电工电子第六章

第6章半导体二极管及其应用返回武汉工程大学电工教研室目录•6.1半导体基础知识•6.2半导体二极管•6.3二极管的应用•6.4特殊二极管•6.5直流稳压电源6.1半导体的导电特性半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性本征半导体就是完全纯净的半导体。应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.硅的原子结构纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体——晶体管名称的由来本征半导体晶体结构中的共价健结构6.1.1本征半导体SiSiSiSi共价键价电子自由电子与空穴6.1.1本征半导体共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子同时在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiSi自由电子热激发与复合现象由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-----热激发6.1.1本征半导体自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象温度一定时，本征半导体中的自由电子—空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子—空穴对数目越多。SiSiSiSi自由电子空穴半导体导电方式在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。载流子自由电子和空穴因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。6.1.1本征半导体SiSiSiSi价电子空穴当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动6.1.2N型半导体和P型半导体N型半导体在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。电子型半导体或N型半导体SiSiP+Si多余电子6.1.2N型半导体和P型半导体P型半导体在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。空穴型半导体或P型半导体。SiSiB-Si空穴6.1.2N型半导体和P型半导体不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。返回6.1.3PN结PN结的形成自由电子PN空穴PN结是由扩散运动形成的PN结的形成自由电子PN空间电荷区内电场方向空穴PN结的形成扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定外加电压平衡破坏扩散强漂移强PN结导通PN结截止PN结的单向导电性1外加正向电压使PN结导通PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流——正向电流–+变窄PN内电场方向外电场方向RIPN结的单向导电性2外加反向电压使PN结截止PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流----反向电流特点:受温度影响大原因:反向电流是靠热激发产生的少子形成的+-变宽PN内电场方向外电场方向RI=0PN结的单向导电性结论PN结具有单向导电性（1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。返回6.2半导体二极管PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型表示符号伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压半导体二极管的伏安特性是非线性的。正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管：0.1伏左右。正向压降：硅管：0.7伏左右，锗管：0.2~0.3伏。伏安特性1正向特性反向电流：反向饱和电流：反向击穿电压U（BR）伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压2反向特性伏安特性的折线化U0U0US主要参数1最大整流电流IOM：二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2反向工作峰值电压URWM:保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3反向峰值电流IRM:二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。应用举例主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。例:图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。VY=+2.7V解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用，DB起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回6.4稳压管一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。1稳压管表示符号：正向+-反向+-IZΔΔUZ2稳压管的伏安特性：3稳压管稳压原理：稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ6.4稳压管4主要参数（2）电压温度系数Uα（1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数6.4稳压管（3）动态电阻（4）稳定电流（5）最大允许耗散功率rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。PZM=UZIZM6.4稳压管例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用当UUZ时,电路不通；当UUZ大于时,稳压管击穿RUUIZZ此时选R，使IZIZM返回6.5直流稳压电源一.组成直流稳压电源由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。变变变变变变变变变变变变变变变变1uto交交交交交交～t2uotoFu交交交交toRutooU返回•电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。•整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压uR。•滤波电路:将脉动直流电压uR转变为较平滑的直流电压uF。•稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出直流电压U0的稳定。二.功能返回以下主要介绍小功率电源中常用的前三种电路。单相整流电路整流电路的任务利用半导体单向导电元件把交流电压转变为脉动的直流电压。整流电路的种类整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流；三相半波、三相桥式全波整流等多种电路。为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。返回单相半波整流电路的工作原理2u1uTDouoiDiLRba电路组成1utot2uotoou当u20时，二极管导通。如果忽略二极管正向压降，则：uo=u2导通iD=io=uo/RL返回单相半波整流电路的工作原理2u1uTDouoiDiLRba电路组成t2uotoou1uto当u20时，二极管导通。如果忽略二极管正向压降，则：uo=0iD=io=0截止返回单相半波整流电路输出电压波形单相半波整流电路输出电压平均值2o2220122sind0.452UUttUU返回单相半波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：单相半波整流电路中二极管上承受的最高反向电压：20.45DoLUIIRDRM22UU2u1uTDouoiDiLRba返回单相桥式全波整流电路的工作原理2u1uTD4ouoiDiLRbaD1D3D2单相桥式全波整流电路组成返回2u1uTD4ouoiDiLRbaD1D3D2to2utoou单相桥式全波整流电路工作原理当u20时，二极管D1、D3导通。返回2u1uTD4ouoiDiLRbaD1D3D2to2utoou单相桥式全波整流电路工作原理当u20时，二极管D2、D4导通。返回2u1uTD4ouoiDiLRbaD1D3D2to2utoou单相桥式全波整流电路的波形toDRuD2D4D1D3返回2o2220122sind0.92UUttUU单相桥式全波整流电路输出电压波形单相桥式整流电路输出电压平均值单相桥式全波整流电路输出电流平均值2oL0.45UIR返回D2oL10.452UIIR单相桥式全波整流电路二极管上承受的最高反向电压：DRM22UU单相桥式全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：2u1uTD4ouoiDiLRbaD1D3D2返回2u1uTD1ouoiDiLRbaD22u单相全波整流电路的工作原理电路组成to2utoou工作原理当u20,D1导通，D2截止；输出uo为全波整流波形。当u20,D2导通，D1截止。返回2o2220122sind0.92UUttUU单相全波整流电路输出电压波形单相全波整流电路输出电压平均值单相全波整流电路输出电流平均值2oL0.45UIR返回D2oL10.452UIIR单相全波整流电路二极管上承受的最高反向电压：DRM222UU单相全波整流电路中二极管的平均电流和输出电流：2u1uTD1ouoiDiLRbaD22u返回思考：单相桥式全波整流与单相全波整流异同单相桥式全波整流单相全波整流变压器二极管反向电压输出电压波形整流元件数量二极管平均电流输出电压平均值无中心抽头4全波有中心抽头222U222UO12IO12I20.9U20.9U全波？？？实际中单相桥式整流应用较多。返回单相桥式整流电路中的整流电桥可由四个整流二极管组成，也可直接用集成的整流桥块代替。＋～～－～～－＋整流桥块二极管桥选择整流元件的主要指标：1.平均整流电流2.反向耐压返回整流桥实物照片返回2u1uTD4ouLRD1D3D2＋～～－2u1uTouLR～～－＋返回滤波电路滤波的基本概念: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。滤波电路就是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。这一过程称为滤波。返回电容滤波电路一、滤波电路1.单相半波整流电容滤波电路2u1uTDouoiDiLRbaC+返回2.单相桥式整流电容滤波电路2u1uTD4ouLRD1D3D2C一、滤波电路返回半波整流滤波电路（C=100UF）波形图整流二极管中的电流滤波输出电压返回半波整流滤波电路（C=470UF）波形图整流二极管中的冲击电流滤波输出电压返回半波整流滤波电路（C=1000UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压返回半波整流滤波电路（C=3300UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压返回半波整流滤波电路（C=6800UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压返回全波整流滤波电路（C=100UF）波形图输出电压二极管冲击电流返回全波整流滤波电路（C=470UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压返回全波整流滤波电路（C=1000UF）波形图二极管冲击电流滤波输出电压返回全波整流滤波电路（C=3300UF）波形图滤波输出电压整流二极管中的冲击电流返回全波整流滤波电路（C=6800UF）波形图整流二极管中的冲击电流滤波输出电压返回一般取L(3~5)2TRC(T为电源电压的周期)近似估算:U0=1.2U2(2)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。一般选管时，取00DFL1(2~3)(2~3)22IUIR二、电容滤波电路的特点(1)输出电压U0与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢U0(平均值)愈大。返回输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0和S也随之改变。如:RL愈小(Io越大),Uo下降多,S增大。(3)输出特性(外特性):1.4U20.9U2Uo0Io电阻负载有电容滤波电阻负载无电容滤波返回结论（1）并联电容滤波后，输出电压直流成份（即输出电压平均值）提高了；脉动成份降低了（即输出波形平滑）。通过以上半波、全波整流电容滤波电路的波形图和分析可以看出：（3）输出电压随输出电流（负载电