模电教学++第一章+半导体二极管及应用.ppt

第1章二极管及其应用电路 1 1半导体的基本知识 1 2二极管的特性及主要参数 1 5二极管应用电路测试 1 4特殊二极管 1 3二极管的基本应用 1 1半导体的基本知识 一 半导体的基本知识根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 半导体的特性 1 温度特性 温度增高 导电能力增强 2 光照性 受到光照 其导电能力增强 3 掺杂特性 掺入少量杂质 导电能力增强 二 半导体的共价键结构 硅晶体的空间排列 三 半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 四 本征半导体 本征半导体 化学成分纯净的半导体 它在物理结构上呈单晶体形态 空穴 共价键中的空位 电子空穴对 由热激发而产生的自由电子和空穴对 空穴的移动 空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的 自由电子和空穴统称为载流子 五 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 可使半导体的导电性发生显著变化 掺入的杂质主要是三价或五价元素 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体 N型半导体 掺入五价杂质元素 如磷 的半导体 P型半导体 掺入三价杂质元素 如硼 的半导体 1 N型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键 而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子 在N型半导体中自由电子是多数载流子 它主要由杂质原子提供 空穴是少数载流子 由热激发形成 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子 因此五价杂质原子也称为施主杂质 2 P型半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时 缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴 在P型半导体中空穴是多数载流子 它主要由掺杂形成 自由电子是少数载流子 由热激发形成 空穴很容易俘获电子 使杂质原子成为负离子 三价杂质因而也称为受主杂质 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响 一些典型的数据如下 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 3 杂质对半导体导电性的影响 1 2半导体二极管 1 2 1PN结 1 2 2半导体二极管 1 2 1 1PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 对于P型半导体和N型半导体结合面 离子薄层形成的空间电荷区称为PN结 在空间电荷区 由于缺少多子 所以也称耗尽层 图2 1PN结的形成过程 1 2 1 2PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 反之称为加反向电压 简称反偏 1 PN结加正向电压时 PN结加正向电压时的导电情况 低电阻大的正向扩散电流 1 2 1 2PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 反之称为加反向电压 简称反偏 2 PN结加反向电压时 PN结加反向电压时的导电情况 高电阻很小的反向漂移电流 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 1 2 1 2PN结的单向导电性 3 PN结V I特性表达式 其中 IS 反向饱和电流 VT 温度的电压当量 且在常温下 T 300K 1 2 1 3 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然快速增加 此现象称为PN结的反向击穿 热击穿 不可逆 1 2 1 4PN结的电容效应 1 势垒电容CB 势垒电容示意图 1 2 1 4PN结的电容效应 2 扩散电容CD 扩散电容示意图 end 1 2 2半导体二极管 一 半导体二极管的结构 二 二极管的伏安特性 三 二极管的参数 实物图片 一 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型 面接触型和平面型三大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 3 平面型二极管 往往用于集成电路制造艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 4 二极管的代表符号 二 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 正向特性 反向特性 反向击穿特性 三 二极管的参数 end 半导体二极管图片 end 1 3特殊体二极管 1 3 1稳压二极管 1 3 2变容二极管 1 3 3光电子器件 1 光电二极管 2 发光二极管 3 激光二极管 1 3 1稳压二极管 1 符号及稳压特性 a 符号 b 伏安特性 1 稳定电压VZ 2 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 rZ VZ IZ 3 最大耗散功率PZM 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 5 稳定电压温度系数 VZ 2 稳压二极管主要参数 1 3 1稳压二极管 1 3 1稳压二极管 3 稳压电路 正常稳压时VO VZ 稳压条件是什么 不加R可以吗 上述电路VI为正弦波 且幅值大于VZ VO的波形是怎样的 end 1 4单相整流电路 一 单相半波整流电路 二 单相全波整流电路 一 单相半波整流电路 1 单相半波整流电路 单相半波整流电路如下图1所示 图1单相半波整流电路 2 工作原理 图中Tr为电源变压器 它的作用是将交流电网电压u1变成整流电路要求的交流电压u2 u2 RL是要求直流供电的负载电阻 VD为整流二极管 它是整流电路的关键器件 主要是靠它的单向导电性完成整流任务 在电压u2的正半周 设a端为正 b端为负时是正半周 二极管导通 在电压u2的负半周 a端为负 b端为正时是负半周 二极管截止 uL 0 流过负载RL的电流iL及负载两端电压uL的波形如图2所示 是单方向的半波脉动波形 图2半波整流电路波形图 3 主要参数计算 在研究整流电路时 主要考查整流电路输出电压平均值 即负载上的直流电压UL 和输出电流平均值 即负载上的直流电流IL 这两项指标 图3半波整流电路输出电压平均值 表达式为 解得平均值为 4 整流器件的选择 在整流电路中 一般应根据流过二极管电流的平均值和他所承受的最大反向电压来选择二极管的型号 在单相半波整流电路中 二极管的正向平均电流等于负载电流平均值 即二极管承受的最大反向电压等于变压器副边的峰值电压 即 一般情况下 允许电网电压有 10 的波动 即电源变压器初级电压为198 242V 因此 在选用二极管时 对于最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR均应至少留有10 的余地 以保证二极管安全工作 即选取 注意 单相半波整流电路简单易行 所用二极管数量少 但是 由于它只利用了交流电压的半个周期 所以输出电压低 交流分量大 即脉动大 效率低 因此 这种电路仅适用于负载电流较小 对脉动要求不高的场合 1 单相全波 桥式 整流电路 图4单相桥式整流电路 二 单相全波整流电路 2工作原理 图4中RL负载电阻 Tr为电源变压器 将220V交流电压变成整流电路要求的交流电压 四只整流二级管VD1 VD4接成电桥的形式 故称桥式整流电路 在电压的正半周 设a端为正 b端为负时为正半周 电流通路如图4 a 中实线箭头所示 电压的负半周 电流通路如图4 a 中虚线箭头所示 通过RL的电流iL以及RL上的电压uL的波形如图5所示 iL uL都是单方向的全波脉动波形 u2正半周时电流通路 D1 D4导通 D2 D3截止 u2负半周时电流通路 D2 D3导通 D1 D4截止 图5单相桥式整流电路波形图 3 主要参数计算 负载电阻RL上的直流电压 直流电流分别为 4 整流器件的选择 在桥式整流电路中 二极管D1 D3和D2 D4是两两轮流导通的 所以流经每个二极管的平均电流为 二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压从图7 5 a 看出 在u2正半周时 D1 D3导通 D2 D4截止 此时D2 D4所承受的最大反向电压均为u2的最大值 即 同理 在u2的负半周 D1 D3也承受同样大小的反向电压 考虑到电网电压允许波动 10 在实际选用二极管时 应至少有10 的余量