第1章_半导体二极管及整流电路.

第一章半导体二极管及整流电路§1.1PN结一．半导体1．半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体，平时会激发少量的自由电子和空穴，因而具有微弱的导电性；当温度升高或受到光照时，激发的自由电子和空穴对会增多，导电能力加强。常见的半导体材料有硅（Si，14号）和锗（Ge，32号）。硅(锗)的原子结构简化模型惯性核价电子束缚电子硅(锗)的共价键结构自由电子空穴空穴可在共价键内移动2．半导体的导电性载流子：物质内部运载电荷的粒子称为载流子；少数载流子：半导体通过热激发（本征激发）产生的载流子，数量较少；多数载流子：通过掺入杂质形成的载流子，数量较多；复合：当自由电子遇到空穴后会“跌”入空穴，形成共价键，从而使自由电子和空穴同时消失的过程。+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数P型半导体3．P型半导体：在纯净的半导体中掺入三价元素（如硼、镓等）后，形成的半导体称为P型半导体，这种半导体主要靠带正电的空穴导电。N型半导体+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数4．N型半导体：在纯净的半导体中掺入五价元素（如磷、砷等）后，形成的半导体称为N型半导体，这种半导体主要靠带负电的自由电子导电。问题?纯净半导体带什么电？(正电、负电、不带电）P型半导体带什么电？(正电、负电、不带电）N型半导体带什么电？(正电、负电、不带电）半导体中掺入杂质后其导电能力有何变化？温度升高后，半导体的导电能力有何变化？光照加强后，半导体的导电能力有何变化？二.PN结及其单向导电性：1.PN结的形成：把N型半导体和P型半导体放在一起，在两者的交界处将形成PN结。P型N型因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动，所形成的电流称为扩散电流。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。所形成的电流称为漂移电流。多子扩散形成空间电荷区产生内电场少子漂移促使阻止扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结内电场的方向复合视频：PN结的形成2．PN结的单向导电性PN结内电场方向：由N区指向P区；正偏电压：如果P区电位高于N区电位，则称PN结加上正偏电压，或称为PN结正偏；反偏电压：如果P区电位低于N区电位，则称PN结加上反偏电压，或称为PN结反偏；内电场的方向内电场的方向外电场的方向PN外电场与内电场相反阻止少子漂移促进多子扩散扩散电流(较大)此时我们说PN结导通。PN结正偏时：外电场与内电场相反阻止多子扩散促进少子漂移漂移电流(很小)此时我们说PN结截止。PN结反偏时：内电场的方向外电场的方向PNPN结的单向导电特性：当PN结加上足够大的正偏电压时，PN结内形成较大的扩散电流，我们认为PN结导通；当PN结加上反偏电压时，PN结内形成很小的的漏电流，我们认为PN结截止。也就是说：PN结具有单向导电性。§1-2半导体二极管一.二极管的结构及类型1.结构：一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构成了半导体二极管，简称二极管。2.外形和符号：阳极（+）阴极（－）PN3.类型：•按工艺：点接触型、面接触型；•按材料；硅管、锗管等；•按用途：普通、整流、检波、稳压、开关、发光、变容、光敏等。二.二极管的伏安特性1.概念：流过二极管的电流iD与加于二极管两端的电压UD之间的关系或曲线。2.二极管的伏安特性曲线：正向特性-60-40-200.40.8U/V0403020I/mA10（1）正向特性（UD0）死区:外电场不足以克服内电场,电流几乎为零。正向压降:二极管充分导通后两端电压几乎不变,称为正向导通电压或正向压降,硅管一般为0.6~0.8V,常取0.7V,锗管一般为0.1~0.3V,常取0.2V。反向特性二极管的伏安特性曲线（2）反向特性反向饱和电流:二极管反偏时，由于少子的漂移运动形成的漂移电流。该电流很小且不随电压而改变，一般可忽略为零。（3）击穿特性当反向电压增大到一定数值时，二极管的反向电流突然剧增，这种现象称为反向击穿。反向击穿时二极管两端电压几乎保持不变，此电压称为反向击穿电压VB。稳压二极管正是根据此特性制成。VB-60-40-200.40.8U/V0403020I/mA10最大整流电流IF：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。最高反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为VB的一半）。反向漏电流IS：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。最高工作频率fm：主要取决于PN结结电容的大小。理想二极管：正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向压降忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。三.半导体二极管的主要参数以后若不特别说明，均用理想二极管模型分析二极管电路！四.半导体二极管的检测五.特殊半导体二极管1.稳压二极管：稳压二极管，是指利用PN结在反向击穿状态下，其电流可在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的起稳压作用的二极管。稳压管的主要参数有稳定电压、稳定电流、动态电阻、最大耗散功率等。稳压二极管的典型应用电路稳压二极管正常工作于反向击穿状态！2.光电二极管：光电二极管又称光敏二极管，和稳压二极管一样，其PN结也是工作在反偏状态。其特点是：反向电流大小随光照强度的变化而变化。光电二极管常用在光电转换控制器件或光的测量传感器中。3.变容二极管：变容二极管是利用PN结在反偏状态时，其等效电容会随反偏电压变化而变化的特点制作面成。反偏电压越大，结电容越小。常用在彩色电视机的高频头中作电视频道选择或其他需要用电压来控制电容的场合。4.发光二极管：发光二极管又简称为LED，当有电流流过时，它能发出一定颜色的光，发光颜色由半导体材料决定。当流过发光二极管的电流在10~30mA时，其正向压降为1.5~3V。发光二极管常用于作指示或显示器件，目前也用于高效光源。§1-3单相整流电路一.单相半波整流电路1．电路结构2．工作原理：正半周时二极管正偏导通，负半周时二极管反偏截止。半波整流波形图单相半波整流电路~220VUou2abVDRL思考：以下半波整流电路以及输出极性标注是否正确？~220VUou2abVDRL~220VUou2abVDRL~220VUou2abVDRL（1）（2）（3）3．输出电压)(21π20oωtduUo)(sin221π02ωtdωtU=0.45U24．二极管的选择原则：反向击穿电压大于输入峰值电压：整流电流大于负载平均电流：2RM2UULRUII2LF45.0单相半波整流电路的特点：电路简单；输出电压低，脉动幅度大，变压器中流过直流电流，存在直流磁化现象，变压器利用率低。一般用于小功率电源整流电路。单相桥式整流电路二.单相桥式整流电路1．电路结构2．工作原理：+-+-VD1VD4VD3VD2abcd（1）VD1VD4VD3VD2abcdVD1VD4VD3VD2abcdVD1VD4VD3VD2abcd（2）（3）（4）VD1VD4VD3VD2abcdVD1VD4VD3VD2abcdVD1VD4VD3VD2abcdVD1VD4VD3VD2abcd（5）（6）（7）（8）VD1VD4VD3VD2abcdVD1VD4VD3VD2abcdVD1VD4VD3VD2abcdVD1VD4VD3VD2abcd（9）（10）（11）（12）思考：以下桥式整流电路是否正确，如果正确a~d各点应如何连接？~220Vu2RL练习：需要使用四个二极管构成桥式整流电路并给负载电阻RL供电，请完成以下电路。u2RL（a）（b）3．单相桥式整流电路输出电压)(21π20oωtduUo)(sin21π02ωtdωtU=0.9U24．二极管的选择原则：反向击穿电压大于输入峰值电压：整流电流大于负载平均电流：2RM2UULRUII2LF45.021单相桥式整流电路的特点：使用四只二极管；输出电压比半波整流提高一倍低，脉动减小，变压器中流过交流电流，不存在直流磁化现象，变压器利用率提高。在实际整流电路中应用较多。单相全波整流电路三.单相全波整流电路（补充）特点：使用两只二极管；输出波形及电压与桥式整流相同，变压器需要中间抽头。单相全波整流电路输出双极性电压的整流电路四.输出双极性电压的整流电路（补充）特点：使用四只二极管；能同时输出正负电压，变压器需要中间抽头。正负对称电源的典型整流电路。【例1－1】让楼梯、走廊照明灯延长寿命的方法之一是在电路中串入一只整流二极管，如图所示，请回答以下问题：（1）在灯两端标出电压的极性；（2）计算灯两端电压；（3）选择合适的二极管。-+解：（1）在灯两端标出电压的极性；（2）计算灯两端电压；UL=0.45U2=0.45×220=99V（3）选择合适的二极管。V30922RMUU82mAmA21.199LFLLRUII)k(21.14022022LPUR可选择1N4005（URM≥600V，IF=1A）§1-4无源基本滤波电路一.电容滤波电路1．电路结构：电容器与负载并联2．工作原理：利用电容器通交流、阻直流的特性实现滤波3．输出电压：全波整流：UO=(0.9~1.4)U2（通常取1.2）半波整流：UO=(0.45~1.4)U2（通常取1.0）4．特点：电容越大，负载电流越小，滤波效果就越好，适用于小电流负载场合。5．滤波电容选择：全波整流：半波整流：T为交流电周期；电容耐压＞1.4U2LRT2C≥(3~5)LRTC≥(3~5)二.电感滤波电路1．电路结构：电感器与负载串联2．工作原理：利用电感器通直流阻交流的特性实现滤波3．特点：电感越大，负载电流越大，滤波效果就越好，适用于大电流负载场合。电感滤波后输出电压略小于整流后的电压。三.复式滤波电路1．电路结构：由电感（或电阻）与电容一起组成滤波电路；2．特点：电压略有衰减，滤波效果好。§1-5整流滤波电路应用举例【例1－2】图示是供给75W功放模块的双30V正负电源电路：①分析±30V电压获得的原理；②选择二极管的型号；③若测得A端对地电压实为22V，问电路可能是哪个元件出现了故障；④组装时若将二极管VD3正负极接反了，电路会出现什么情况。练习题：P16：7，8，9，10。思考题：P16：1，2，3，4，5；小结无电容滤波有电容滤波半波整流0.45U2(0.45~1.4)U2一般取1.0U2全波（桥式）整流0.9U2(0.9~1.4)U2一般取1.2U2整流电路输出电压平均值Uo题9图题10图例题：如图所示电路，已知输入端A的电位UA=3V，B的电位UB=0V，电阻R接-12V电源，求输出端F的电位。ABRF-12VVD1VD2二极管电路的分析步骤:1.假设所有二极管全部断开；2.求出各二极管两端电位；3.若二极管正偏（UPUN）则导通，若反偏则截止；-12V3V0V4.二极管导通则可视为短路（可用导线代替），截止则可视为开路；5.注意若有多个二极管同时正偏，则让电压高的先导通，导通后重新判断其余各二极管两端电位。3VVD1导通。VD2截止。UF=3V。练习：判断以下电路中各二极管是导通还是截止，并求出A、B间的电压UAB。AB1K12VVD1VD21K9V6V3VRABVD13V6V0VVD1截止。UAB=6V。0V0V-9V-12V-6VVD1导通。VD2截止。UAB=-6V。例题：如图所示电路，已知输入电压Ui=10Sin(ωt)V，电源电动势E=5V。二极管为理想元件，试画出输出电压Uo的波形。5VR+-VDUo+-Uiωt0510Ui/V0VUi5V当Ui5V时VD导通，当Ui5V时VD截止,Uo=5V0510Uo/VωtUo=Ui5VR+-VDUo+-Ui练习：如图所示电路，已知输入电压Ui=10Sin(ωt)V，电源电动势E=5V。二极管为理想元件，试画出输出电压Uo的波形。ωt0510Ui/V0VUi5V当Ui5V时VD导通，当Ui5V时VD截止,Uo=Ui0510Uo/VωtUo=5V5VR+