半导体二极管及整流电路

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1、第八章第八章 半导体二极管及整流电路半导体二极管及整流电路第二节第二节 二极管整流电路二极管整流电路 第三节第三节 滤波电路滤波电路第四节第四节 稳压管及稳压电路稳压管及稳压电路第一节第一节 半导体的导电特性及半导体的导电特性及PNPN结结自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体 之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些 硫化物、氧化物等。第一节第一节 半导体的导电特性及半导体的导电特性及PNPN结结半导体的导电机理不同于其它物质，所 以它具有不同于其它物质的特点。比如：当受外界热和

2、光的作用时，它的导 电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质， 会使它的导电能力明显改变。在热力学温度零度 和没有外界激发时,本征半导体不导电。把纯净的没有结 构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。它是共价键结构。 本征半导体的共价键结构硅原子价电子一、半导体的导电特性一、半导体的导电特性 +4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空 穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向外电场方向空穴导电的 实质是共价 键中的束缚 电子依次填 补空穴形成 电流。故半 导体中有电 子和空穴两 种载流子。

3、空穴移动方向 电子移动方向 1.两种载流子 价电子填补空穴结论1.本征半导体中存在数量相等的两种载流 子，即自由电子和空穴。3.温度越高，载流子的浓度越高。因此本 征半导体的导电能力越强，温度是影响半导 体性能的一个重要的外部因素，这是半导体 的一大特点。2.本征半导体的导电能力取决于载流子 的浓度。+4+4+4+4+4+4+4+42.2.两种半导体两种半导体（1） N 型半导体在硅或锗的晶体中 掺入少量的五价元 素,如磷,则形成N型半导体。 磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子N 型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。+4+4+4+

4、4+4+4+4空穴（2） P型半导体在硅或锗的晶体中 掺入少量的三价元 素,如硼,则形成P 型半导体。 +4+4硼原子填补空位+3负离子P 型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子1.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供 的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数 。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形 成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是 多子。近似认为多子与杂质浓度相等。2.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。结论P 区N 区1. PN 1. PN 结的形成结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成 P型半导体区域和 N型半导体区域,在这两个区域

5、的交界处就形成了一个PN 结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向二、二、PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区 P 区N 区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 内电场方向E外电场方向RI2. PN 2. PN 结的单向导电性结的单向导电性P 区N 区外电场驱使P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄 扩散运动增强，形 成较大的正向电流（1） 外加正向电压P 区N 区内电场方向ER空间电荷区变宽 外电

6、场方向IR（2） 外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结 形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行1、空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。 2、空间电荷区中内电场阻碍扩散运动的进 行。（扩散运动为多子形成的运动）3、少子数量有限，因此由它们形成的电流很小。4、PN结具有单向导电性。正向偏置： P区加正、N区加负电压多子运动增强，PN结导通反向偏置：P区加负、N区加正电压少子运动增强，PN结截止结论正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管1. 1.二极管的结构和符号二极管的结构和符号二极管的符号正极负极三、三、 半导体二极管半导体二极管正极引线

7、二氧化硅保护层P型区负极引线 面接触型二极管N型硅PN结PN结二极管的型号 例如：2 C K 18 序号 （K-开关、W-稳压、Z- 功能 整流、P-检波） （A、B-锗） 材料（C、D-硅） 二极管2.伏安特性UI死区电压 硅管 0.5V,锗管0.2V 。导通压降: 硅 管0.60.7V,锗 管0.20.3V。反向击穿电 压U(BR)小结： （1）二极管正向电压很小时，有死区。 （2）二极管正向导通时管压降基本固定。导通电阻很小。 （3）二极管反向截止时，反向电流很小，并几乎不变，称反向饱和电流。 （4）反向电压加大到一定程度二极管反向击穿。3.主要参数（1）最大整流电流 IOM二极管长期使

8、用时，允许流过二极管的最大正 向平均电流。（2）反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流 剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而 烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是 UBR的一半。（3）最大反向电流 IRM指二极管加最大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，因此 反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温 度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗 管的反向电流要大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等例1. 试求下列电路中的电流。（二极管为硅管）二极管为非线性元件在分析计

9、算时和以往线性元 件不同下面我们以例子说明。4.分析、应用举例二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅 、 元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 其中： US=5V，R=1K 解：所示电路中二极管处于导通状态， 因此：+ -USRI二极管为电流控制型元件，R是限流电阻。例2：下图中，已知VA=3V， VB=0V， VDA 、VDB为锗 管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。 解： VDA优先导通，则 VY=30.3=2.7V VDA导通后, VDB因反偏而截止 ,起隔离作用, VDA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V。 VDA12VYAB VDBR二极管导通后，管子上的管压降

10、基本恒定。第二节第二节 整流电路整流电路 一、单相半波整流电路一、单相半波整流电路1. 1. 电路组成电路组成uo to to to to23 uou2u2u1 uDioioRLT232U22U22U2Im2233uD2. 2. 工作原理工作原理VDu2正半周负uo输出电压平均 值（U0）：输出电压波形：3 3. .电路计算电路计算uou2u1ioRLT uDVDuO t0 t t t23 uOu2u2u1uDuDiOiOVDRLT232U22U22U2Im2233UO=0.45U2 ,IO=UO RL=0.45U2 RL ID= IO ,UDRM=2U2U2=2.22 UOI2= Im2 ,

11、I2=1.57 IO ,IO=Im 000Im=2U2RLVD1和VD3导通,VD2和VD4截止(相当于开路)第8章 u2Tu1 RLuoio2. 2. 整流工作原理整流工作原理 + u u2 2正半周正半周二、二、 桥式整流电路桥式整流电路 1. 1. 桥式整流工作的组成桥式整流工作的组成 由变压器 T 和二极管V D1VD4 及负载 RL 组成。VD4VD3VD2VD1第8章 u2Tu1 RLVD4VD3VD2uoio2. 2. 整流工作原理整流工作原理 u u2 2负半周负半周 VD1+VD2和VD4导通，VD1和VD3截止totototo23232U22U22U2Im2233uD1uD

12、3uD4uD23 3. .电压、电流的计算电压、电流的计算UO = 0.9U2 , 0.9U2 RLIO=UO RL=UDRM =2U2 ,IO= 0.9I2 ,I2 = 1.11 IO , U2 =1.11 UO选用二极管的依据是: ID 应小于IOM (最大整流电流） UDRM应小于UR M(最高反向工作电压)uOu2uDiOID = IO1 2第8章 滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保

13、留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。第三节第三节 滤波电路滤波电路电容电容 充电充电电容电容 放电放电二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电.一、一、 电容滤波电路电容滤波电路1. 1. 电路组成和工作原理电路组成和工作原理第8章 u2Tu1RLVD1VD4VD3VD2uoioCuCau0RL接入（且RLC较大）时u2tu0t忽略整流电路内阻没有电容时的 输出波形整流电路为电 容充电电容通过RL放电，在整 流电路电压小于电容电 压时，二极管截止，整 流电路不为电容充电， u0会逐渐下降。具体分析： u1u2u1bD4D2D1 D3 RLSCu2tu0t忽略整流电路内阻只有整流

14、电路输 出电压大于u0的 时间区间，才有 充电电流。因此 整流电路的输出 电流是脉冲波。整流电路的 输出电流RL接入（且RLC较大）时u1u2u1bD4D2D1 D3 RLSC u02. 2. 工作波形工作波形u2Tu1RLVD1VD4VD3VD2uOiOCuCt iDuO2U20tt1t4t3t22U2IOUO0.9U20.45U2全波整流电容滤波电路的外特性 TUO =1.2U2RLC (35)23. 3. 外特性外特性00uou2uDioVDRLTu1Ct0232U2IoUo半波整流电容滤波电路的外特性2U20.9U20.45U24. 4. 半波整流电容滤波电路半波整流电容滤波电路估算公式: UO=1.0U2 2UDRM=2U2注意注意 :UDRu20分析RL未接 入时的情况：u2tu0t整流电路为电 容充电充电结束忽略整流电路内阻u2u1bD4D2D1 D3 RLSC u0一般取(T:电源电压的周期)（1）近似估算:半波Uo=U2，全波Uo=1.2U2。(3) 流过二极管瞬时电流很大RLC越大U0越高,负载电流的平均值越大整流