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1、第1章 半导体二极管及其应用,1.2 半导体二极管,1.3 桥式整流电路及滤波电路,1.4 稳压二极管和稳压管稳 压电路,1.1 PN结及其单向导电性能,第1章 半导体二极管及其应用,本章要求：一、理解PN结的单向导电性。二、了解二极管、稳压管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义。三、会分析含有二极管的电路。四、了解桥式整流电路、滤波电路及稳压管稳 压电路 的工作原理及其应用。,.,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数
2、值。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,1.1 PN结及其单向导电性,1.半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,1.1.1 本征半导体,完全纯净
3、的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动
4、 电子电流(2)价电子递补空穴 空穴电流,注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,1.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（
5、某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,动画,1.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4
6、.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是，N 型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,PN结的形成,载流子的两种运动扩散运动和漂移运动扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓 度高的区域向浓度较低区域的运动。漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的 定向运动。,PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,动画,形成空间电荷区,1.1.4 PN结的单向导
7、电性,1.PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,动画,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,动画,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,二极管的单向导电性,1.二极管加正向电压（
8、正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,1.2 半导体二极管,1.2.1 基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c)平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关
9、电路中。,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,1.2.2 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,1.2.3 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.反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单
10、向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,1.2.4二极管的应用(二极管电路分析举例),定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正(正向偏置)，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负(反向偏置)，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V
11、阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D
12、1起隔离作用。,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,动画,1.4 稳压管及稳压管稳压电路1.4.1稳压管,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3.主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电
13、压。,(2)电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM,(5)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,1.3 整流电路及路滤电路,小功率直流稳压电源的组成直流稳压电源的原理方框图,功能：把交流电压变成稳定的大小合适 的直流电压,1.3.1 整流电路,整流电路的作用:将交流电压转变为脉动的直流电压。,常见的整流电路：半波、全波、桥式和倍压整流；单相和三相整流等。,分析时可把二极管当作理想元件处理：二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。,整流原理：利用二极管的单向导电性,1 单相半波
14、整流电路,2)工作原理,u 正半周，VaVb，二极管D导通；,3)工作波形,u 负半周，Va Vb，二极管D 截止。,1)电路结构,动画,4)参数计算,(1)整流电压平均值 Uo,(2)整流电流平均值 Io,(3)流过每管电流平均值 ID,(4)每管承受的最高反向电压 UDRM,(5)变压器副边电流有效值 I,5)整流二极管的选择,平均电流 ID 与最高反向电压 UDRM 是选择整流二极管的主要依据。,选管时应满足：IOM ID，URWM UDRM,2.单相桥式整流电路,2)工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止。,3)工作波形,uD2uD4,1)电路结构,
15、动画,4)参数计算,(1)整流电压平均值 Uo,(2)整流电流平值 Io(负载电流的平均值),(3)流过每管电流平均值 ID ID=IO/2=0.45 U2/R L,(4)每管承受的最高反向电压 UDRM,(5)变压器副边电流有效值 I I2=U2/R L=IO/0.9=1.11 IO,IO=UO/R L=0.9 U2/R L,例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为 220 V，负载电阻 RL=50，负载电压Uo=110V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。,I=1.11 Io=2 1.11=2.2 A,变压器副边电流有效值,变压器容量 S=U I=122 2.2=207.8 V A,
16、变压器副边电压 U 122 V,可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。,例2：,试分析图示桥式整流电路中的二极管D2 或D4 断开时负载电压的波形。如果D2 或D4 接反，后果如何？如果D2 或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？,解：当D2或D4断开后 电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。,如果D2或D4接反 则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、
17、D3将被烧坏。,如果D2或D4因击穿烧坏而短路 则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。,滤波器,交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。滤波原理：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,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。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。,1.电容滤波器 1)电路结构,2)工作原理,u uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC 增加，uo=uC。,u uC时，二极管截止，电容通过负载RL 放
18、电，uC按指数规律下降，uo=uC。,=uC,3)工作波形,二极管承受的最高反向电压为。,动画,4)电容滤波电路的特点,(T 电源电压的周期),(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间 常数RLC有关。,RLC 越大 电容器放电越慢 输出电压的平均值Uo 越大，波形越平滑。,近似估算取：Uo=1.2 U(桥式、全波）Uo=1.0 U（半波）,当负载RL 开路时，UO,为了得到比较平直的输出电压,(2)外特性曲线,有电容滤波,1.4U,结论,采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。,(3)流过二极管
19、的瞬时电流很大,选管时一般取：IOM=2 ID,RLC 越大O 越高，IO 越大整流二极管导通时间越短 iD 的峰值电流越大。,例：,有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,流过二极管的电流,二极管承受的最高反向电压,变压器副边电压的有效值,解：1.选择整流二极管,可选用二极管2CP11,IOM=100mA UDRM=50V,例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻 RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。,取 RLC=5 T/2,
20、已知RL=50,解：2.选择滤波电容器,可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器,2.电感电容滤波器,1)电路结构,2)滤波原理,对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f 越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。,当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。,LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。,3.形滤波器,形 LC 滤波器,滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。,比 形 LC 滤波器的体积小、成本低。,形 RC 滤波器,R 愈大
21、，C2愈大，滤波效果愈好。但R 大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,稳压管稳压电源,稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。,1)稳压管稳压电路,(2)工作原理,UO=UZ IR=IO+IZ,RL(IO)IR,设UI一定，负载RL变化,UO(UZ),IZ,(1)电路,限流调压,稳压电路,19.3.1 稳压管稳压电路,2.工作原理,UO=UZ IR=IO+IZ,UI UZ,设负载RL一定，UI 变化,IZ,IR,1.电路,3.参数的选择,(1)UZ=UO(2)IZM=(1.5 3)ICM(3)UI=(2 3)UO,(4),为保证稳压管安全工作,为保证稳压管正常工作,适用于输出电压固定、输出电流不大、且负载变动不大的场合。,当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO 升高时，有如下稳压过程：,2.稳压过程,由电路图可知,UO,Uf,UB,UO,IC,UCE,由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。,
