半导体二极管及整流电路课件

半導體二極體及整流電路

自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。

有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑膠和石英。

另有一類物質的導電特性處於導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、矽、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。第一節半導體的導電特性及PN結

半導體的導電機理不同於其他物質，所以它具有不同於其他物質的特點。比如：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。往純淨的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。在熱力學溫度零度和沒有外界激發時,本征半導體不導電。

把純淨的沒有結構缺陷的半導體單晶稱為本征半導體。它是共價鍵結構。本征半導體的共價鍵結構矽原子價電子

一、半導體的導電特性+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴本征激發複合在常溫下自由電子和空穴的形成成對出現成對消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場方向空穴導電的實質是共價鍵中的束縛電子依次填補空穴形成電流。故半導體中有電子和空穴兩種載流子。

空穴移動方向

電子移動方向

1.兩種載流子價電子填補空穴結論1.本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。3.溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。2.本征半導體的導電能力取決於載流子的濃度。+4+4+4+4+4+4+4+42.兩種半導體（1）N型半導體在矽或鍺的晶體中

摻入少量的五價元素,如磷,則形成N型半導體。

磷原子+4+5多餘價電子自由電子正離子

N型半導體結構示意圖少數載流子多數載流子正離子在N型半導中,電子是多數載流子,

空穴是少數載流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴（2）P型半導體在矽或鍺的晶體中

摻入少量的三價元素,如硼,則形成P型半導體。

+4+4硼原子填補空位+3負離子

P型半導體結構示意圖電子是少數載流子負離子空穴是多數載流子1.N型半導體中電子是多子，其中大部分是摻雜提供的電子，本征半導體中受激產生的電子只占少數。N型半導體中空穴是少子，少子的遷移也能形成電流，由於數量的關係，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。2.P型半導體中空穴是多子，電子是少子。結論P區N區1.PN結的形成

用專門的製造工藝在同一塊半導體單晶上,形成P型半導體區域和

N型半導體區域,在這兩個區域的交界處就形成了一個PN結。N區的電子向P區擴散並與空穴複合P區的空穴向N區擴散並與電子複合空間電荷區內電場方向二、PN結及其單向導電性多子擴散少子漂移內電場方向空間電荷區P區N區在一定的條件下，多子擴散與少子漂移達到動態平衡，空間電荷區的寬度基本上穩定下來。

內電場方向E外電場方向RI2.PN結的單向導電性P區N區外電場驅使P區的空穴進入空間電荷區抵消一部分負空間電荷N區電子進入空間電荷區抵消一部分正空間電荷空間電荷區變窄

擴散運動增強，形成較大的正向電流（1）外加正向電壓P區N區內電場方向ER空間電荷區變寬外電場方向IR（2）外加反向電壓外電場驅使空間電荷區兩側的空穴和自由電子移走少數載流子越過PN結形成很小的反向電流多數載流子的擴散運動難於進行1、空間電荷區中沒有載流子又稱耗盡層。2、空間電荷區中內電場阻礙擴散運動的進行。（擴散運動為多子形成的運動）3、少子數量有限，因此由它們形成的電流很小。4、PN結具有單向導電性。

正向偏置：P區加正、N區加負電壓多子運動增強，PN結導通

反向偏置：P區加負、N區加正電壓少子運動增強，PN結截止結論

正極引線觸絲N型鍺支架外殼負極引線點接觸型二極體1.二極體的結構和符號二極體的符號正極負極三、半導體二極體

正極引線二氧化矽保護層P型區負極引線面接觸型二極體N型矽PN結PN結二極體的型號例如：2CK18

序號（K--開關、W--穩壓、Z--

功能整流、P--檢波）（A、B--鍺）

材料（C、D--矽）

二極體2.伏安特性UI死區電壓矽管0.5V,鍺管0.2V。導通壓降:矽管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)小結：（1）二極體正向電壓很小時，有死區。（2）二極體正嚮導通時管壓降基本固定。導通電阻很小。（3）二極體反向截止時，反向電流很小，並幾乎不變，稱反向飽和電流。（4）反向電壓加大到一定程度二極體反向擊穿。3.主要參數（1）最大整流電流IOM二極體長期使用時，允許流過二極體的最大正向平均電流。（2）反向擊穿電壓UBR二極體反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極體的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓URM一般是UBR的一半。（3）最大反向電流IRM指二極體加最大反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。矽管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。以上均是二極體的直流參數，二極體的應用是主要利用它的單向導電性包括整流、限幅、保護等例1.試求下列電路中的電流。（二極體為矽管）

二極體為非線性元件在分析計算時和以往線性元件不同下麵我們以例子說明。4.分析、應用舉例

二極體的應用範圍很廣,它可用與整流、檢波、限幅、元件保護以及在數字電路中作為開關元件。其中：US=5V，R=1K

解：所示電路中二極體處於導通狀態，因此：+-USRI二極體為電流控制型元件，R是限流電阻。

例2：下圖中，已知VA=3V，VB=0V，VDA

、VDB為鍺管，求輸出端Y的電位並說明二極體的作用。解：VDA優先導通，則VY=3–0.3=2.7VVDA導通後,VDB因反偏而截止,起隔離作用,VDA起鉗位作用,將Y端的電位鉗制在+2.7V。VDA

–12VYABVDBR二極體導通後，管子上的管壓降基本恒定。第二節整流電路一、單相半波整流電路1.電路組成uo

to

to

to

to

2

3

uou2u2u1uDioioRLT

2

3

2U22U22U2Im

2

2

3

3

uD2.工作原理VDu2正半周負uo輸出電壓平均值（U0）：輸出電壓波形：3.

電路計算uou2u1ioRLTuDVDuO

t0

t

t

t

2

3

uOu2u2u1uDuDiOiOVDRLT

2

3

2U22U22U2Im

2

2

3

3

UO=0.45U2,IO=UORL

=0.45U2RLID=IO,UDRM=2U2U2=2.22

UOI2=Im2,I2=1.57IO,

IO=Im

000

Im=2U2RLVD1和VD3導通,VD2和VD4截止(相當於開路)第8章u2Tu1RLuoio2.整流工作原理+–+–+–—u2正半周二、橋式整流電路1.橋式整流工作的組成由變壓器

T

和二極體V

D1VD4及負載

RL

組成。VD4VD3VD2VD1第8章u2Tu1RLVD4VD3VD2uoio2.整流工作原理—u2負半周VD1+–+–+–VD2和VD4導通，VD1和VD3截止totototo

2

3

2

3

2U22U22U2Im

2

2

3

3

uD1uD3uD4uD23.

電壓、電流的計算UO=0.9U2,0.9U2RLIO=UORL=UDRM

=2U2,IO=0.9I2,I2

=1.11IO,

U2=1.11UO選用二極體的依據是:ID應小於IOM

(最大整流電流）UDRM應小於URM(最高反向工作電壓)uOu2uDiOID

=IO12第8章濾波原理:交流電壓經整流電路整流後輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性,將電容與負載RL並聯(或將電感與負載RL串聯)，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。第三節濾波電路電容充電電容放電二極體導通時給電容充電,二極體截止時電容向負載放電.一、電容濾波電路1.電路組成和工作原理第8章u2Tu1RLVD1VD4VD3VD2uoioCuCau0RL接入（且RLC較大）時u2tu0t忽略整流電路內阻沒有電容時的輸出波形整流電路為電容充電電容通過RL放電，在整流電路電壓小於電容電壓時，二極體截止，整流電路不為電容充電，u0會逐漸下降。具體分析：u1u2u1bD4D2D1D3RLSCu2tu0t忽略整流電路內阻只有整流電路輸出電壓大於u0的時間區間，才有充電電流。因此整流電路的輸出電流是脈衝波。整流電路的輸出電流RL接入（且RLC較大）時u1u2u1bD4D2D1D3RLSCu02.工作波形u2Tu1RLVD1VD4VD3VD2uOiOCuCtiDuO2U20tt1t4t3t22U2IO

UO0.9U20.45U2全波整流電容濾波電路的外特性

'

'

TUO=1.2U2RLC

≥(3~5)23.外特性00uou2uDioVDRLTu1Ct0

2

3

2U2Io

Uo半波整流電容濾波電路的外特性2U20.9U20.45U24.半波整流電容濾波電路估算公式:UO=1.0U2

2UDRM=2U2注意:UDRu20分析RL未接入時的情況：u2tu0t整流電路為電容充電充電結束忽略整流電路內阻u2u1bD4D2D1D3RLSCu0一般取(T:電源電壓的週期)（1）近似估算:半波Uo=U2，全波Uo=1.2U2。(3)流過二極體暫態電流很大RLC越大

U0越高,負載電流的平均值越大

整流管導電時間越短

iD的峰值電流越大故一般選管時，取2.電容濾波電路的特點(2)輸出電壓U0與時間常數RLC有關，希望C足夠大。RLC愈大

電容器放電愈慢

U0(平均值)愈大，輸出波形隨負載電阻RL或C的變化而改變,U0也隨之改變。如:RL愈小(I0越大),U0下降多。電容濾波電路適用於輸出電壓較高,負載電流較小且負載變動不大的場合。(4)、輸出特性(外特性):uL電容濾波純電阻負載1.4U20.9U20IL結論二、複式濾波電路1.LC濾波電路RLLC

濾波電路輸出電壓波形更為平滑，濾波效果較好。Tuou2iou1LC第8章TRL2.

型濾波器(1)CLC濾波器(2)CRC濾波器uou2iou1LC2C1TRLuou2iou1C2C1R第四節穩壓管及穩壓電路IFUF0正向特性反向激穿區UZIminIZmaxVZ正極負極符號伏安特性一、穩壓管

穩壓管是一種特殊的面接觸型半導體二極體。0

穩壓管的主要參數1.穩定電壓UZ

2.最小穩定電流Imin

3.最大穩定電流IZmax4.動態電阻RZ

IZ

UZRZ=

IZ

UZ5.電壓溫度係數

VZT6.最大允許耗散功率PMIFUFIminIZmax直流穩壓電源的組成濾波電路整流電路穩壓電路負載變壓器交流電源各部分電路輸出波形二、矽穩壓管穩壓電路1.穩壓電路的工作原理TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1穩壓—當輸入電壓Ui發生變化，負載RL變化時，輸出電壓基本不變下麵分別以兩種情況來討論：U0IZUR=IRR=（IZ+Io）RU0當Ui增加使U0升高時TRLCUiRIRUZIZVZUou2iou1U0IZUR=IRR=（IZ+Io）RU0當RL減小，輸出電流增加，使U0減小時2.穩壓管參數的選擇（1）穩壓電路穩壓的實質是靠穩壓管的調節作用和電阻的補償作用。（2）使用穩壓管時必須串聯電阻。（3）在穩壓電路中，穩壓管通常為反接；UZ=UO

，IZmax≥2~3IOmax3.總結及注意：RLUiUZIZVZUoioRIR1.簡介隨著半導體工藝的發展,現在已生產並廣泛應用的單片集成穩壓電源，具有體積小,可靠性高,使用靈活,價格低廉等優點。最簡單的集成穩壓電源只有輸入，輸出和公共引出端,故稱之為三端集成穩壓器。本節主要介紹常用的W7800系列三端集成穩壓器，其內部是串聯型電晶體穩壓電路。該組件的外形如下圖，穩壓器的矽片封裝在普通功率管的外殼內，電路內部附有短路和過熱保護環節。三、集成穩壓器1端:輸入端2端:公共端3端:輸出端W7800系列穩壓器外形1231端:公共端2端:輸入端3端:輸出端W7900系列穩壓器外形123W78，W79系列內部是：具有放大環節的串聯型電晶體穩壓電路串聯型穩壓電路的組成框圖由五個環節組成採樣環節調整元件比較放大基準電壓UoUi整流濾波2.

三端集成穩壓器基本穩壓電路Uo

=

12VW7812123Co++UiCi可根據需要,選用W78XX,則Uo

=

XX

V。第8章輸入與輸出端之間的電壓一般不得低於3V！3.同時輸出正、負電壓的穩壓電路W7915W7815CO+15V–15VUO1選用不同