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1、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
2、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,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,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。,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
3、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,+4,2.两种半导体,（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。,多余价电子,N 型半导体结构示意图,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,P 型半导体结构示意图,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
4、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。,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,R,2.PN 结的单向导电性,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入
5、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,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,R,（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
6、止,结 论,点接触型二极管,1.二极管的结构和符号,三、半导体二极管,二极管的型号,例如：2 C K 18 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,死区电压 硅管0.5V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,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
7、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）,4.分析、应用举例,二极管的应
8、用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,其中：US=5V，R=1K,解：所示电路中二极管处于导通状态，因此：,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=30.3=2.7V,VDA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。,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,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,uo,u2,u2,u1,
9、uD,io,io,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,uD,2.工作原理,VD,u2正半周,负,输出电压平均值（U0）：,输出电压波形：,3.电路计算,uo,u2,u1,io,RL,T,uD,VD,uO,t,0,t,t,t,2,3,uO,u2,u2,u1,uD,uD,iO,iO,VD,RL,T,2,3,Im,2,2,3,3,UO=0.45U2,ID=IO,U2=2.22 UO,0,0,0,VD1和VD3导通,VD2和VD4截止(相当于开路),第8章,u2,T,u1,RL,uo,io,2.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V D1VD4
10、 及负载 RL 组成。,VD4,VD3,VD2,VD1,第8章,u2,T,u1,RL,VD4,VD3,VD2,uo,io,2.整流工作原理,u2负半周,VD1,VD2和VD4导通，VD1和VD3截止,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,2,3,Im,2,2,3,3,uD1,uD3,uD4,uD2,3.电压、电流的计算,UO=0.9U2,IO=0.9I2,I2=1.11 IO,U2=1.11 UO,uO,u2,uD,iO,第8章,例：已知负载电阻RL=180，采用单向桥式整流电路，要求通过负载电流的平均值I0=0.5A，选择整流电路中的二极管及变压器。,第8章,故选择2CZ54D，最大整流电
11、流为0.5A，最高反向电压为 200V的二极管。,接上页：,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,u2,T,u1,RL,VD1,VD4,VD3,VD2,uo,io,uC,a,u0,RL接入（且RLC较大）
12、时,忽略整流电路内阻,没有电容时的输出波形,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：,u2,t,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,u0,2.工作波形,u2,T,u1,RL,VD1,VD4,VD3,VD2,uO,iO,uC,t,iD,uO,0,t,t1,t4,t3,t2,0,分析RL未接入时的情况：,充电结束,忽略整流电路内阻,u2,u1,b,D4,D2,D1,D3,RL,S,C,u0,uo,u2,uD,io
13、,VD,RL,T,u1,t,0,2,3,3.半波整流电容滤波电路,估算公式:UO=1.0U2,UDR,u2,（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,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，,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。,结论,例：某负载要求直流电压U0=30V，直流电流I0=0.5A，采用带电容滤波的单相桥式整流电路做直流电源。试计算滤波电容器的电容量
14、并确定其最大工作电压的值。,故选择允许最大工作直流电压为50V的电容器即可,第四节 稳压管及稳压电路,IF,UF,0,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,2.最小稳定电流 Imin,3.最大稳定电流 IZmax,IZ,UZ,4.最大允许耗散功率PM,IF,UF,Imin,IZmax,二、硅稳压管稳压电路,1.稳压电路的工作原理,T,RL,C,Ui,Uo,u2,io,u1,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：,当Ui增加使U0升高时,T,RL,C,Ui,Uo,u2,io,u1,IZ,当RL减小，
15、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 IOmax,3.总结及注意：,RL,Ui,Uo,io,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,教学目标：1.理解PN结单向导电性；2.了解二极管、稳压二极管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数意义；3.掌握单相整流电路工作原理并能简单计算，会选择整流二极管；4.了解滤波器的组成及工作原理，掌握电容滤波电路的计算及滤波电容的选择；5.了解硅稳压二极管稳压电路及其工作原理。作业：8-1；8-4；8-5；8-9,
