半导体二极管及整流电路

1、半导体二极管及整流电路第1页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二8.1.1 半导体的导电特征半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子 自由运动的带电粒子。共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动第2页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二本征激发：复 合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂 移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。 在室温或

2、光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。第3页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动半导体的导电特征IIPINI = IP + IN+ 电子和空穴两种载流子参与导电 在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流IN 。空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流IP 。第4页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二 结论:1. 本征半导体中电子空穴成对出现, 且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子

3、参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度、光照等外 界条件有关。8.1.2 N型半导体和P型半导体 本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很弱。如果有控制、有选择地掺入微量的有用杂质（某种元素），将使其导电能力大大增强，成为具有特定导电性能的杂质半导体。第5页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二一、N 型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元 素磷。N 型磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数 电子数+5+4+4+4+4+4正离子多数载流子少数载流子N 型半导体的简化图示第6页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二P 型硼原子空穴空穴 多子

4、电子 少子载流子数 空穴数二、P 型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元 素硼。+4+4+4+4+4+3P型半导体的简化图示多数载流子少数载流子负离子第7页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二8.1.3 PN结的形成一、载流子的浓度差引起多子的扩散二、 复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层) 空间电荷区特点:无载流子、阻止扩散进行、利于少子的漂移。三、 扩散和漂移达到动态平衡扩散电流 等于漂移电流， 总电流 I = 0。内电场扩散运动：漂移运动：由浓度差引起的载流子运动。载流子在电场力作用下引起的运动。第8页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二一、加正向电压(正向

5、偏置)导通P 区N 区内电场+ UR外电场外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。 I限流电阻扩散运动加强形成正向电流 I 。I = I多子 I少子 I多子二、加反向电压(反向偏置)截止P 区N 区 +UR内电场外电场外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。IPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流 II = I少子 08.1.4 PN结的单向导电性第9页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二8.3 二极管8.3.1 二极管的结构8.3.2 二极管的伏安特性8.3.3 二极管的

6、主要参数8.3.4 二极管电路的分析第10页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二8.3.1 二极管的结构构成：PN结 + 引线 + 管壳 = 二极管 (Diode)符号：分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线 面接触型N型锗PN结 正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型正极引线负极引线集成电路中平面型pNP型支持衬底第11页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二第12页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二8.3.2 二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死区电压iD

7、 = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(锗管)U UthiD 急剧上升0 U Uth 反向特性U (BR)反向击穿U（BR) U 0 iD 0.1 A(硅) 几十A (锗)U U（BR）反向电流急剧增大(反向击穿)击穿电压第13页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因： 齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。 PN结未损坏，断电即恢复。 PN结烧毁。第14页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二1. IOM 最大整流电流（最大正向平均电流）2.

8、 URM 最高反向工作电压，为U(BR) / 2 3. IRM 最大反向电流（二极管加最大反向电压时的 电流，越小单向导电性越好）8.3.3 二极管的主要参数8.3.4 二极管电路的分析一、理想二极管特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD= 0 ; 反偏截止， iD= 0第15页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二二、实际二极管uDiD例 1 硅二极管，R = 2 k，求出 VDD = 2 V 时 IO 和 UO 的值。（忽略二极管正的向工作电压）UOVDDIOR解：VDD = 2 V IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2

9、VUOVDDIOR硅管 0.6 V锗管 0.2 V二极管正的向工作电压第16页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二例 2 ui = 2 sin t (V), 分析二极管的限幅作用（二极管的死区电压为0.5V，正向工作电压0.6V）。D1D2uiuOR 0.6 V ui 0.6VD1、D2 均截止uO= uiuO= 0.6 Vui 0.6 VD2 导通 D截止ui 0.6 VD1 导通 D2 截止uO= 0.6VOtuO/ V0.6Otui / V2 0.6解：第17页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二例3 二极管构成“门”电路，设 D1、D2 均为理想二极

10、管，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UF 的值。0 V正偏导通正偏导通0 V0 V5 V正偏导通反偏截止0 V5 V0 V反偏截止正偏导通0 V5 V5 V正偏导通正偏导通5 VFR3 kW12 VD1D2BAUAUBUFR3 kW12 VVDDD1D2BAF输入电压理想二极管输出电压UAUBD1D20 V0 V正偏导通正偏导通0 V0 V5 V正偏导通反偏截止0 V5 V0 V反偏截止正偏导通0 V5 V5 V正偏导通正偏导通5 V第18页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二 8.4 单相整流电路第19页，共32页，20

11、22年，5月20日，1点36分，星期二滤波整流稳压变压交流电源负载OtuOtuOtuOtuOtu220 V单向脉动直流电压合适的交流电压滤波稳压半导体整流电源的组成框图第20页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二 单相半波整流电路第21页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二to23u2to23 uOto23 iD= iOto23 uDDRL220 V+ uu2iD=iOuD+第22页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二变压器副变电压有效值变压器副边电流有效值为整流电流平均值第23页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二例8.

12、1 已知负载电阻RL =300,负载电压UO=24V。今采用单相半波整流电路，交流电源电压为220V。（1）根据电路要求选择二极管。（2）求整流变压器的变比和容量。解： 负载电流：每个二极管通过的平均电流变压器二次侧电压的有效值为 可选用2CP12二极管，其最大整流电流为100mA，最高反向工作峰值电压为100V。二极管承受的最高反压：第24页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二 变压器的变比： 变压器副边电流有效值 变压器的容量： 单相半波整流电路使用元件少，输出电压脉动大，电压低，效率低。第25页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二 单相桥式整流电路第2

13、6页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二+uoRLio+u2u1+uoioRLD4D3D2D1u2u1D4D1D2D3+u2RL+uoiou1D3D1D2D4+u2RL+uoiou1一、桥式整流电路（几种画法）第27页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二二、桥式整流电路工作原理RLioD4D3D2D1+u2+uo承受反压截止+u1u2正半周：D1和D3导通，D2和D4截止。第28页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二RLD4D3D2ioD1+u2+uou2负半周：+u1承受反压截止D2 和 D4导通, D1和 D3 截止。第29页，共32页，2022年，5月20日，1点36分，星期二1. 波形输入负半周D3RLD4D2D1u1u2+uo+ioioRLD4D3D2D1+u2u1+uo输入正半周totototo23232233uOu2uDiD= iOD2