半导体二极管及基本电路.ppt

1、1,第5章 半导体二极管 及基本电路,基本要求 理解 P N 结的单向导电性，理解二极管、稳压管的工作原理，掌握分析二极管、稳压管电路的分析方法。 基本内容 基础知识 半导体二极管 二极管基本电路及分析方法 稳压二极管及电路分析方法,2,5.1 半导体的基础知识,按物体的导电性能，可将物体分为导体、绝缘体和半导体三类。 1.导体：电阻率很低、电流易通过、导电性强的物体。 2.绝缘体：电阻率很高、电流不通过、无导电能力的物体。 3.半导体：它的导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。 半导体是如何导电的？怎样提高其导电能力？,3,半导体经高度提纯并制成晶体后，原子间组成某种形式的晶体点阵，这种半导体

2、称为本征半导体。也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,一. 本征半导体,(a) 锗Ge 的原子结构 (b) 硅Si 的原子结构,4,本征半导体导电方式,以硅（Si）元素为例讨论、分析 硅单晶中的共价键结构,5,1）自由电子和空穴的形成,在外界的影响下（如热、光、电场、磁场等），使得其共价键中的价电子获得一定能量后，电子受到激发脱离共价键，成为自由电子（带负电），共价键中留下一个空位，称为“空穴”。,价电子,空穴 自由电子,6,2）载流子的形成,在外电场的作用下，价电子填补空穴，就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，空穴运动相当于正电荷的运动。 当加上一定方向的电场后，就

3、会不断有激发、复合过程，出现两部分的电流，即 电子电流：自由电子作定向运动所形成的电； 空穴电流：被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的电流。 自由电子和空穴是运载电荷的粒子，称为载流子,7,二.杂质半导体,杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素），而形成的半导体。,N 型半导体,P 型半导体,8,在硅（或锗）的晶体中掺人少量的五价元素（如磷元素），如图所示，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。,1. N 型半导体,磷原子的结构,硅晶体中掺磷出现自由电子,9,N 型半导体示意图,半导体中的自由电子数目大量增加，于是有： 自由电子数 空穴数 多数载流子 少数载流子

4、以自由电子导电作为主要导电方式的半导体，称为电子半导体或 N 型半导体（N type semiconductor ) 。,10,自由电子数 空穴数 少数载流子 多数载流子 以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半导体或 P型半导体 (P type semiconductor ) 。,硅 晶 体 掺 硼 出 现 空 穴,硼原子的结构,2. P 型半导体,11,掺杂浓度,温度,N 型、P 型半导体示意图N 型半导体 P 型半导体,杂质半导体中多数载流子浓度取决于 少数载流子浓度取决于,12, 半导体中存在着两种载流子-自由电子和空穴。因此，半导体的导电原理明显区别于导体。 在本征半导体中掺微

5、量杂质可以控制半导体的导电能力和参加导电的主要载流子的类型。 环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例如当温度增加或受到光照时，半导体导电能力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用这一特性制造的。,半导体的特点：,13,三. P N 结,多数载流子要从浓度大的 区域扩散到浓度小的区域，形成空间电荷区-PN结，产生电场，称为内电场 Ed ； 内电场对多数载的扩散运动起阻挡作用，对少数载流子又起推动作用，这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。,14,注意： 1）空间电荷区的正负离子虽带电，但它们不能移动，不参与导电。因区域内的载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。 2）内

6、电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区-PN结又称为阻挡层或耗尽层。,1. PN结的形成,15,2. P N 结的单向导电性,1）PN 结加正向电压,16,2） PN 结加反向电压,17,2） PN 结加反向电压,结论： P N 结具有单向导电性。 加正向电压，PN结导通，正向电流较大，结电阻很低。 加反向电压，PN 结截止，反向电流很小，结电阻很高。,18,3） PN 击穿,当加在PN结的反向电压超过某一数值（UBR）时，反向电流会急剧增加，这种现象称为反向击穿。只要PN结不因电流过大产生过热而烧毁，反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。 4）PN结的电容效应 加在PN结上的

7、电压的变化可影响空间电荷区电荷的变化，说明PN结具电容效应。PN结的结电容的数值一般很小，故只有在工作频率很高的情况下才考虑PN结的结电容作用。,19,5.2 半导体二极管,一. 点接触式和面接触式二极管的结构,20,二. 伏安特性（VA特性),硅二极管的伏安特性,二极管的伏安特性将二极管分为三种状态截止、导通和击穿。,21,硅二极管的伏安特性 锗二极管的伏安特性,22,1）正向特性： OA段：当 UF UT （死区电压）时外电场不 足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流 IF 很小(I F 0)， D处于截止状态。 硅(Si)：U T 0.5V; 锗(Ge): U T 0.1

8、V。 AB段：当 U F U T后， Ed扩散运动 I F D 导通。 D导通时的正向压降，硅管约为(0.60.7)V，锗管约为(0.20.3)V。,分析：,23,2） 反向特性,OC段：当 U R U BR （击穿电压）时，,一般情况下，锗管反向电流I R硅管I R反向电流。,24,综述：,1）二极管的 VA 特性为非线性； 2）当 时，且 U D U T ，则 D 导通； 3）当 -U BR U D U T ，有I R 0，则D 截 止； 4）当 时，且 绝对值U R U BR ，则反向击穿烧坏。,25,三. 主要参数,1）最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时，允许流过二极管的

9、最大正向平均电流。 2）最高反向工作电压 U R M 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。 U R M=（击穿电压）/ 2 3）最大反向电流 I R M 当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的反向电流。 I R M越小，单向导电性好。,26,二极管的应用很广，其基本电路有整流电路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器件，分析电路时常采用模型分析法。 理想模型 恒压模型,5.3 二极管基本电路及分析方法,27,例 1.,当输入电压为 ui ，试绘出输出电压 uo 波形。设U c ( 0+ ) = 0，tp RC ，D为理想二极管。,整流作用,28,例 2.,开关电路如图所示，当输入端

10、UA = 3V ， UB = 0 V,试求 输出端 Y 的电位 UY。,解： UA = 3V， UB = 0V DA优先导通， DB 截止； 则 UY = UAUD =30.7(0.3)= 2.3( 2.7) V,例 2图,UA UB U 0 2.3 0 3 2.3 3 3 2.3 0 0 -0.7,1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0,电路的逻辑关系为或逻辑 二极管具有钳位作用,29,例 3.,限幅（削波）作用电路如图所示，,求 uo 及画出波形。,解：1）当 ui E 时， D导通； uo = UD + E E 2) 当 ui E 时, D截止， uo = ui,30,5. 4

11、稳压二极管（DZ),稳压二极管的工作机理是利用PN结的击穿特性。 一. VA特性、符号、状态,31,分析：,1）稳压管的正向特性与二极管相同。 2）稳压管的反向特性 OA段 ：当 0U UZ （反向击穿电压，数值较小）时，I Z很小，稳压管截止； AB段：当 U UZ 时，稳压管反向击穿，I Z 很大，虽 I Z变化范围很大，但 DZ 稳压管两端的电压UZ 变化很小；体现了稳压特性。 由此得知： 1）稳压管的 VA 特性为非线性，且反向特性很陡，； 2）稳压管有导通、截止、击穿三个状态，常工作于反向击穿状态。,32,二. 主要参数,1). 稳定电压 UZ DZ在正常工作下管子两端的电压，也就是

12、它的反向击穿电压。 2). 稳定电流 IZ DZ在稳定电压工作管子中的工作电流。 3). 动态电阻 rZ DZ管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。即,（动态电阻愈小， 稳压性能愈好。）,33,例 1.,电路如图所示，设稳压管DZ1 和DZ2 的稳定电压分别为5V和10V, 试求出输出电压U，判断稳压管所处的工作状态。已知稳压管正向电压为0.7V。 解： 当DZ1 和DZ2断开时， 同时加有25V反向电压。 由于DZ1DZ2小， DZ1先被击穿，UO5V， 因而DZ1处于击穿状态， DZ2处于截止状态。,34,5.5 二极管和稳压管在直流电源中的应用,半导体直流电源的原理方框图。,基本要求

13、：理解单相整流、滤波、稳压电路的工作原理，掌握设计全波整流、电容滤波电路的方法。,35,图中各环节的功能如下：,1. 变压：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。 2. 整流电路：将交流电压变换为单向脉动的直流电压。 3. 滤波电路：减小整流电压的脉动程度，以适合负载的需要。 4. 稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动时，使直流输出电压稳定。,36,一、变压,利用变压器将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。 变压器结构、符号和参数,额定容量SN=UN2IN2,37,二、 整流电路,2）工作原理 u1 经Tr u2,波形图,1. 单相半波整流电路 1）. 电路组成,38,3）主要参数 (1

14、) 单相半波整流电压的平均值UO,(2) 单相半波整流电流的平均值IO,39,(3) 二极管中的平均电流ID,(4) 二极管承受的最大反向电压UDRM,4）整流元件的选择 根据ID、 UDRM 选择合适的整流元件D;,40,1）. 电路组成： 原理图如图所示,单相桥式整流电路图,2. 单相桥式整流电路,41,2）工作过程,当u2 0 (正半周)，D1、D3导通，D2、D4 截止。i2的通路是a D1 RL D3 b;,当u2 0 (负半周)，D2、D4 导通，D1、D3 截止。i2 的通路是b D2 RL D4 a ;,42,单相桥式整流电路波形图,43,3）主要参数,(1) 单相桥式整流电压

15、的平均值UO,(2) 单相桥式整流电流的平均值IO,44,(3) 二极管中的平均电流ID,(4) 二极管承受的最大反向电压UDRM,45,4）整流元件及变压器的选择,(1) 根据ID、 UDRM 选择整流电路元件D1 D4; (2) 根据负载RL的要求决定变压器副边的有效值， UO = 0.9 U2 , IO = 0.9 I2 U2 = 1.11 UO , I2 = 1.11 IO (3)根据U2 、I2和电源电压U1选择变压器。 变比： K= U1/ U2 容量： S = I2U2,46,例1:,已知负载电阻RL80，负载电压Uo110V。今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为380V。 (

16、1)如何选用二极管? (2) 求整流变压器的变比及容量。 解: (1)二极管:,选择: IFM 0.69A， URM 172.8V。,47,(2) 整流变压器的变比和容量： 变比, I2 = 1.11 IO 1.53 A 变压器的容量 S = I2U2 = 1.53122.21187 VA,选择变压器 K=4 S187VA,48,三、 滤波电路,1. 电容低通滤波器 1）. 电路组成,2）. 工作过程,分析: 设uC (0-) = 0, (1) u2 0 (正半周) a) 当0 u2 U2m,D1、D3导通， D2、D4 截止，iD = iC + iO, uC = uO，电容充电。,50,b)

17、 当 u2 uC ，且/ 2 t 时,D1、D3、D2、D4截止 ，iD =0， iC = iO, uC = uO，电容向负载放电 。,51,(2) u2 0 (负半周)， a) 在t 3/ 2，当 uC| u2 |U2m 时， D2、D4 导通， D1、D3 截止，有:iD = iC + iO, uC = uO，电容充电。,b) 在3/ 2 t 2 ，当| u2 | uC 时，D1D4截止 ，有:iD =0， iC = iO, uC = uO，电容放电 。,(3) 此后，电容周期性的充电、放电。,3）. 参数估算,放电时间常数= RL C，若RL愈大，即愈大，则uO 愈平坦，脉动愈小，UO

18、值愈高。因此，输出电压受负载变化的影响较大，电容滤波电路的外特性较差。为得到较好的滤波效果，一般取:,53,(1) C=(3 5)T/(2RL) (2) 在(1) 条件下，有：UO = (1.11. 2 )U2 , 一般取： UO =1. 2 U2 (3) 输出电流平均值：,(4) 整流管中的平均电流值：,在U2=0的瞬间加C,在U2最大瞬间加C,例2:,有一单相桥式电容滤波整流电路，已知交流电源频率 f 50 HZ， U1 = 220V，负载电阻RL1000 ，要求直流输出电压uo30V，选择整流二极管及滤波电容器。 解: (1) 选择整流二极管,ID=IO=30mA,取:UO =1. 2

19、U2 ，则: U2 = UO /1. 2 = 25V ,故选用整流二极管为2CP11，其IF=100 mA , UDRM=50V。,55,(2) 选择 滤波电容器 据式 = RLC（35）T/2 取 RLC=5T/2 且 f = 50 HZ T = 1 / f = 0.02 s,56,2. 电感低通滤波器,1）. 电路组成,电感低通滤波电路,57,2）. 分析 (1) XL =L，随谐波 f XL 可以减弱整流电压中的交流分量，在负载上可得到低频分量； (2)当 f = 0时， XL = 0， 直流分量全部降在负载 RL 上。 可见， XL滤去高次谐波，输出端得到较为平坦的输出电压。,58,四、 稳压电路,1. 并联稳压电路 1）. 电路组成,并联稳压电路,59,根据电路结构有： UO = UZ = UiIR*R (6.9) IR = IZ + IO (6 .10),2）. 稳压工作