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文档简介
第6章二极管及直流稳压电路,6.2半导体二极管,6.3稳压二极管,6.4整流、滤波及稳压电路,6.1半导体的基本知识,第6章二极管及直流稳压电路,本章要求:一、理解PN结的单向导电性;二、了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线,理解主要参数的意义;三、会分析含有二极管的电路;四、理解单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算;五、了解稳压管稳压电路的工作原理。,6.1半导体的基本知识,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,6.1.1本征半导体,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。,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,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)。,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,温度对半导体器件性能影响很大。,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。,6.1.2N型半导体和P型半导体,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。,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),形成杂质半导体。,在N型半导体中自由电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,6.1.2N型半导体和P型半导体,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数载流子,自由电子是少数载流子。,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。,1.在杂质半导体中多子的数量与(a.掺杂浓度、b.温度)有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与(a.掺杂浓度、b.温度)有关。,3.当温度升高时,少子的数量(a.减少、b.不变、c.增多)。,a,b,c,4.在外加电压的作用下,P型半导体中的电流主要是,N型半导体中的电流主要是。(a.电子电流、b.空穴电流),b,a,6.1.3PN结及其单向导电性,1.PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P型半导体,N型半导体,内电场越强,漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称PN结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡,空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,2.PN结的单向导电性,(1)PN结加正向电压(正向偏置),PN结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱,多子的扩散加强,形成较大的扩散电流。,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。,(2)PN结加反向电压(反向偏置),P接负、N接正,PN结变宽,(2)PN结加反向电压(反向偏置),内电场被加强,少子的漂移加强,由于少子数量很少,形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。,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。,6.2半导体二极管,6.2.1基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大,用于工频大电流整流电路。,(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,半导体二极管的结构和符号,6.2半导体二极管,二极管的结构示意图,6.2.2伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,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。,正向特性,反向特性,特点:非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,6.2.3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.反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏,甚至过热而烧坏。,3.反向峰值电流IRM,指二极管加最高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,IRM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,锗管的反向电流较大,为硅管的几十到几百倍。,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。,6.2.4二极管的应用,定性分析:判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法:将二极管断开,分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若V阳V阴或UD为正(正向偏置),二极管导通若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一个管压降,为6.3或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。,两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点,断开二极管,分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6V,V2阳=0V,V1阴=V2阴=12VUD1=6V,UD2=12VUD2UD1D2优先导通,D1截止。若忽略管压降,二极管可看作短路,UAB=0V,例2:,D1承受反向电压为6V,流过D2的电流为,求:UAB,在这里,D2起钳位作用,D1起隔离作用。,ui8V,二极管导通,可看作短路uo=8VuiVb,二极管D导通;,3)工作波形,u负半周,VaVb,二极管D1、D3导通,D2、D4截止。,3)工作波形,uD2uD4,1)电路结构,2.单相桥式整流电路,2)工作原理,3)工作波形,uD2uD4,1)电路结构,u正半周,VaVb,二极管1、3导通,2、4截止。,u负半周,VauC时,二极管导通,电源在给负载RL供电的同时也给电容充电,uC增加,uo=uC。,uuC时,二极管截止,电容通过负载RL放电,uC按指数规律下降,uo=uC。,=uC,3)工作波形,二极管承受的最高反向电压为。,4)电容滤波电路的特点,(T电源电压的周期),(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。,RLC越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大,波形越平滑。,近似估算取:Uo=1.2U(桥式、全波)Uo=1.0U(半波),当负载RL开路时,,为了得到比较平直的输出电压,(2)外特性曲线,结论,采用电容滤波时,输出电压受负载变化影响较大,即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。,(3)流过二极管的瞬时电流很大,选管时一般取:IOM=2ID,RLC越大O越高,IO越大整流二极管导通时间越短iD的峰值电流越大。,有电容滤波,无电容滤波,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=20V,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2CZ52B,IOM=100mAURWM=50V,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=5T/2,已知RL=200,解(1)选择滤波电容器,可选用C=250F,耐压为50V的极性电容器,2.电感电容滤波器,1)电路结构,2)滤波原理,对直流分量:XL=0,L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L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。,当流过电感的电流发生变化时,线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。,LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合,用于高频时更为合适。,3.形滤波器,形LC滤波器,滤波效果比LC滤波器更好,但二极管的冲击电流较大。,比形LC滤波器的体积小、成本低。,形RC滤波器,R愈大,C2愈大,滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加,主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。,6.4.3稳压管稳压电路,2.工作原理,UO=UZIR=IO+IZ
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