧减小,又导 致电流分配系数a2和a1减小,使也急剧减小,又使L、减小。在这种循环不巳的正反馈作 用下,最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下,GTO从通态转入断态。改善电力系统的运行特 性和运行经济性。这类应用将导致电力系统的革命并推动电力电子技术的继续发展。答 2.9说明P-MOSFET栅极电压打控制漏极电流的基本原理。案VV答:当右图中P-MOSFET漏一源极间电压 班为零、栅一源极之间电压 醋也为零时,N型半导体与 P型半导体之间要形成PN结空间电荷区(耗尽层)阻挡层,此时G-S之间和D-S之间都是绝缘的。当漏极D与源极S之间有外加电压时,如果栅极、源极外加电压 芯=0,由于漏极D(N1)与源极S(N2)之间是两个背靠背的PN结(PN1、PN2),无论 踮是正向电压还是负电压,都有一个PN结反偏, 故漏一源极之间也不可能导电。当栅、源极之间外加正向电压0时,醋在G-P之间形成电场, 在电场力的作用下P区的电子移近G极,或者说栅极G的正电位吸引P区的电子至邻近栅极的一侧, 当增大到超过某一值*用抛值时,N1和N2中间地区靠近G极处被G极正电位所吸引的电子数超 过该处的空穴数以后,栅极下面原空穴多的P型半导体表面就变成电子数目多的N型半导体表层,栅 极下由栅极正电位所形成的这个N型半导体表层感生了大量的电子载流子,形成一个电子浓度很高的 沟道(称为N沟道),这个沟道将N1和N2两个N区联在一起,又使N1P这个被反偏的PN结J1消失, 成为漏极D和源极S之间的导电沟道,一旦漏一源之间也有正向电压皿,就会形成漏极电流力。在醋=0时,不能产生电流,口 =0,仅在醋增大到口酣=回成找以后,才使g-p之间的外电场增强,形成自由电子导电沟道,才能产生漏极电流气 这种改变栅极G和源极S之间外加电压,即可控制漏极电流的作用称为电导调制效应。答案堆哲更F邮PET管电瑶2.10作为开关使用时P-MOSFET器件主要的优缺点是什么?答:作为开关使用时,P-MOSFET器件的优点是:输入阻抗高,驱动功率小,驱动电路简单, 工作频率高;其缺点是:通态压降大(通态损耗大),电压、电流定额低。答 2.11列表比较BJT、SCR、GTO、P-MOSFET、IGBT、MCT以及SIT七种可控开关器件对触发(或 案驱动)电流(或电压)波形的要求,及主要优缺点。表 BJT SCR GTO P - MOSFET IGBT MCT SIT 的对器件对触发信号波形的要求开关频率主要优点主要缺点BJT (电流型全控器件)正持续基极电流控制开通;基极电 流为0则关断中通态压降小,通 态损耗小驱动功率大;频率低SCR (电流型半控器件)正脉冲门极电流控制开通;触发信 号不能控制关断低通态压降小,通 态损耗小驱动功率大,频率低GTO (电流型全)正脉冲门极电流控制开通;负脉冲 门极电流(较大)控制关断低通态压降小,通 态损耗小驱动功率大,频率低
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