半导体二极管及应用电路.pptx

2024/4/24 周三 11:04课程简介课程简介1、课程性质：重点专业基础课 适用专业：机电类专业 2024/4/24 周三 11:04v2、课程内容v主要内容分为两类：第一类为模拟电子技术。第二类为数字电子技术。模拟电路部分主要介绍半导体器件、放大电路基础、集成运算放大器及反馈、直流稳压电源。数字电路部分主要介绍常用逻辑门电路，逻辑代数基础、组合逻辑电路、触发器及时序逻辑电路和脉冲的产生与变换。模拟电路部分以基本概念、基本方法为主；数字电路部分以电路功能、应用和使用方法为主。2024/4/24 周三 11:043、课程目标：、课程目标：v通过本课程的学习，使学生掌握电子技术各种基本功能电路的组成、基本工作原理、性能特点，熟悉电子技术工艺技能和电子仪器的正确使用方法，初步具有查阅电子元器件手册，正确使用元器件的能力、读识常见电子线路图的能力、测试常用电路功能及排除故障的能力。能复述逻辑门电路的功能，并能利用逻辑门电路设计简单的组合逻辑电路，并能分析简单时序逻辑电路的功能。为后续课程学习准备必要的知识，为今后从事实际工作打下必要的基础。2024/4/24 周三 11:044、情感态度与价值观、情感态度与价值观v参与科技活动的热情，勇于探究与日常生活有关的电学问题；享受快乐的学习过程及学习成果，养成持之以恒的学习精神；形成主动与他人合作的精神，具有团队精神；关心国内外科技发展现状与趋势，有强烈的使命感与责任感。半导体二极管及应用电路第一章主要内容：l 半导体二极管的概念半导体二极管的概念l 不同种类二极管的作用不同种类二极管的作用l 桥式整流电路的结构及作用桥式整流电路的结构及作用l 滤波电路的作用滤波电路的作用2024/4/24 周三 11:04物质物质导体导体导体导体绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体半导体半导体半导体半导体任务一：半导体及任务一：半导体及PNPN结结物质按导电能力可以一下三大类：物质按导电能力可以一下三大类：物质按导电能力可以一下三大类：物质按导电能力可以一下三大类：半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间,且随着掺入杂质、输入电压（电流）、温度和光照条件的不同而发生很大变化，人们把这一类物质称为半导体。2024/4/24 周三 11:04任务一：半导体及任务一：半导体及PNPN结结半导体半导体完全纯净的、结构完整的完全纯净的、结构完整的半导体称为本征半导体。半导体称为本征半导体。在现代电子器件中，用得在现代电子器件中，用得最多的半导体材料就是硅最多的半导体材料就是硅和锗。和锗。本征半导体：本征半导体：在本征半导体硅或者锗在本征半导体硅或者锗的晶体内，掺入五价元的晶体内，掺入五价元素杂质如磷、砷、锑等。素杂质如磷、砷、锑等。N N 型半导体：型半导体：P P 型半导体：型半导体：在本征半导体硅或在本征半导体硅或者锗的晶体中，掺者锗的晶体中，掺入三价元素杂质如入三价元素杂质如硼、铟等。硼、铟等。一、半导体基础知识一、半导体基础知识+4+4+4+4本征半导体结构图自由电子空穴空穴价电子共价键原子最外层轨道上的电子。相邻原子共有价电子所形成的束缚。在室温下或光照下，本征半导体中少数价电子因受热而获得能量，摆脱原子核的束缚，从共价键中挣脱出来，成为自由电子。失去价电子的硅或锗原子在该共价键上留下了一个空位，这个空位称为空穴。2024/4/24 周三 11:04任务一：半导体及任务一：半导体及PNPN结结1 1N N 型半导体：主要靠电子导电的半导体。型半导体：主要靠电子导电的半导体。即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。即：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2 2P P 型半导体：主要靠空穴导电的半导体。型半导体：主要靠空穴导电的半导体。即：空穴是多数载流子，电子是少数载流子。即：空穴是多数载流子，电子是少数载流子。经经过过特特殊殊的的工工艺艺加加工工，将将 P 型型半半导导体体和和 N 型型半半导导体体紧紧密密地地结结合合在在一一起起，则则在在两两种种半半导导体体的的交交界界面面就就会会出出现现一一个个特特殊的接触面，殊的接触面，称为称为 PN 结。结。PN 结具有单向导电特性。结具有单向导电特性。PNPN结结2024/4/24 周三 11:04 P P型和型和型和型和N N型半导体结合前后型半导体结合前后型半导体结合前后型半导体结合前后任务一：半导体及任务一：半导体及PNPN结结2024/4/24 周三 11:04（1）正正向向导导通通：电电源源正正极极接接 P 型型半半导导体体，负负极极接接 N 型型半半导导体，电流大。体，电流大。（2）反反向向截截止止：电电源源正正极极接接 N 型型半半导导体体，负负极极接接 P 型型半半导导体，电流小。体，电流小。结结论论：PN PN 结结加加正正向向电电压压时时导导通通，加加反反向向电电压压时时截截止止，这种特性称为这种特性称为PN PN 结的单向导电性。结的单向导电性。任务一：半导体及任务一：半导体及PNPN结结2024/4/24 周三 11:04 1、导电性能介于 和 之间的物质称为“半导体”。3、P型半导体中的多数载流子是 ，N型半导体中的多数载流子是 。2、把PN结外加正向电压时导通、外加反向电压时截止时的特性叫做 特性。练一练：一、半导体基础知识一、半导体基础知识3.PN 结的击穿特性 反向击穿反向击穿当加于PN结两端的反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为反向击穿。电击穿电击穿若反向电压下降到击穿电压以下后，其性能可恢复到原有情况，即这种击穿是可逆的，称为电击穿。热击穿热击穿若反向击穿电流过大，则会导致PN结结温过高而烧坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。讨论题 反向击穿后，PN结就损坏了吗？2024/4/24 周三 11:04任务二：半导体二极管基本知识任务二：半导体二极管基本知识 二极管的外观二极管的外观1二极管的种类二极管的种类2 二极管的结构二极管的结构3 二极管的作用二极管的作用42024/4/24 周三 11:04二极管的结构二极管的结构1半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号利利用用 PN 结结的的单单向向导导电电性性，可可以以用用来来制制造造一一种种半半导导体体器器件件 半导体二极管。半导体二极管。箭头表示正向导通电流的方向。箭头表示正向导通电流的方向。电路符号如图所示。电路符号如图所示。2024/4/24 周三 11:04二极管的结构二极管的结构二二极极管管正正向向偏偏置置 二二极极管管反反向向偏偏置置 二极管单向导电性验证试验：二极管单向导电性验证试验：2024/4/24 周三 11:04由由于于管管芯芯结结构构不不同同，二二极极管管又又分分为为点点接接触触型型（如如图图 a）、面接触面接触型（如图型（如图 b）和平面型（如图）和平面型（如图 c）。）。点点接接触触型型：PN 结结接接触触面面小小，适适宜宜在在小电流状态下使用。小电流状态下使用。面面接接触触型型、平平面面型型：PN 结结接接触触面面大大，截截流流量量大大，适适合合于于大电流场合中使用。大电流场合中使用。二极管的结构二极管的结构2024/4/24 周三 11:042二极管的特性二极管的特性伏伏安安特特性性：二二极极管管的的导导电电性性能能由由加加在在二二极极管管两两端端的的电电压压和和流流过过二二极极管管的的电电流流来来决决定定，这这两两者者之之间间的的关关系系称称为为二二极极管管的的伏伏安安特特性性。硅硅二二极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线如如图所示。图所示。特性曲线特性曲线二极管的结构二极管的结构2024/4/24 周三 11:04 正正向向导导通通：当当外外加加电电压压大大于于死死区区电电压压后后，电电流流随随电电压压增大而急剧增大，二极管导通。增大而急剧增大，二极管导通。死死区区：当当正正向向电电压压较较小小时时，正正向向电电流流极极小小，二二极极管管呈呈现很大的电阻，如现很大的电阻，如 OA 段，通常把这个范围称为死区。段，通常把这个范围称为死区。死区电压：死区电压：导通电压：导通电压：=onV0.2 V 0.3 V（Ge）0.6 V 0.7 V（Si）结论：正偏时电阻小，具有非线性。结论：正偏时电阻小，具有非线性。（1）正向特性（二极管正极电压大于负极电压）正向特性（二极管正极电压大于负极电压）=(Si）V 0.2V 5.0TV(Ge）二极管的结构二极管的结构2024/4/24 周三 11:04二极管的结构二极管的结构 反反向向击击穿穿：若若反反向向电电压压不不断断增增大大到到一一定定数数值值时时，反反向向电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。电流就会突然增大，这种现象称为反向击穿。反反向向饱饱和和电电流流：当当加加反反向向电电压压时时，二二极极管管反反向向电电流流很很小小，而而且且在在很很大大范范围围内内不不随随反反向向电电压压的的变变化化而而变变化化，故故称称为为反向饱和电流。反向饱和电流。（2）反向特性（二极管负极电压大于正极电压）反向特性（二极管负极电压大于正极电压）普通二极管不允许出现此种状态。普通二极管不允许出现此种状态。结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。结论：反偏电阻大，存在电击穿现象。二极管属于非线性器件二极管属于非线性器件 2024/4/24 周三 11:043半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数（1）最大整流电流最大整流电流 IF：二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。二极管长时间工作时允许通过的最大直流电流。二极管正常使用时允许加的最高反向电压。二极管正常使用时允许加的最高反向电压。使使用用时时应应注注意意流流过过二二极极管管的的正正向向最最大大电电流流不不能能大大于于这这个个数值，否则可能损坏二极管。数值，否则可能损坏二极管。（2）最高反向工作电压最高反向工作电压 VRM使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。使用中如果超过此值，二极管将有被击穿的危险。二极管的结构二极管的结构2024/4/24 周三 11:04二极管的种类、外观及作用二极管的种类、外观及作用普通二极管起检波、整起检波、整流、开关作流、开关作用用电源、信电源、信号指示和号指示和显示等显示等 发光二极管特殊二极管2024/4/24 周三 11:04特殊二极管特殊二极管能稳定一定能稳定一定的电压值，的电压值，须工作在反须工作在反向击穿区向击穿区 工作在反向特工作在反向特性区，反向电性区，反向电流随光照增加流随光照增加而增大而增大通过调节其两端反通过调节其两端反向电压而改变其电向电压而改变其电容量的大小，常用容量的大小，常用在高频调谐、通信在高频调谐、通信等电路中等电路中 稳压二极管 光电二极管 变容二极管2024/4/24 周三 11:041、理想二极管导通时，其管压降约为UD=，其等效电阻rD约为 。2、要使硅二极管工作在截止状态，应使其外加电压UD为 。练一练：3、稳压二极管正常工作时应工作在 状态。4、硅材料二极管的死区电压和正向导通电压分别为V 和 V。2024/4/24 周三 11:04任务三：整流滤波电路任务三：整流滤波电路“整流”是什么意思？有几种整流电路？这些整流电路的结构是怎样的呢？整流电路的优缺点？整流电路的优缺点？“滤波”是什么意思？如何实现滤波？滤波电路的种类？任任务务分分解解2024/4/24 周三 11:04一、整流电路一、整流电路将将交交变变电电流流变变换换成成单单向向脉脉动动电电流流的的过过程程称称为为整整流流。实实现现这这种种功功能能的的电电路路称称为为整整流流电电路路或或整流器整流器。请大家思考：请大家思考：生活中的手机、电脑、电生活中的手机、电脑、电视机等，它们实际工作电视机等，它们实际工作电压值是交流压值是交流220V220V吗？吗？NO NO！我们的生活、学习和工作中有许多电器实际的工作电压都没有220V这么大，而且还都是直流电压。那么，2024/4/24 周三 11:04由电源变压器由电源变压器 T、整流二极管、整流二极管 VD 和负载和负载电阻电阻 RL 组成。组成。1 1、单相半波整流电路如图所示：单相半波整流电路如图所示：2024/4/24 周三 11:041）当当v2 为为正正半半周周时时，二二极极管管 VD 加加正正向向电电压压，处处于于导导通通状状态态，RL 上上产产生生正正半半周周电电压压 vO，如图（，如图（b）所示。）所示。2）当当 v2 为为负负半半周周时时，二二极极管管 VD 加加反反向向电电压压，处处于于截截止止状状态态，RL 上上无无电电流流流流过过，如图（如图（c）所示。）所示。工作原理示意图如图所示。工作原理示意图如图所示。（1 1）工作原理）工作原理2024/4/24 周三 11:04各波形之间的对应关系如图所示：各波形之间的对应关系如图所示：2024/4/24 周三 11:04半半波波整整流流：电电路路仅仅利利用用电电源源电电压压的的半半个个波波，故故称称半半波波整整流。流。脉脉动动直直流流电电：大大小小波波动动，方方向向不不变变的的电电流流（或或电电压压）称称为脉动直流电。为脉动直流电。半半波波整整流流后后的的输输出出信信号号为为半半波波脉脉动动直直流流电电。半半波波整整流流电电路的缺点是电源利用率低，且输出脉动大。路的缺点是电源利用率低，且输出脉动大。2024/4/24 周三 11:04（2）负载与整流二极管的电压和电流）负载与整流二极管的电压和电流1）负载电压）负载电压 VO 2）负载电流负载电流 IL 3）流过二极管的正向电流流过二极管的正向电流 IV4）二极管反向峰值电压二极管反向峰值电压 VRVO=0.45 V22024/4/24 周三 11:04（3）正确选择二极管的参数：）正确选择二极管的参数：最大整流电流：最大整流电流：最高反向工作电压：最高反向工作电压：IVM IO 2024/4/24 周三 11:042 2、单相全波整流电路如图所示：单相全波整流电路如图所示：半波整流电路波形：比比较较2024/4/24 周三 11:04负载与整流二极管的电压和电流：负载与整流二极管的电压和电流：（1）负载所获得的直流电压平均值：）负载所获得的直流电压平均值：VO=2 0.45 V2=0.9 V2（2）负载平均电流：）负载平均电流：（3）每只二极管承受的反向峰值电压）每只二极管承受的反向峰值电压 VR（4 4）每只二极管通过的平均电流：）每只二极管通过的平均电流：2024/4/24 周三 11:04具有电阻负载的桥式整流电路如图所示：具有电阻负载的桥式整流电路如图所示：3 3、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路2024/4/24 周三 11:041）当当 v1 为为正正半半周周时时，如如图图（b）所所示示，VD1 和和 VD3 导导通通，VD2 和和 VD4 截截止止，RL 两端输出电压两端输出电压 vO。2）当当 v1 为为负负半半周周时时，如如图图（b）所所示示，VD2和和 VD4 导导通通，VD1 和和 VD3 截截止止，RL 两端输出电压两端输出电压 vO。（1 1）工作原理）工作原理2024/4/24 周三 11:04桥式整流电路波形如图所示：桥式整流电路波形如图所示：2024/4/24 周三 11:04（2 2）负载与整流二极管的电压和电流负载与整流二极管的电压和电流1）负载所获得的直流电压平均值：）负载所获得的直流电压平均值：VO=2 0.45 V2=0.9 V2 4 4）每只）每只二极管承受的反向电压：二极管承受的反向电压：3 3）每只二极管通过的平均电流：）每只二极管通过的平均电流：2）负载平均电流：）负载平均电流：2024/4/24 周三 11:04做一做：有有一一直直流流负负载载需需要要直直流流电电压压 6 V，直直流流电电流流0.4 A，若若采采用用桥桥式式整整流流电电路路，求求电电源源变变压压器器的的二二次次电电压压，及及流流过过二二极管的平均电流和承受的反向电压。极管的平均电流和承受的反向电压。则则 解解 ：因因 VL=0.9 V2 流过二极管的平均电流流过二极管的平均电流二极管承受的反向电压二极管承受的反向电压2024/4/24 周三 11:04二、滤波电路二、滤波电路在整流电路后加接滤波电路可使负载得到平滑的直流电压。在整流电路后加接滤波电路可使负载得到平滑的直流电压。常见的滤波电路有常见的滤波电路有 型型 LC 滤波滤波、型型 LC 滤波滤波和和 型型RC 滤波滤波，如图所示。，如图所示。2024/4/24 周三 11:041电容滤波电路电容滤波电路电路图如图所示：电路图如图所示：（1）电容器在半波整流电路中的滤波作用）电容器在半波整流电路中的滤波作用单相半波整流滤波电路单相半波整流滤波电路如何将直流电压变得更加平滑呢?它它原理：2024/4/24 周三 11:04电路图和波形如图所示：电路图和波形如图所示：（2）电容器在桥式整流电路中的滤波作用）电容器在桥式整流电路中的滤波作用单相桥式整流滤波电路单相桥式整流滤波电路2024/4/24 周三 11:041）空载（）空载（RL=）时：）时：u2tuLtuc=uLu2 uC时：时：二极管导通，二极管导通，C充电充电u2 uC时：时：二极管截止，二极管截止，C放电。放电。由于由于RL=，无放电回，无放电回路，所以路，所以uC保持。保持。2024/4/24 周三 11:042）接入接入RL（且（且RLC较大）时较大）时u2tiDtu2 uC时：时：二极管导通，二极管导通，C充电充电u2 uC时：时：二极管截止，二极管截止，C放电。放电。二极管中二极管中的电流的电流uc=uL近似估算近似估算:UL=1.2U22024/4/24 周三 11:04电路结构电路结构:在桥式整流电路与负载间串入一电感在桥式整流电路与负载间串入一电感L。输出电压平均值输出电压平均值:UL=0.9U2 适用于负载电流较大的场合。适用于负载电流较大的场合。对谐波分量对谐波分量:f 越高，越高，XL 越大越大,电压大部分降在电感上。电压大部分降在电感上。因此，因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。在输出端得到比较平滑的直流电压。对直流分量对直流分量:XL=0 相当于短路相当于短路,电压大部分降在电压大部分降在RL上上2 2电感滤波电路电感滤波电路2024/4/24 周三 11:04图示采用图示采用 型型 RC 滤波电路的桥式整流器。滤波电路的桥式整流器。3RC 滤波电路滤波电路电电路路中中 C1 的的作作用用和和上上面面讲讲的的滤滤波波作作用用相相同同，R 和和 C2 起起进进一一步步平平滑滑作作用用，C2 越越大大，效效果果越越好好。只只是是电电阻阻 R 上上的的直直流流压降使输出电压降低。压降使输出电压降低。2024/4/24 周三 11:044 型型 LC 滤波电路滤波电路图示为图示为 型型 LC 滤波电路。滤波电路。图图中中 L 为为电电感感量量很很大大的的铁铁心心线线圈圈，使使加加到到 RL 上上的的交交流流成成分减小，所以这种滤波器的平滑滤波作用比分减小，所以这种滤波器的平滑滤波作用比 RC 滤波器好。滤波器好。2024/4/24 周三 11:04对任务三进行小结一一 整流电路整流电路1 1、单相半波整流电路、单相半波整流电路2 2、单相全波整流电路、单相全波整流电路3 3、单相桥式整流电路、单相桥式整流电路 二二 滤波电路滤波电路 1 1、单相半波整流电容滤波电路、单相半波整流电容滤波电路 2 2、单相桥式整流电容滤波电路、单相桥式整流电容滤波电路 3 3、电感滤波电路电感滤波电路电路结构电路结构各电路的作用各电路的作用计算计算uo=？2024/4/24 周三 11:04做一做：1、如果变压器二次(即副边)电压的有效值为10V，桥式整流滤波后(带负载)的输出电压为 V。2、如右图所示，u2=20V，该电路正常工作时，若D1由于某种原因断路，则uL=V。2024/4/24 周三 11:04半导体二极管及应用电路第一章2晶晶体体二二极极管管的的核核心心是是 PN 结结，故故具具有有单单向向导导电电性性。二二极极管管属属于于非非线线性性器器件件，其其伏伏安安特特性性是是非非线线性性的的。二二极极管管的的门门坎坎电电压压，硅硅管管约约 0.5 V，锗锗管管约约 0.2 V。导导通通电电压压，硅硅管管约约 0.7 V，锗锗管管约约 0.3 V。1本本征征半半导导体体内内存存在在两两种种载载流流子子：自自由由电电子子和和空空穴穴。杂杂质质半半导导体体有有 P 型型和和 N 型型两两种种，P 型型半半导导体体中中空空穴穴是是多多子子，N 型型半半导导体体中中自自由由电电子子是是多多子子。PN 结结是是在在 P 型型半半导导体体与与 N 型型半半导导体体交交界界面面附附近近形形成成的的空空间间电电荷荷区区，也也叫叫阻阻挡挡层层或或耗耗尽尽层层。PN 结结具具有有单单向向导电性，即正偏时导通，反偏时截止。导电性，即正偏时导通，反偏时截止。2024/4/24 周三 11:045单单相相桥桥式式整整流流电电路路为为全全波波整整流流电电路路，在在电电源源正正、负负半半周周时时，两两组组电电路路轮轮流流工工作作，所所以以二二极极管管中中的的电电流流平平均均值值仅仅为为负负载载电电流的一半。流的一半。3单单相相半半波波整整流流电电路路负负载载所所获获得得的的电电压压、电电流流是是正正弦弦半半波波，其其电电压压平平均均值值 ；整整流流二二极极管管的的极极限限参参数数选选择择：应应使使 IVM IO，VM 。4单单相相全全波波整整流流电电路路采采用用全全波波整整流流，使使输输出出电电压压平平均均值值提提高高一一倍倍，即即 。全全波波整整流流电电路路的的主主要要缺缺点点是是管管子子的的耐耐压压值值需需要要提提高高一一倍倍，电电源源变变压压器器需需要要有有中中心心抽抽头头，因因此此元元器器件件费费用用增加。增加。2024/4/24 周三 11:046滤滤波波的的目目的的在在于于滤滤去去脉脉动动电电流流中中的的交交流流分分量量。滤滤波波的的方方法法是是利利用用对对频频率率敏敏感感的的电电路路元元件件去去抑抑制制或或旁旁路路脉脉动动量量中中的的交交流流分分量。量。9光光电电二二极极管管要要加加反反向向工工作作电电压压。光光电电流流是是将将光光能能转转变变成成电能的一种外在表现，实现将光信号到电信号的转换。电能的一种外在表现，实现将光信号到电信号的转换。7发发光光二二极极管管发发光光的的条条件件：在在电电路路中中接接上上正正向向电电压压，管管子子中有几毫安的正向电流就能发光。中有几毫安的正向电流就能发光。8稳稳压压二二极极管管必必须须工工作作在在反反向向击击穿穿区区。另另外外，稳稳压压管管的的工工作电流必须限制在安全值以内，否则管子会因过热而损坏。作电流必须限制在安全值以内，否则管子会因过热而损坏。