半导体二极管及整流电路

第八章半导体二极管及整流电路第二节二极管整流电路第三节滤波电路第四节稳压管及稳压电路第一节半导体的导电特性及PN结自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另有一类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。第一节半导体的导电特性及PN结半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它是共价键结构。本征半导体的共价键结构硅原子价电子一、半导体的导电特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。空穴移动方向电子移动方向1.两种载流子价电子填补空穴结论1.本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。3.温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。2.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。+4+4+4+4+4+4+4+42.两种半导体（1）N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴（2）P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。+4+4硼原子填补空位+3负离子P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子1.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。2.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。结论P区N区1.PN结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向二、PN结及其单向导电性多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。内电场方向E外电场方向RI2.PN结的单向导电性P区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄扩散运动增强，形成较大的正向电流（1）外加正向电压P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR（2）外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行1、空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。2、空间电荷区中内电场阻碍扩散运动的进行。（扩散运动为多子形成的运动）3、少子数量有限，因此由它们形成的电流很小。4、PN结具有单向导电性。正向偏置：P区加正、N区加负电压多子运动增强，PN结导通反向偏置：P区加负、N区加正电压少子运动增强，PN结截止结论正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管1.二极管的结构和符号二极管的符号正极负极三、半导体二极管正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线面接触型二极管N型硅PN结PN结二极管的型号•例如：2CK18•序号•（K--开关、W--稳压、Z--•功能整流、P--检波）•（A、B--锗）•材料（C、D--硅）•二极管2.伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)小结：（1）二极管正向电压很小时，有死区。（2）二极管正向导通时管压降基本固定。导通电阻很小。（3）二极管反向截止时，反向电流很小，并几乎不变，称反向饱和电流。（4）反向电压加大到一定程度二极管反向击穿。3.主要参数（1）最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。（3）最大反向电流IRM指二极管加最大反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等例1.试求下列电路中的电流。（二极管为硅管）二极管为非线性元件在分析计算时和以往线性元件不同下面我们以例子说明。4.分析、应用举例二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。其中：US=5V，R=1K解：所示电路中二极管处于导通状态，因此：mARUIS4.416.056.0+-USRI二极管为电流控制型元件，R是限流电阻。例2：下图中，已知VA=3V，VB=0V，VDA、VDB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。解：VDA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VVDA导通后,VDB因反偏而截止,起隔离作用,VDA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。VDA–12VYABVDBR二极管导通后，管子上的管压降基本恒定。第二节整流电路一、单相半波整流电路1.电路组成uototototo23uou2u2u1uDioioRLT232U22U22U2Im2233uD2.工作原理VDu2正半周负tuo输出电压平均值（U0）：输出电压波形：2022ooU45.0U2tdu21U3.电路计算uou2u1ioRLTuDVDuOt0ttt23uOu2u2u1uDuDiOiOVDRLT232U22U22U2Im2233UO=0.45U2,IO=UORL=0.45U2RLID=IO,UDRM=2U2U2=2.22UOI2=Im2,I2=1.57IO,IO=Im000Im=2U2RL221oiTIVD1和VD3导通,VD2和VD4截止(相当于开路)第8章u2Tu1RLuoio2.整流工作原理+–+–+–—u2正半周二、桥式整流电路1.桥式整流工作的组成由变压器T和二极管VD1VD4及负载RL组成。VD4VD3VD2VD1第8章u2Tu1RLVD4VD3VD2uoio2.整流工作原理—u2负半周VD1+–+–+–VD2和VD4导通，VD1和VD3截止totototo23232U22U22U2Im2233uD1uD3uD4uD23.电压、电流的计算UO=0.9U2,0.9U2RLIO=UORL=UDRM=2U2,IO=0.9I2,I2=1.11IO,U2=1.11UO选用二极管的依据是:ID应小于IOM(最大整流电流）UDRM应小于URM(最高反向工作电压)uOu2uDiOID=IO12第8章滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。第三节滤波电路电容充电电容放电二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电.一、电容滤波电路1.电路组成和工作原理第8章u2Tu1RLVD1VD4VD3VD2uoioCuCau0RL接入（且RLC较大）时u2tu0t忽略整流电路内阻没有电容时的输出波形整流电路为电容充电电容通过RL放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，u0会逐渐下降。具体分析：u1u2u1bD4D2D1D3RLSCu2tu0t忽略整流电路内阻只有整流电路输出电压大于u0的时间区间，才有充电电流。因此整流电路的输出电流是脉冲波。整流电路的输出电流RL接入（且RLC较大）时u1u2u1bD4D2D1D3RLSCu02.工作波形u2Tu1RLVD1VD4VD3VD2uOiOCuCtiDuO2U20tt1t4t3t22U2IOUO0.9U20.45U2全波整流电容滤波电路的外特性''TUO=1.2U2RLC≥(3~5)23.外特性00uou2uDioVDRLTu1Ct0232U2IoUo半波整流电容滤波电路的外特性2U20.9U20.45U24.半波整流电容滤波电路估算公式:UO=1.0U22UDRM=2U2注意:UDRu20分析RL未接入时的情况：u2tu0t整流电路为电容充电充电结束忽略整流电路内阻u2u1bD4D2D1D3RLSCu0一般取2T5)(3CRLdτ(T:电源电压的周期)（1）近似估算:半波Uo=U2，全波Uo=1.2U2。(3)流过二极管瞬时电流很大RLC越大U0越高,负载电流的平均值越大整流管导电时间越短iD的峰值电流越大故一般选管时，取L00DFRU213)~(22I3)~(2I2.电容滤波电路的特点(2)输出电压U0与时间常数RLC有关，希望C足够大。RLC愈大电容器放电愈慢U0(平均值)愈大，输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0也随之改变。如:RL愈小(I0越大),U0下降多。电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。(4)、输出特性(外特性):uL电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL结论二、复式滤波电路1.LC滤波电路RLLC滤波电路输出电压波形更为平滑，滤波效果较好。Tuou2iou1LC第8章TRL2.型滤波器(1)CLC滤波器(2)CRC滤波器uou2iou1LC2C1TRLuou2iou1C2C1R第四节稳压管及稳压电路IFUF0正向特性反向激穿区UZIminIZmaxVZ正极负极符号伏安特性一、稳压管稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。0稳压管的主要参数1.稳定电压UZ2.最小稳定电流Imin3.最大稳定电流IZmax4.动态电阻RZIZUZRZ=IZUZ5.电压温度系数VZT6.最大允许耗散功率PMIFUFIminIZmax直流稳压电源的组成滤波电路整流电路稳压电路负载变压器交流电源各部分电路输出波形二、硅稳压管稳压电路1.稳压电路的工作原理TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1稳压—当输入电压Ui发生变化，负载RL变化时，输出电压基本不变下面分别以两种情况来讨论：U0IZUR=IRR=（IZ+Io）RU0当Ui增加使U0升高时TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1U0IZUR=IRR=（IZ+Io）RU0当RL减小，输出电流增加，使U0减小时2.稳压管参数的选择（1）稳压电路稳压的实质是靠稳压管的调节作用和电阻的补偿作用。（2）使用稳压管时必须串联电阻。（3）在稳压电路中，稳压管通常为反接；UZ=UO，IZmax≥2~3IOmax3.总结及注意：RLUiUZIZVZUoioRIR1.简介随着半导体工艺的发展,现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内