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1、第1章 半导体二极管与整流电路,1.3 半导体二极管的应用,1.4 二极管整流电路,1.5 稳压二极管及其应用,1.2 半导体二极管,1.1 半导体基础知识,1.6 光敏二极管,1.7 发光二极管,1,1.理解PN结的单向导电性；2.了解二极管、稳压管的工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3.掌握二极管的各种应用电路；理解并掌握单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算;4.了解稳压管稳压电路的工作原理。,教学要求：,2,1.1 半导体基础知识,1.1.1 本征半导体与掺杂半导体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、
2、陶瓷、塑料和石英。,半导体：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。,3,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,4,1.本征半导体,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个
3、。,5,完全纯净的、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。,1.本征半导体,6,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）。,7,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
4、将出现两部分电流（1）自由电子作定向运动 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，半导体器件温度稳定性差。,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。,8,2.掺杂半导体,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（某种元素）,形成掺杂半导体。,9,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
5、体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。,（1）N型半导体,10,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子，自由电子是少子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,（2）P 型半导体,11,1.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。,1.1.2 PN结,12,P型半导体,N型半导体,多子
6、扩散运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,空间电荷区越宽，内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,多子边扩散边复合,13,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,14,空间电荷区,N型区,P型区,15,16,1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3、P 区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,17,2.PN结的单向导电性,PN 结正向偏置（加正向电压）：P 区接电源高电位端、N 区接电源低
7、电位端。,PN 结反向偏置（加反向电压）：P区接电源低电位端、N 区接电源高电位端。,名词解释：,18,R,US,（1）PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,+,_,19,（2）PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,US,_,+,20,1、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。,结论：,3、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温 度增加。,2、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
8、结处于截止状态。,21,1.2 半导体二极管,1.二极管的结构示意图,22,2.伏安特性,导通压降:硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,UBR远远大于UF，一般为十几伏到几十伏,UF,死区电压 硅管0.5V,锗管0.2V。,反向截止区反向电流很小,反向击穿区,23,3.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URWM一般是UBR的一半或三分之二。,24,（3）反向峰值电流 IR
9、M,指二极管加反向峰值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能差，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，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,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，主要应用于整流、限幅、保护等等。选用二极管时还需注意交流参数。,25,（4）微变电阻 rD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,26,（5）二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是
10、积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,27,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路,势垒电容和扩散电容的综合效应,二极管的微变电阻和极间电容为交流参数,28,2、二极管的单向导电性,（1）二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二
11、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。,29,电路如图，求：UAB,V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，为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。,1.3 半导体二极管的简单应用,30,ui
12、 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,31,例3：二极管半波整流电路,二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管),考虑理想二极管：正向导通时：死区电压=0，正向压降=0，反向截止时：反向电流0。,33,1.4 二极管整流电路,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,整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压
13、u3。,滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。,稳压电路:消除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo 的稳定。,34,1.4.1 单相半波整流电路,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,35,4.参数计算,（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,36,5.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，U
14、RWM UDRM,37,1.4.2 单相桥式整流电路,桥式整流电路,u2正半周时电流通路,38,39,桥式整流电路,u0,u2负半周时电流通路,u20 时,D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A D1RLD3B,u20 时,D2,D4导通D1,D3截止电流通路:B D2RLD4A,输出是脉动的直流电压！,桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形,40,几种常见的硅整流桥外形,+A C-,+-,+-,交直流管脚用错将如何？,造成短路烧毁变压器！,41,1.4.3 整流电路的主要参数,1.整流输出电压平均值（Uo）,全波整流时，负载电压 Uo的平均值为:,2.负载平均电流（IL）,42,平均电流(
15、ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。,在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导。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。,二极管截止时两端承受的最大反向电压：,3.二极管平均电流,4.二极管承受反向峰值电压,43,滤波电路的结构特点:电容与负载 RL 并联，或电感与负载RL串联。,交流电压,脉动直流电压,直流电压,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,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。,1.4.5 滤波电路,44,以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。,1.电容滤波
16、原理,45,（1）RL未接入时（忽略整流电路内阻）,充电结束,没有电容时的输出波形,无放电回路电压保持,46,（2）RL接入（且RLC较大）时（忽略整流电路内阻）,在u2小于电容电压时，二极管截止，电容不充电，电容通过RL放电，uo会逐渐下降。当电容电压下降到低于u2时，又开始充电。,47,只有u2电压大于uC时，二极管导通才有充电电流iD。因此二极管电流是脉冲波。,二极管电流iD的波形,可见，采用电容滤波时，整流管的导通角变小。,48,（2）流过二极管瞬时电流很大。,RLC 越大 Uo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,故一般选管时，取,2.电容滤波电路的特点
17、,（1）输出电压 Uo与放电时间常数 RLC 有关。,RLC 愈大 电容器放电愈慢 Uo(平均值)愈大,49,输出波形随负载电阻 RL 或 C 的变化而改变,Uo 和S 也随之改变。,如:RL 愈小(IL 越大),Uo下降多,S 增大。,结论：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。,（3）输出特性（外特性）,50,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2
18、CP11,IOM=100mA UDRM=50V,51,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,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,52,3.电感滤波,电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感L 就构成了电感滤波电路。,53,对直流分量:XL=0 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XL上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。,Uo=0.9U2,当忽略电感线圈的直流
19、电阻时，输出平均电压约为：,54,电感滤波的特点：,整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。,电感电流不能跳变故负载电流可持续,55,1.5.1 稳压二极管,U,IZ,稳压灵敏度,曲线越陡，电压越稳定。,UZ,1.5 稳压二极管及其应用,反向击穿电压,最小稳定电流,IZmin,稳压管正常工作时加反向电压,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。,56,稳压原理,ui,稳压管特性,57,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。,（
20、5）最大允许功耗,稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,58,负载电阻。,求输入电压分别为10V、15V、20V时的输出电压和流过二极管的电流。,例1：图示稳压电路中，已知：,解：当稳压二极管处于反向击穿状态时能正常工作,59,可见，该电路中稳压管能正常工作的最小输入电压为15V，此时输出电压U06V，流过稳压管的电流为3mA。,若Ui20V，稳压管能正常工作，输出电压U06V,UR UI U0206 14V,流过稳压二极管的电流为 IIO1468mA,若Ui10V，稳压管未进入反向击穿区，电路中R和RL串联，输出电压U05V,60,又称光敏二极管。它的管壳上有透明聚光窗，由于PN结的光敏特性，当有光照射时，光敏二极管在一定反向偏压范围内，反向电流随光照强度的增加而线性增加。,当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通二极管一样。,1.6 光敏二极管,61,1.7 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,62,
