半导体二极管与整流电路.pptx

,#,#,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：,1,第,1,页,/,共,61,页,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、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。,2,第,2,页,/,共,61,页,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,3,第,3,页,/,共,61,页,1.,本征半导体,Ge,Si,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。,4,第,4,页,/,共,61,页,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,。,Si,Si,Si,Si,价电子,1.,本征半导体,5,第,5,页,/,共,61,页,Si,Si,Si,Si,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）。,6,第,6,页,/,共,61,页,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,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。,7,第,7,页,/,共,61,页,2.,掺杂半导体,掺入五价元素,Si,Si,Si,Si,p+,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。,8,第,8,页,/,共,61,页,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,。,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,9,第,9,页,/,共,61,页,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,Si,Si,Si,Si,在,P,型半导体中,空穴是多子，自由电子是少子。,B,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,10,第,10,页,/,共,61,页,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,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,11,第,11,页,/,共,61,页,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,多子扩散运动,内电场,E,少子漂移运动,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。,空间电荷区，,也称耗尽层。,多子边扩散边复合,12,第,12,页,/,共,61,页,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,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。,13,第,13,页,/,共,61,页,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,空间电荷区,N,型区,P,型区,14,第,14,页,/,共,61,页,15,第,15,页,/,共,61,页,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,:,16,第,16,页,/,共,61,页,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：,17,第,17,页,/,共,61,页,+,+,+,+,R,U,S,（,1,）,PN,结正向偏置,内电场,外电场,变薄,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。,+,_,空穴,自由电子,18,第,18,页,/,共,61,页,（,2,）,PN,结反向偏置,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,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,U,S,_,+,空穴,自由电子,19,第,19,页,/,共,61,页,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,结处于,截止,状态。,20,第,20,页,/,共,61,页,阴极引线,阳极引线,二氧化硅保护层,P,型硅,N,型硅,(,c,),平面型,金属触丝,阳极引线,N,型锗片,阴极引线,外壳,(,a,),点接触型,铝合金小球,N,型硅,阳极引线,PN,结,金锑合金,底座,阴极引线,(,b,),面接触型,1.2,半导体二极管,1.,二极管的结构示意图,阴极,阳极,(,d,),符号,D,21,第,21,页,/,共,61,页,2.,伏安特性,U,I,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U,BR,U,BR,远远大于,U,F,，一般为十几伏到几十伏,U,F,死区电压 硅管,0.5V,锗管0,.2V,。,P,N,+,-,正向偏置,P,N,+,-,反向偏置,反向截止区,反向电流很小,反向击穿区,22,第,22,页,/,共,61,页,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,RWM,一般是,U,BR,的一半或三分之二。,23,第,23,页,/,共,61,页,（,3,）反向峰值电流,I,RM,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。,24,第,24,页,/,共,61,页,（,4,）微变电阻,r,D,i,D,u,D,I,D,U,D,Q,r,D,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，,r,D,是对,Q,附近的微小变化区域内的电阻。,u,D,i,D,25,第,25,页,/,共,61,页,（,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,C,B,和,扩散电容,C,D,。,势垒电容：,势垒区是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,C,D,。,P,+,-,N,26,第,26,页,/,共,61,页,C,B,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,r,d,二极管的微变电阻和极间电容为交流参数,27,第,27,页,/,共,61,页,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。,28,第,28,页,/,共,61,页,电路如图，求：,U,AB,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，,U,AB,=,6V,否则，,U,AB,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。,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,1.3,半导体二极管的简单应用,29,第,29,页,/,共,61,页,u,i,8V,，二极管导通，可看作短路,u,o,=8V,u,i,V,b,，,二极管,D,导通；,3.,工作波形,u,负半周，,V,a,0,时,D,1,D,3,导通,D,2,D,4,截止,电流通路,:,A,D,1,R,L,D,3,B,u,2,0,时,D,2,D,4,导通,D,1,D,3,截止,电流通路,:,B,D,2,R,L,D,4,A,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,u,2,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,o,A,B,39,u,2,u,D4,u,D2,u,D3,u,D1,u,o,第,39,页,/,共,61,页,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！,40,第,40,页,/,共,61,页,1.4.3,整流电路的主要参数,1.,整流输出电压平均值（,U,o,）,全波整流时，负载电压,U,o,的平均值为,:,2.,负载平均电流（,I,L,）,41,第,41,页,/,共,61,页,平均电流,(,I,D,),与反向峰值电压,(,U,RM,),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,I,D,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,42,第,42,页,/,共,61,页,滤波电路的结构特点,:,电容与负载,R,L,并联，或电感与负载,R,L,串联。,交流,电压,脉动,直流电压,整流,滤波,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,43,第,43,页,/,共,61,页,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.,电容滤波原理,桥式整流电容滤波电路,a,u,1,u,2,u,1,b,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,o,S,C,+,44,第,44,页,/,共,61,页,（,1,）,R,L,未接入时,（忽略整流电路内阻）,u,2,t,u,o,t,设,t,1,时刻接通电源,t,1,充电结束,没有电容时的输出波形,a,u,1,u,2,u,1,b,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,o,S,C,+,无放电回路电压保持,45,第,45,页,/,共,61,页,（,2,）,R,L,接入（且,R,L,C,较大）时,（忽略整流电路内阻）,u,2,t,u,o,t,在,u,2,小于电容电压时，二极管截止，电容不充电，电容通过,R,L,放电，,u,o,会逐渐下降。当电容电压下降到低于,u,2,时，又开始充电。,a,u,1,u,2,u,1,b,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,o,S,C,+,46,第,46,页,/,共,61,页,u,2,t,u,o,t,只有,u,2,电压大于,u,C,时，二极管导通才有充电电流,i,D,。因此二极管电流是脉冲波。,二极管电流,i,D,的波形,a,u,1,u,2,u,1,b,D,4,D,2,D,1,D,3,R,L,u,o,S,C,+,i,D,可见，采用电容滤波时，整流管的导通角变小。,47,第,47,页,/,共,61,页,一般取,(,T,:,电源电压的周期,),近似估算,:,U,o,=1.2,U,2,。,（,2,）流过二极管瞬时电流很大。,R,L,C,越大,U,o,越高,负载电流的平均值越大,;,整流管导电时间越短,i,D,的峰值电流越大,故一般选管时，取,2.,电容滤波电路的特点,（,1,）输出电压,U,o,与放电时间常数,R,L,C,有关。,R,L,C,愈大,电容器放电愈慢,U,o,(,平均值,),愈大,48,第,48,页,/,共,61,页,输出波形随负载电阻,R,L,或,C,的变化而改变,U,o,和,S,也随之改变。,如,:,R,L,愈小,(,I,L,越大,),U,o,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）,u,o,电容,滤波,纯电阻负载,1.4,U,2,0.9,U,2,0,I,L,49,第,49,页,/,共,61,页,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,R,L,=200,，要求直流输出电压,U,o,=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,u,R,L,u,o,+,+,+,C,解：（,1,）选择整流二极管,可选用二极管,2CP11,I,OM,=100mA,U,DRM,=50V,50,第,50,页,/,共,61,页,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,R,L,=200,，要求直流输出电压,U,o,=30V,，选择整流二极管及滤波电容器。,取,R,L,C,=5,T,/2,已知,R,L,=50,u,R,L,u,o,+,+,+,C,解,：（,2,）选择滤波电容器,可选用,C,=250,F,，耐压为,50V,的极性电容器,51,第,51,页,/,共,61,页,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。,电感滤波电路,u,2,u,1,R,L,L,u,o,52,第,52,页,/,共,61,页,对直流分量,:,X,L,=0,相当于短路,电压大部分降在,R,L,上。,对谐波分量,:,f,越高，,X,L,越大,电压大部分降在,X,L,上。,因此，,在输出端得到比较平滑的直流电压。,U,o,=0.9,U,2,当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：,u,2,u,1,R,L,L,u,o,53,第,53,页,/,共,61,页,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,(,R,L,较小,),的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。,u,2,u,1,R,L,L,u,o,电感电流不能跳变,故负载电流可持续,54,第,54,页,/,共,61,页,1.5.1,稳压二极管,U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,稳压灵敏度,曲线越陡，电压越稳定。,U,Z,1.5,稳压二极管及其应用,反向击穿电压,最小稳定电流,I,Zmin,U,Z,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。,55,第,55,页,/,共,61,页,稳压原理,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,+,限流电阻,+,u,i,u,o,U,z,稳压管特性,i,z,i,u,R,U,o,稳定,56,第,56,页,/,共,61,页,（,4,）稳定电流,I,Z,、,最大、最小稳定电流,I,zmax,、,I,zmin,。,（,5,）最大允许功耗,稳压二极管的参数,（,1,）稳定电压,U,Z,（,2,）电压温度系数,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（,3,）动态电阻,57,第,57,页,/,共,61,页,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,U,o,I,Z,D,Z,R,I,L,I,U,i,R,L,+,限流电阻,+,58,第,58,页,/,共,61,页,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,U,0,6V,，流过稳压管的电流为,3mA,。,若,U,i,20V,，稳压管能正常工作，输出电压,U,0,6V,U,R,U,I,U,0,20,6,14V,流过稳压二极管的电流为,I,I,O,14,6,8mA,若,U,i,10V,，稳压管未进入反向击穿区，电路中,R,和,R,L,串联，输出电压,U,0,5V,59,第,59,页,/,共,61,页,I,U,照度增加,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,60,第,60,页,/,共,61,页,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。,61,第,61,页,/,共,61,页,