第6章半导体二极管及整流电路及三极管.ppt

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 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,硅原子,价电子,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,本征激发,复合,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。,空穴移动方向,电子移动方向,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。,磷原子,+4,+5,多余价电子,自由电子,正离子,N,型半导体结构示意图,少数载流子,多数载流子,正离子,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,+4,硼原子,填补空位,+3,负离子,P,型半导体结构示意图,电子是少数载流子,负离子,空穴是多数载流子,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。,N,区的电子向,P,区扩散并与空穴复合,P,区的空穴向,N,区扩散并与电子复合,空间电荷区,内电场方向,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,E,外电场方向,R,I,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,空间电荷区变窄,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,E,R,空间电荷区变宽,外电场方向,I,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,结截止,结论,正极引线,触丝,N,型锗,支架,外壳,负极引线,点接触型二极管,1.,二极管的结构和符号,二极管的符号,正极,负极,三、半导体二极管,正极引线,二氧化硅保护层,P,型区,负极引线,面接触型二极管,N,型硅,PN,结,PN,结,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,U,I,死区电压 硅管,0.5V,锗管,0,.2V,。,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,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,I,OM,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,U,BR,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,U,RM,一般是,U,BR,的一半。,（,3,）最大反向电流,I,RM,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）,二极管为非线性元件在分析计算时和以往线性元件不同下面我们以例子说明。,4.,分析、应用举例,二极管的,应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、,元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,其中：,U,S,=5V,，,R=1K,解：所示电路中二极管处于导通状态，,因此：,+,-,U,S,R,I,二极管为电流控制型元件，,R,是限流电阻。,特殊二极管,1.,稳压二极管,稳压管是一种特殊的二极管，,它专门工作在反向工作区,+,I,+,稳定电压,U,Z,特性曲线：,曲线越陡，电压越稳定。,工作区,U,Z,I,Z,U,例,2,：下图中，已知,V,A,=3V,，,V,B,=0V,，,V,D,A,、,V,D,B,为锗管，求输出端,Y,的电位并说明,二极管的,作用。,解：,V,D,A,优先导通，则,V,Y,=30.3=2.7V,VD,A,导通后,V,D,B,因反偏而截止,起隔离作用,V,D,A,起钳位作用,将,Y,端的电位钳制在,+2.7V,。,VD,A,12V,Y,A,B,VD,B,R,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,u,o,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,u,o,u,2,u,2,u,1,u,D,i,o,i,o,R,L,T,2,3,2,U,2,2,U,2,2,U,2,I,m,2,2,3,3,u,D,2.,工作原理,VD,u,2,正,半周,负,u,o,输出电压平均值（,U,0,）：,输出电压波形：,3,.,电路计算,u,o,u,2,u,1,i,o,R,L,T,u,D,VD,u,O,t,0,t,t,t,2,3,u,O,u,2,u,2,u,1,u,D,u,D,i,O,i,O,VD,R,L,T,2,3,2,U,2,2,U,2,2,U,2,I,m,2,2,3,3,U,O,=0.45,U,2,I,O,=,U,O,R,L,=,0.45,U,2,R,L,I,D,=,I,O,U,DRM,=,2,U,2,U,2,=,2.22,U,O,I,2,=,I,m,2,I,2,=,1.57,I,O,I,O,=,I,m,0,0,0,I,m,=,2,U,2,R,L,VD,1,和,V,D,3,导通,V,D,2,和,V,D,4,截止,(,相当于开路,),第,8,章,u,2,T,u,1,R,L,u,o,i,o,2.,整流工作原理,+,+,+,u,2,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,D,1,V,D,4,及负载,R,L,组成。,VD,4,VD,3,VD,2,VD,1,第,8,章,u,2,T,u,1,R,L,VD,4,VD,3,VD,2,u,o,i,o,2.,整流工作原理,u,2,负半周,VD,1,+,+,+,VD,2,和,VD,4,导通，,VD,1,和,VD,3,截止,t,o,t,o,t,o,t,o,2,3,2,3,2,U,2,2,U,2,2,U,2,I,m,2,2,3,3,u,D1,u,D3,u,D4,u,D2,3,.,电压、电流的计算,U,O,=0.9,U,2,0.9,U,2,R,L,I,O,=,U,O,R,L,=,U,DRM,=,2,U,2,I,O,=0.9,I,2,I,2,=1.11,I,O,U,2,=1.11,U,O,选用二极管的依据是,:,I,D,应小于,I,OM,(,最大整流电流）,U,DRM,应小于,U,R M,(,最高反向工作电压,),u,O,u,2,u,D,i,O,I,D,=,I,O,12,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,R,L,并联,(,或将,电感,与负载,R,L,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,u,2,T,u,1,R,L,VD,1,VD,4,VD,3,VD,2,u,o,i,o,C,u,C,a,u,0,R,L,接入（且,R,L,C,较大）时,u,2,t,u,0,t,忽略整流电路内阻,没有电容时的输出波形,整流电路为电容充电,电容通过,R,L,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，,u,0,会逐渐下降。,具体分析：,u,1,u,2,u,1,b,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,S,C,u,2,t,u,0,t,忽略整流电路内阻,只有整流电路输出电压大于,u,0,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,R,L,接入（且,R,L,C,较大）时,u,1,u,2,u,1,b,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,S,C,u,0,输出波形随负载电阻,R,L,或,C,的变化而改变,U,0,也随之改变。,如,:R,L,愈小,(I,0,越大,),U,0,下降多。,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。,(4),、输出特性,(,外特性,):,u,L,电容,滤波,纯电阻负载,1.4U,2,0.9U,2,0,I,L,结论,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,二、硅稳压管稳压电路,1.,稳压电路的工作原理,T,R,L,C,U,i,R,I,R,U,Z,I,Z,VZ,U,o,u,2,i,o,u,1,稳压,当输入电压,U,i,发生变化，,负载,R,L,变化时，输出电压基本不变,下面分别以两种情况来讨论：,U,0,I,Z,U,R,=I,R,R=,（,I,Z,+I,o,）,R,U,0,当,U,i,增加使,U,0,升高时,T,R,L,C,U,i,R,I,R,U,Z,I,Z,VZ,U,o,u,2,i,o,u,1,U,0,I,Z,U,R,=I,R,R=,（,I,Z,+I,o,）,R,U,0,当,R,L,减小，输出电流增加，使,U,0,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；,U,Z,=,U,O,，,I,Zmax,2,3,I,O,max,3.,总结及注意：,R,L,U,i,U,Z,I,Z,VZ,U,o,i,o,R,I,R,1.,简介,随着半导体工艺的发展,现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。,本节主要介绍常用的,W7800,系列,三端集成稳压器，其内部是串联型晶体管稳压电路。,该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。,四、集成稳压器,1,端,:,输入端,2,端,:,公共端,3,端,:,输出端,W7800,系列稳压器外形,1,2,3,1,端,:,公共端,2,端,:,输入端,3,端,:,输出端,W7900,系列稳压器外形,1,2,3,W78,，,W79,系列内部是：,具有放大环节的,串联型晶体管稳压电路,串联型稳压电路的组成框图,由五个环节组成,采样环节,调整元件,比较放大,基准电压,U,o,U,i,整,流,滤,波,2,.,三端集成稳压器基本稳压电路,U,o,=,12V,W7812,1,2,3,C,o,+,+,U,i,C,i,可根据需要,选用,W78,XX,则,U,o,=,XX,V,。,第,8,章,输入与输出端之间的电压一般不得低于,3V,！,3.,同时输出正、负电压的稳压电路,W7915,W7815,C,O,+15V,15V,U,O1,选用不同稳压值的,78XX,和,79XX,可构成,同时输出不对称正、负电压的稳压电路,。,U,i,U,O1,C,i,C,O,C,i,4.,集成稳压电路的主要性能指标,以,CW78,05,为例,最大输入电压：,35V,最小输入电压：,7V,最大输出电流：,1.5A,电压调整率：,7.0mV,（输入电压变化,10%,时，输出电压的,相对变化量。）,输出电阻：,17m,（输入电压和温度不变时，输出电压变,化量和输出电流变化量之比的绝对值。）,最大耗散功率：,15W,（必须按规定散热片）,第七章 晶体三极管及基本放大电路,晶体三极管是具有放大作用的半导体器件，由三极管组成的放大电路广泛应用于各种电子设备中，例如收音机、扩音机、测量仪器及自动控制装置等。本章介绍三极管应用的必备知识及由它构成的基本放大电路的工作原理和一般分析方法,。,第一节 晶体三极管,晶体三极管是一种利用输入电流控制输出电流的电流控制型器件，它由两个,PN,结构成，在电路中主要作为放大和开关元件使用。,一、结构与分类,1,外形,近年来生产的小、中功率管多采用硅酮塑料封装；大功率三极管多采用金属封装，通常做成扁平形状并有螺钉安装孔，有的大功率管制成螺栓形状。,2.,结构,三极管的核心是两个互相联系的,PN,结，按两个,PN,结的组合方式不同，可分为,NPN,型和,PNP,型两类,。,PNP,型三极管,NPN,型三极管,三极管内部有发射区、基区和集电区，引出电极分别为,发射极,e,、,基极,b,、,集电极,c,。发射区与基区之间的,PN,结称为发射结，集电区与基区之间的,PN,结称为集电结。,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,发射区：掺,杂浓度较高,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,3.,分类,三极管的种类很多，通常按以下方法进行分类：,按半导体制造材料可分为：,硅管和锗管。硅管受温度影响较小、工作稳定，因此在自动控制设备中常用硅管。,按三极管内部基本结构可分为：,NPN,型和,PNP,型两类。目前我国制造的硅管多为,NPN,型,(,也有少量,PNP,型,),，锗管多为,PNP,型。,按工作频率可分为：,高频管和低频管。工作频率高于,3MHz,为高频管，工作频率在,3MHz,以下为低频管。,按功率可分为：,小功率管和大功率管。耗散功率小于,1W,为小功率管，耗散功率大于,1W,为大功率管。,按用途可分为：,普通放大三极管和开关三极管等。,电流放大原理,N,N,P,发射结正偏,集电结反偏,发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流,I,E,。,电子与基区空穴复合形成,I,B,穿过集电结形成,I,C,I,B,I,C,E,B,R,B,E,C,I,E,三个极电流的关系为,I,C,与,I,B,之比称为电流放大倍数,二、三极管的电流放大作用,1,三极管放大条件,要使三极管能够正常放大信号，发射结应加正向电压，集电结应加反向电压。,NPN,管偏置电路,PNP,管偏置电路,电源,V,CC,通过偏置电阻,R,b,为发射结提供正向偏置，,R,C,阻值小于,R,b,阻值，所以集电结处于反向偏置。,在实际放大电路中，除了共发射极联接方式外，还有共集电极和共基极联接方式。,共发射极接法 共基极接法 共集电极接法,特性曲线,一、,输入特性,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,U,CE,=0.5V,U,CE,1V,死区电压，硅管,0.5V,，锗管,0.2V,。,工作压降：硅管,U,BE,0.60.7V,锗管,U,BE,0.20.3V,。,二、,输出特性,1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,I,C,(,m,A ),当,U,CE,大于一定的数值时，,I,C,只与,I,B,有关，,I,C,=,I,B,。,此区域满足,I,C,=,I,B,称为线性区（放大区）。,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,截止区,放大区,饱和区,输出特性三个区域的特点,:,放大区：,发射结正偏，集电结反偏。,即：,I,C,=,I,B,且,I,C,=,I,B,(2),饱和区：,发射结正偏，集电结正偏。,即：,U,CE,U,BE,，,I,B,I,C,，,U,CE,0.3V,(3),截止区：,U,BE,死区电压，,I,B,=0,，,I,C,=,I,CEO,0,1,三极管型号,国产三极管的型号由五部分组成。,第一部分是数字“,3”,，表示三极管。,第二部分是用拼音字母表示管子的材料和极性。,A,PNP,锗材料，,B,NPN,锗材料，,C,PNP,硅材料，,D,NPN,硅材料。,第三部分是用拼音字母表示管子的类型。,X,低频小功率管，,G,高频小功率管，,D,低频大功率管，,A,高频大功率管,。,第四部分用数字表示器件的序号。,第五部分用拼音字母表示规格号。,三极管型号的读识,3,A,G,54,A,三极管,PNP,锗材料 高频小功率 序号 规格号,五、三极管引脚与管型的判别,（,1,）先确定,b,极,（,2,）判断,e,极、,c,极,确定,b,极,判断,e,极、,c,极,第二节 三极管基本放大电路,一、基本放大电路的构成,1.,电路元件作用,共发射极基本放大电路由三极管、电阻和电容所组成。,V,晶体三极管，起电流放大作用,+,V,CC,直流供电电源,R,b,基极偏置电阻,C,1,输入耦合电容,C,2,输出耦合电容,R,C,集电极负载电阻,2.,放大电路的电压、电流符号规定,共发射极基本放大电路,直流分量,用大写字母和大写下标表示，如,I,B,、,I,C,、,I,E,、,V,BE,、,V,CE,。,交流信号,用小写字母和小写下标表示，如,i,b,、,i,c,、,i,e,、,v,be,、,v,ce,。,交流和直流叠加信号,用小写字母和大写下标表示，如,i,B,、,i,C,、,i,E,、,v,BE,、,v,CE,。,3,三种基本放大电路的比较,共集电极放大电路 共基极放大电路,（,1,）共发射极放大电路的电压、电流、功率放大倍数都较大，所以应用在多级放大器的中间级。,（,2,）共集电极放大电路只有电流放大作用，无电压放大作用，它的输入电阻大，输出电阻小，常用作实现阻抗匹配或作为缓冲电路来使用，也可作为多级放大器的输入级和输出级。,（,3,）共基极放大,电路主要是频率特性好，所以多用作高频放大器、高频振荡器及宽频带放大器。,二、放大电路的静态工作点,静态工作点对波形影响实验电路,输入电流波形失真,输入电流波形正常,未设置静态工作点情况 设置静态工作点情况,第三节 放大电路的分析方法,一、主要性能指标,1,放大倍数,电压放大倍数,电 压 增 益,G,v,=20lg,A,v,(dB),电流放大倍数,电 流,增 益,G,=20lg,A,i,(dB),功率放大倍数,功 率,增 益,G,p,=10lg,A,p,（,dB,）,2.,输入电阻和输出电阻,输入电阻,输出电阻,