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1、第6章 二极管及直流稳压电路,6.1 半导体的基本知识,6.2 半导体二极管,6.3 稳压二极管,6.4 整流、滤波及稳压电路,6.1 半导体的基本知识,半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,常见半导体材料有硅、锗、硒及金属的氧化物和硫化物等。纯净半导体的导电能力很差。,半导体特性：,热敏特性:温度升高导电能力增强（如钴、锰、镍的氧化物做成的热敏电阻）。光敏特性:光照增强导电能力增强（如镉、铅等硫化物做成的光敏电阻）。掺杂特性:掺入少量杂质导电能力增强。,本征半导体,完全纯净、具有晶体结构的半导体,最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为
2、4。,Si,Ge,共价键,本征半导体晶体中的共价健结构：,每个原子与相邻的四个原子结合。,每个原子的一个价电子与相邻原子的一个价电子组成一电子对，由相邻原子共有，构成共价键结构。,共价键价电子,共价键,价电子,自由电子和空穴同时产生,半导体导电方式,激发,自由电子,温增/光照,外加电压,电子电流,离开,剩空穴（原子带正电）,外加电压,吸引相邻原子价电子填补空穴,好像空穴在运动,空穴电流,与金属导电的区别,硅原子,自由电子,硅原子,半导体中的自由电子和空穴都能参与导电半导体具有两种载流子。,共价键,价电子,小结,本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子的
3、产生与复合会达到动态平衡。温度愈高，载流子数目就愈多，导电性能就愈好温度对半导体器件性能影响很大,N型半导体和P型半导体,在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少的，其导电能力相当低。,如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高。,由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类N型半导体和 P型半导体,1.N型半导体,当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素)时，磷原子与周围四个硅原子形成共价键后，磷原子的外层电子数将是 9，比稳定结构多一个价电子。,P,1.N型半导体,掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目大量增加。这种半导体主要靠自由
4、电子导电，称之为电子半导体或N型半导体。,在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数载流子。,室温情况下，本征硅中载流子有1.51010个/cm3，当磷掺杂量在106量级时，电子载流子数目将增加几十万倍。,当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素)时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼原子的外层电子数将是 7，比稳定结构少一个价电子。,B,2.P型半导体,综上所述，由于掺入杂质的不同，产生了N型半导体和P型半导体。杂质半导体中载流子的浓度远大于本征半导体中载流子的浓度，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个半导体晶体仍是电中性的。,掺硼半导体中，空穴数目远大于自由电子数目。主要靠空穴导
5、电,称为空穴半导体或P型半导体。空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子。,因为载流子带正电或负电，原子则相反带负电或带正电，整个晶体不带电。,？,6.1.3 PN结及其单向导电性,半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。,各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。,1.PN结的形成,P,N,N区一侧因失去电子而留下带正电的离子，P区一侧因失去空穴而留下带负电的离子。,交界处多数载流子扩散到对方并复合掉,内电场阻碍了多子的继续扩散，推动少子的漂移
6、运动，最终达到动态平衡，空间电荷区宽度一定,P区空穴多,N区自由电子多,内电场,耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离子形成空间电荷区；,载流子的运动有两种形式：,扩散 由于载流子浓度梯度引起的载流子从高浓度区向低浓度区的运动。,漂移 载流子受电场作用沿电场力方向的运动。,耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态平衡，这样的耗尽层就是PN结,PN结内电场的方向由N区指向P区。,1.PN结的形成,2.PN结的单向导电性,1)加正向电压,扩散增强,漂移变弱.,I,+,+,-,外电场方向与内电场方向相反，外电场削弱了内电场，使空间电荷区变薄.,PN结两侧的多数载流子能顺利地通过PN结形成较大的正
7、向电流.,外电源不断提供电荷维持电流,PN结呈现低阻导通状态,2)加反向电压,将外电源的正端接N区、负端接P区。,外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽。扩散运动变弱，漂移运动增强，参与漂移运动的载流子是少子，反向电流极小。,P,N,I0,少子是由热激发产生的，即温度愈高少子的数量愈多，故温度对反向电流的影响很大。,PN结具有单向导电性，即正向导通、反向截止,2.PN结的单向导电性,PN结呈高阻截止状态,6.2 半导体二极管 基本结构,将PN结加上电极引线及外壳，就构成了半导体二极管。PN结是二极管的核心。根据所用材料不同，二极管有硅二极管和锗二极管两种。,二极管由 PN 结构成，具有单向导电
8、性。硅二极管的电流-电压关系(伏安特性)如图：,由电压零点分为正向区和反向区。,正向：由死区电压分为死区和导通区(Si-0.5V Ge-0.1V),0-0.5v:正压低外电场小于内电场正向电流 00.5v:正压高外电场大于内电场内电场大大削弱正向电流大,伏安特性,死区,导通区,正向导通压降：Si 0.60.7V Ge 0.20.3V,截止区:负压小漂移强(少子)很小反向电流反向饱和电流。,反向：由击穿电压分为截止区和击穿区。,6.2.2 伏安特性,击穿区:负压大二极管失去单向导电性击穿反向击穿电流不可逆。,击穿原因：碰撞和非碰撞,碰撞:强电场中载流子获大能量碰撞晶格价电子弹出，产生电子空穴对即
9、新的载流子再碰撞晶格雪崩反应，反向电流越来越大反向击穿。,非碰撞:强电场直接将共价键中价电子拉出，产生电子空穴对，形成较大反向电流。,二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一些数据进行说明,这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有：,1.最大整流电流IOM 二极管长时间使用所允许通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，为反向击穿电压的1/2至2/3。,3.反向峰值电流IRM 二极管加反向峰值电压时的反向电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差，硅管的此参数值为微安级以下。,6.2.3 主要参数,4.最高工作频率fM 二极管能承受的外施电
10、压的最高频率。若超过则失去单向导电性。PN结两侧的空间电荷与电容极板充电时所储存的电荷类似，称为结电容,6.2.4 二极管的应用,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。,6.2.4 二极管的应用,例1：如图，VA=+3V，VB=0VR接负电源-12V，求VY,多个二极管导通原则：先断开所有二极管，计算各管上电压，谁高谁优先导通。剩下各管再计算电压。
11、大于死区电压导通，否则截止。,解：,UDA=3-（-12）=15V UDB=0-（-12）=12V DA优先导通，导通压降设为0.3V VY=3-0.3=2.7V,+-,+-,UDB=0-2.7=-2.7V DB反向截止。,DA起钳位作用，把VY钳住在2.7V。DB起隔离作用，隔离输入端B和输出端Y。,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2：,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,6.3 稳压二极管6.3.1 伏安特性,
12、稳压管是一种特殊的面接触型二极管。它在电路中常用作稳定电压的作用，故称为稳压管。,稳压管的图形符号：,稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，只是反向曲线更陡一些。,伏安特性,稳压管正常工作于反向击穿区，常见电路如下：,在电路中稳压管是反向联接的。当U i大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿（在一定的电流范围内可逆），电流将增大，电阻R两端的电压增大，稳压管两端的电压基本不变，输出电压U o等于U z。,1、稳定电压Uz 指稳压管正常工作时的端电压。同一型号稳压管UZ 也不一定相等。,2、稳定电流IZ 正常工作的参考电流值。每种型号稳压管都规定有一个最大稳定电流IZM，超过它，易发生热击穿（不可
13、逆），稳压管损毁,IZIZM。,主要参数,3、电压温度系数 U,说明稳压值受温度影响的参数，越小越好。,如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095%/C 假如在20 C时的稳压值为11V，当温度升高到50 C时的稳压值将为,特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。,因此选用6V左右的稳压管，具有较好的温度稳定性。,主要参数,4、动态电阻rZ 稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比。稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压效果越好。,5、最大允许耗散功耗PZM 保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。,其值为稳定电压和允许的最大电流乘积,6.3.2 主要参数,例,电路如图，通过稳压
14、管的电流IZ等于多少？,解：,UR=20-12=8V,IZ=IR=8/1.6=5mA18mA,若R1=12k，I1=?IZ=？,I1=UZ/RL=12/12=1mA,IZ=IR-I1=5-1=4mA,在生产和实验中，许多大功率场合下需要交流电源，但电解、电镀及直流电动机需要直流电源。在电子线路和自动控制装置中还需要电压非常稳定的直流电源。在需要直流供电的场合里，广泛采用的是直流稳压电源.,直流稳压电源的组成,6.4 整流、滤波及稳压电路,由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成.,交流电源,负载,变压,整流,滤波,稳压,电源变压器：将交流电降压，变换为所需要的电压值；整流电路：将交流电压
15、转换为单向脉动直流电压；滤波电路：将交流分量滤出，使输出电压平滑；稳压电路：使输出电压不受电网电压的波动、负载和温 度变化的影响，提高输出电压的稳定性.,直流稳压电源的组成,6.4.1 单相小功率整流电路,单相整流电路中最常用的是桥式整流电路,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。,为简化分析，我们把二极管当作理想元件处理，即二极管正向导通，反向截止。,1.单相半波整流电路,R,i o,Tr,a,b,u,uo,工作原理,设整流变压器副边电压为,根据二极管的单向导电性
16、 u20时二极管导通，uo=u2,u20时二极管截止，uo=0,二极管承受的最大反向电压：,单相半波整流电压的平均值为,整流电流的平均值为,通过二极管的平均电流：,【例】有一单相半波整流电路，已知变压器副边电压U=20 V，RL=900，试求UO、IO及UDRM，并选用二极管。,解,查二极管参数，选用2AP4(16mA,50V)。为了使用安全此项参数选择应比计算值大一倍左右。,2.单相桥式整流电路,单相半波整流只利用了电源的半个周期，整流输出电压低，脉动幅度较大。为此采用单相桥式整流电路，由四个二极管接成电桥的形式。,在变压器副边电压u为正半周时，二极管D1、D3导通，而二极管D2、D4截止；
17、,当副边电压u为负半周时，二极管D2、D4导通，而二极管D1、D3截止。,D2、D4通,D1、D3通,D1、D3通,D2、D4通,-+,整流后输出的是脉动直流，既有直流成分又有交流成份。,t,0,u,整流电流的平均值为,单相桥式整流电压的平均值为,流过每个二极管的平均电流为负载电流的一半,变压器副边在正负半周均有电流流过，副边电流为正弦量.,每个二极管所承受的最高反向电压为,i,副边电流有效值为,【例】单相桥式整流电路，已知RL=160，要求输出电压的平均值为20V，试选择合适的二极管并确定变压器副边电流的有效值。,解：因U0=20 V，Io=Uo/Ro=20/160=125mA流过二极管的平
18、均电流为ID=0.5Io=0.5125=62.5mA变压器副边电压的有效值为U=Uo/0.9=20/0.9=22.2V二极管承受的最高反向电压为,查附录资料，应选用2CZ52B(100 mA，50 V)二极管。,变压器副边电流的有效值为 I=1.11Io=1.11125=138.8mA,整流电压平均值,电 路,整流电压波形,二极管平均电流,二极管反向电压,副边电流有效值,常见的几种整流电路,整流电流平均值,电 路,整流电流波形,副边电流有效值,副边电流波形,6.4.2 滤波电路,整流电路的输出是单向脉动电压，除直流分量外，还含有较高的谐波成分，必须在整流电路后加接滤波器，改善输出电压的脉动程度
19、。,滤波原理：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。,1.电容滤波电路,D截止,D导通,D导通,0m:变压器副边电压u在正半周上升段，二极管D导通，电流流经负载电阻RL，并给电容器C充电。经过峰值后，变压器副边电压u按正弦规律下降，当uuC时，二极管D承受反向电压截止。,mn:电容器通过负载电阻RL按指数规律缓慢放电，uC下降的速度由时间常数=RLC决定。,+u-,uuC,单相半波整流(接电容滤波),若负载电阻RL断开，C无放电回路,二极管截止
20、时承受的最高反向电压,+-,-+,单相桥式整流(接电容滤波),t,0,-+,a,Tr,b,u,RL,uo,D1,D2,D3,D4,C,输出电压的脉动程度与放电时间常数RLC有关，C越大，负载越轻(RL越大)，脉动就会越小.一般取,即可达到要求，此时输出电压Uo由下式估算：,(T:电源电压的周期),(半波),(全波),uo,二极管最高反向电压,电容滤波电路中元件的选择：,带电容滤波的桥式整流电路,二极管导通时间比不带电容滤波的时间短得多二极管将承受较大的冲击电流，容易造成损坏，在选择二极管时应留有充分的余地，一般按(23)ID 选择二极管的最大整流电流。,由于滤波电容保持有电压输出，应注意二极管
21、截止时所承受的最高反向电压UDRM有所不同:带电容滤波的半波整流电路,常用电容器一般在101-103微法，其耐压值应大于输出电压的最大值，一般大容量电容具有极性。,【例】单相桥式整流带电容滤波的电路，已知交流电源频率f=50 Hz，负载电阻RL=200，要求输出直流电压U0=20 V，选择整流二极管和滤波电容。,解：流过负载的平均电流为,流过二极管的电流为,变压器副边电压的有效值，按UO=1.2U计算,二极管承受的最高反向电压为,查附录可知，应选用2CZ52B(100 mA，50 V)。,电容的选择,应选用C=250 F，耐压为50 V的电解电容。,2.电感滤波电路(LC滤波器),当电感线圈的
22、电感量较大时，往往要带铁心，使整个电路体积大，笨重。易引起电磁干扰。所以，电感滤波电路只适用于低电压，大电流的场合。,经桥式整流后输出的单向脉动电压可分解为直流分量和谐波分量。,直流分量全部加到负载RL上，频愈高，交流分量在 XL上的压降愈大。加到RL上的交流分量压降愈小，从而负载RL上输出的电压脉动减小，波形变平滑。,3.形滤波电路,形LC滤波器的滤波效果更好，但整流二极管的冲击电流较大.,电感线圈的体积大，有时可用电阻代替电感线圈构成 形RC滤波器。R愈大，滤波效果愈好，但R太大，将使输出电压下降，所以适用于负载电流较小、电压脉动很小场合。,6.4.3 稳压管稳压电路,经整流和滤波后，虽脉
23、动程度有了最大改善，但直流电压幅度还会随着电网的波动或负载的变化而变化。,最简单的直流稳压电源是利用稳压管组成的。,稳压二极管稳压电路,1.电路结构,由硅稳压管Dz和限流电阻R组成最简单的直流稳压电路。整流和滤波后得到的直流电压UI 加在电阻R与稳压管Dz组成的稳压电路的输入端，这样在负载上就可以得到一个比较稳定的直流电压.,2.工作原理,(1)电网电压波动(RL 不变),(2)负载波动(UI不变),保持负载电压Uo近似不变,u,UI,Uo,IZ（稳压管特性）,UR,抵偿UI，Uo近似不变,RL,Io,UR,Uo,IZ（稳压管特性）,IR和UR不变,3.稳压管的选择,Uz=UO，IZM=(1.53)IOM，UI=(23)UO,IR,u,+UR-,【例】在稳压二极管稳压电路中，已知负载电阻RL由开路变至1.2K，交流电压经整流滤波后得出UI=30 V。今要求输出直流电压UO=10V，试选择合适的稳压管。,解：当RL=1.2 K时,查附录可知，应选用2CW59，其参数为,Uz=1011.8 V，IZM=20 mA,
