第6章 电工电子课件

16.1半导体的导电特性6.2半导体二极管6.3稳压二极管6.4整流、滤波及其稳压电路Commutate、FilterandManostat第六章整流、滤波及稳压电路一、本征半导体现代电子学中，半导体材料多为硅和锗，它们的最外层电子(价电子)都是四个。Si硅原子Ge锗原子§6.1半导体的导电特性通过一定的工艺过程，可以将纯净半导体制成晶体结构。纯净的单晶体,其原子按一定规则整齐排列，组成某种形式的晶体点阵，这种纯净单晶体称为本征半导体。在硅和锗的晶体结构中，每个原子与相邻原子之间形成共价键，共用一对价电子。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。通常纯净半导体导电率接近绝缘体，当温度升高或掺入杂质后，会使半导体的导电性能与导体相当。4价元素硅和锗的共价键结构共价键的共用电子对+4+4+4+4两个共用电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下，本征半导体中的束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子为8个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4当温度升高或受到光照,共价键中的束缚电子会热激发成为自由电子,同时在共价键中留下一个空位,称为空穴。本征半导体中的自由电子和空穴成对出现,导电性能增加。半导体受温度影响很大。相邻电子填补空位的移动，形成空穴的运动。所以，半导体中形成电流的有两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。二、N型半导体和P型半导体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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴N型半导体（多数载流子为电子，少数载流子为空穴）P型半导体（多数载流子为空穴，少数载流子为电子）N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，在共价键以外,很容易被激发成为自由电子，这样磷原子成为不能移动的带正电离子。因为每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。硅或锗+少量磷→N型半导体1.N型半导体多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi22.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），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。硅或锗+少量硼→P型半导体空穴P型半导体硼原子P型硅表示SiSiSiB硅原子空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体1.PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。三、PN结及的形成及其单向导电性P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区耗尽层、阻挡层PN结处载流子的运动－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++－－－PN结处载流子的运动扩散运动内电场EP型半导体N型半导体漂移运动所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,使空间电荷区宽度不变,类似于没有电荷运动。内电场越强,漂移运动加强,空间电荷区变薄,利于扩散运动扩散使空间电荷区加宽,空间电荷区越宽,内电场越强;2.PN结的单向导电性PN结正向偏置：PN结加正向电压，即P区加高电位、N区加低电位。PN结反向偏置：PN结加反向电压，即P区加低电位、N区加高电位。PN结正向偏置－－－－++++内电场减弱,扩散飘移空间电荷区变窄PN+_外电场内电场－－－－++++正向导通电流多数载流子形成正向电流(mA)PN结反向偏置++++空间电荷区变宽NP+_++++－－－－－－－－外电场内电场－－－－++++少数载流子形成反向饱和电流(μA)内电场加强,扩散＜飘移3PN结的单向导电性:PN结正向偏置时导通,(P区加高电位，N区加低电位).PN结反向偏置时截止.(P区加低电位，N区加高电位).一、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。PN§6.2半导体二极管PN1.符号阳极阴极D2CP112AP12硅普通序号锗面接触型:结面大,允许通过的电流较大,用于低频整流.点接触型:结面小,允许通过的电流较小,用于高频检波,脉冲数字电路及小电流整流电路.2.类型:半导体二极管图片1二、伏安特性U/VI/mA反向击穿电压UBR40V～200V死区电压:硅管0.5V锗管0.1VUIE+-导通压降:硅管0.6~0.7V锗管0.2~0.3V反向漏电流（很小，μA级）RD+-+-正向特性反向特性UI理想二极管特性1.最大整流电流IDM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。超过就会使PN结烧坏。2.最大反向工作电压UDRM保证二极管不被反向击穿时的电压值。击穿时电流剧增，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UDRM一般是电压UBR的一半。三、主要参数3.最大反向电流IDRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明二极管单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度影响大，温度越高反向电流越大。硅管反向电流较小，锗管反向电流要比硅管大几十到几百倍。四.二极管的应用:1.二极管的钳位作用:ABRL+12vD1D2输出输入5v5v5v005v05v0000LBA逻辑真值表设D均为理想二极管为与逻辑门电路，与逻辑的关系式：L=A·B111001010000LBA2KAD1D25v010v例2UA0=10vA)D1D2均导通;B)D1导通,D2截止;C)D2导通,D1截止;D)D1D2均截止.例1D1D25v2K10vA0A)D1D2均导通;B)D1导通,D2截止;C)D2导通,D1截止;D)D1D2均截止.UAO=-5v选择并求UAO2.二极管的限幅作用+-5VRuiuoD例1ui=10sinωtv解:ui5v,D导通ui5v,D截止uotuit10v5v5v解:D导通时uo=uiD截止时uo=5v4例2+-R1uiuoD1D2R3R21K4K4vui=10sinωtV，D1、D2均为理想二极管,试画出输出电压uo的波形.uot-4vuit10V-5v解:ui正半周,D1、D2均截止ui负半周,D1导通,uR2=4/5ui当uR2-4,D2导通,uo=-4v→ui＜-5vuR2-4v,D2截止,uo=uR2→ui＞-5v例3：硅二极管:死区电压=0.5V,正向导通压降=0.7V锗二极管：死区电压=0.1V,正向导通压降=0.3V理想二极管：正向压降=0，反向电流=0。RLuiuOuiuott二极管半波整流例4：二极管的应用RRLuiuRuotttuiuRuoCRCtb,微分电路•电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整流电路滤波电路稳压电路•整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3•滤波电路:将脉动直流电压转变为平滑直流电压u4•稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。§6.4整流、滤波及稳压电路整流电路的任务：把交流电压转变为脉动直流电压常见的小功率整流电路:单相半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流等。为分析简单起见，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。u0时，二极管导通。iLu1uaTbDRLuo忽略二极管正向压降:uo=uu1uaTbDRLuoiL=0u0时，二极管截止,输出电流为0。uo=0一、单相半波整流电路tωuo(4)输出电压平均值(Uo)：(1)输出电压波形：u1uaTbDRLuoi0()∫===π022245.0π2tdsin2π21UUtUUoωω(3)二极管上承受的最高电压：22UUDRM=(2)二极管的平均电流:(5)变压器副边电流有效值：()2d)sin(π2102mmIttII==∫πωω()πωωπmmoIttII==∫0dsinπ21(6)变压器副边电流平均值：oDII=57.1=oII二.单相桥式整流电路的工作原理桥式整流电路u正半周时的电流通路u1uTD4D2D1D3RL+-ABUoIO桥式整流电路-+u1uTD4D2D1D3RLu负半周时电流通路BAU0IO二.单相桥式整流电路的工作原理5u0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A→D1→RL→D3→Bu0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:B→D2→RL→D4→A输出是脉动直流电压！utωtω桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2uD3,uD1tωUouD4D2D1D3RLUoABIOIO+--+几种常见的硅整流桥外形：+AC-~+~-~+-~整流电路的主要参数全波整流时，负载电压u0的平均值U0为:()∫===π02229022dsin2π1U.UttUUoπωω变压器副方电流有效值:LLORU.RUI2090==1.整流输出电压的平均值00211.19.0IIRUIL===负载电流平均值:U为变压器副边交流电压的有效值tωuo0ππ2UouD4D2D1D3RL平均电流(ID)与反向峰值电压(UDRM)是选择整流管的主要依据。LoDRU.II245021==22UUDRM=例如：在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流ID是负载平均电流的一半。二极管截止时承受的最大反向电压：2.平均电流与反向峰值电压uD4D2D1D3RL例6-3单相桥式整流电路中要求输出电压UO=12V,电流IO=10mA,试选择二极管并确定变压器副边电压和电流的有效值。解:ID=(1/2)IO=5mAUDRM=√2U=√2UO/0.9=√212/0.9=18.9V选择二极管时将UDRM选大一倍左右,根据元件手册选2CP11,其最大整流电流为100mA,最高反向电压为50V。变压器副边电压:U=1.1UO=1.112V=13.2V变压器的副边电流为:I=1.1Io=1.110mA=11mA考虑到变压器绕组及二极管正向的压降,变压器副边电压大约要高出13.2V的10%左右.滤波电路的结构特点:电容C与负载RL并联，或电感L与负载RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波较平直的直流电压原理：利用储能元件电容XC(或电感XL)随频率f变化的特点,滤掉整流电路输出电压中的高次谐波分量成份，保留其低次谐波分量和直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。三、滤波电路以单相桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。一、滤波原理桥式整流电容滤波电路au1uu1bD4D2D1D3RLuoSC+–1.电容滤波电路1.RL未接入时(忽略整流电路内阻)utuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形au1uu1bD4D2D1D3RLuoSC+–2.RL接入(且RLC较大)时(忽略整流电路内阻)utuot电容通过RL放电,当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,uo会逐渐下降。au1uu1bD4D2D1D3RLuoSC+–6utuot只有整流电路输出电压大于uo时,才有充电电流iD。因此整流电路输出电流的波形是脉冲波。整流电路二极管电流iDauoubD4D2D1D3RLSC+–iD可见,采用电容滤波时,整流管的导通角较小。放电时间常数大CRL=2τRLrrRLC充电时间常数很小rCCRrL2)//2(1≈×=τ+u-utuot电容充电时,电容电压滞后于u。整流电路二极管电流iDRLC越小,输出电